基于Python的Workbench开发指南+案例解析

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本文摘要（由AI生成）：

本文主要介绍了ANSYS Workbench中日志(Journal)功能的使用方法和脚本开发。日志功能提供了记录界面操作的能力，通过日志脚本，可以实现以下功能：快速轻松地重放日志记录的操作、扩展仿真功能、自动化重复仿真分析、通过脚本以批处理(Batch)模式运行分析。脚本是向Workbench发出的一组指令，脚本是基于IronPython 2.7编写的。数据引用是实例化数据实体的句柄。数据容器引用是实例化数据容器对象的句柄。项目是为实现总体仿真目标创建的系统(System)、组件(Components)、数据(Data)及数据共享(Connections)的完整集合。系统是一组组件或单个组件的集合，它们共同提供实现仿真目标的工作流。

ANSYS Workbench中日志(Journal)功能提供了记录界面操作的能力。通过日志脚本，我们能够实现以下功能：

① 能够快速轻松地重放日志记录的操作；

② 扩展仿真功能、自动化重复仿真分析；

③ 通过脚本以批处理(Batch)模式运行分析。

1、脚本概述

Workbench日志功能为基于Python的脚本，提供脚本录制功能，我们可以修改这些脚本或创建新的脚本。

1.1 日志录制

可以通过以下几个步骤录制：

① 启动ANSYS Workbench平台，选择File > Scripting > Record Journal；

② 指定日志文件的名称和存放地址，点击Save；

③ 像往常一样使用界面操作进行仿真分析，Workbench会自动记录操作脚本；

④ 选择File > Scripting > Stop Record Journal，停止脚本录制。

1.2 命令窗口

在Workbench中可以使用命令窗口以交互模式调用命令、访问数据实体(Data Entity)属性，调用数据实体和数据容器(Data Container)方法。操作如下：

① 选择File > Scripting > Open Command Window；

② 命令窗口打开后，输入想要运行的命令；

每次输入命令时，相应的操作将出现在Workbench数据库和GUI上。我们一起看下面一段命令：

在上面命令中：首先通过GetTemplate()方法获得Mesh组件系统的对象变量：mesh_temp；然后调用mesh_temp对象下的CreateSystem()方法创建Mesh组件系统。

2、脚本编写

脚本是向Workbench发出的一组指令。脚本可以是修改过的日志，也可以是直接编写的全新指令。Workbench脚本使用面向对象的编程方法，脚本是基于IronPython2.7编写的，在尝试编写或修改脚本之前，我们应该熟悉这个版本的Python。

IronPython(https://ironpython.net/)是流行的编程语言Python for .NET的一个实现，而我们常说的Python是基于C语言实现的CPython(https://www.python.org/)；两者在语法和基础类库是完全一致的，但是IronPython不能使用基于C语言编写的Python模块，如Numpy、Matplotlib等。

Python 是一种面向对象、解释型和交互的编程语言，简单易学容易上手，其代码具有非常强的可读性。Python本身为我们提供了非常完善的基础代码库，覆盖了网络、文件、GUI、数据库、文本等大量内容。基于Python的易学性和强大的扩展性，我们很容易利用Workbench中脚本API扩展所需的仿真功能。

关于Python的基础语法和教程，本文不做叙述，大家可以去网上自学入门。接下来主要介绍Workbench的框架结构和数据结构。

2.1 数据集成应用程序

在项目示意图(Project Schematic)下，可以与Workbench的本地应用程序(称为工作区)交互，并且可以启动数据集成应用程序。工作区完全构建在Workbench框架上，可以使用它的所有服务，包括：项目示意图、工程数据(Engineering Data)和设计探索(Design Exploration)。

数据集成(Data-integrated)应用程序是独立于Workbench框架；它们以扩展程序(Addins)集成在框架上，这样可以由项目示意图驱动，并与Workbench和其支持的程序共享关键数据和参数。数据集成应用程序包括Mechanical APDL、Fluent、CFX、DesignModeler、SpaceClaim、Mechanical等。

工作区和数据集成应用程序之间的差异在于：所有与工作区关联的数据修改操作都会被日志记录下来，并且可以通过Workbench脚本完全自动化；对于数据集成应用程序来说，只记录从项目示意图发起的操作，包括系统更新、数据共享传输。在数据集成应用程序中执行的操作不一定由ANSYS Workbench脚本记录或控制。例如，没有记录Mechanical APDL中构造几何的步骤或ANSYS Fluent中的求解方法。

虽然数据集成应用程序并不完全支持Workbench脚本，但它们中许多都有自己的原生脚本语言，可以通过Workbench脚本接口驱动。使用SendCommand方法将原生脚本命令传递给数据集成应用程序。可以将SendCommand调用方法插入Workbench脚本中，以驱动集成应用程序。如下表所示：

2.2 Workbench项目和数据结构

在使用Workbench脚本时，我们应该理解以下术语和概念。下图描述了项目中对象之间的关系。

项目 - Project

项目是为实现总体仿真目标创建的系统(System)、组件(Components)、数据(Data)及数据共享(Connections)的完整集合。

系统 - System

系统是一组组件或单个组件的集合，它们共同提供实现仿真目标的工作流，例如结构静力学分析、稳态流动分析及网格划分等。

组件 - Component

一个组件包括数据和一个数据编辑器(Editor)的集合，它们一起工作以实现与CAE相关的任务。一个系统可以包括几个组件，这些组件一起定义模拟工作流。数据编辑器可以支持Workbench数据集成应用程序，如：Fluent、mechanical；也可以是工作区应用，如工程数据和设计探索。

数据容器 - Data Container

数据容器包括单个组件独有的数据以及要管理和操作的服务。创建、检索或修改组件本地数据的服务由数据容器提供，而控制数据进出组件的服务则由组件提供。

数据实体 - Data Entity

数据实体是在数据容器中定义的数据结构。数据实体类似于面向对象编程中的类。它定义可以调用的成员数据(或属性)和方法来对数据执行操作。

数据引用 - Data Reference

数据引用是实例化数据实体的句柄。可以从数据实体定义创建对象，数据引用提供对该对象的访问。在Workbench日志中，数据引用被分配给变量。然后使用变量访问数据实体的属性和方法。示例如下：

解析：上述代码通过GetSystem方法，返回引用System ID的数据对象，并将其分配给变量mesh_sys；然后使用变量mesh_sys可以调用System数据实体支持的方法，如用于更新组件系统的Update()方法。

数据容器引用 - Data Container Reference

与数据引用类似，数据容器引用是实例化数据容器对象的句柄。示例如下：

解析：上述代码通过调用mesh_sys对象的GetContainer方法，返回引用Component ID的数据容器对象，并将其分配给变量mesh；然后使用变量mesh可以访问组件数据实体支持的方法，如Edit和SendCommand方法。

2.3 脚本开发

进行Workbench脚本开发，需要做到以下几个方面：

①首先我们需要了解面向对象编程方法：理解类、属性、实例对象和方法的概念；②掌握Python的基本语法、流程控制、数据结构、函数及类的编程方法，并了解常用模块使用方法；

③了解仿真流程，并理解Workbench框架和数据结构；可通过开发文档查询获取脚本API。

其实做到上述要求其实并不难，只要我们平时多了解Python的使用方法，理解Workbench框架和数据结构，并时常多阅读Workbench脚本开发文档，多将理论知识付诸于实践中，相应大家很快都能掌握脚本开发的方法。

3、命令行启动

Workbench可以从操作系统命令行执行，并接受许多命令行参数，以便于自动化和脚本重放。以下命令可用于从命令行运行Workbench：

ANSYS_INSTALL_PATH/Version/Framework/bin/PLATFORM/runwb2.exe

其中Version是对应ANSYS版本；例如，19.0对应v190，2019R1对应V193。

命令中PLATFORM可以是以下之一：

Win64
Linux64

例如，要从Windows 64位系统的默认安装位置运行Workbench 19.0，命令是：

C:\Program Files\ANSYS Inc\V190\Framework\bin\win64\runwb2.exe

下表描述了可用于控制ANSYS Workbench的常用命令行参数。

4、案例应用

上述部分我们介绍了Workbench框架和数据结构，以及脚本开发方法和命令行启动方式，下面我们通过一个实例演练一下。

4.1 案例目标

在上一篇文章中我们在Workbench平台下，对球阀的开度和水流速度进行参数化。之后可以在Parameter Set界面下快速更改参数进行仿真求解。

本案例中，演示通过Workbench脚本驱动更改输入参数，然后更新Mesh和Fluent组件系统，仿真计算完成后通过脚本读取输出参数，并将结果保存到csv文件。

4.2 脚本开发

如果对Workbench脚本API不太熟悉，可以采用1.1中的方法先将功能操作录制成日志文件，然后再在日志文件基础上修改并添加功能。完整的代码如下所示：

4.3 批处理执行

将脚本文件保存为Valve.py文件，与Workbench项目文件放在一个目录下。然后在同一目录下新建记事本文件，输入以下启动命令，之后将文件保存为ValveRun.bat。

上述命令中：①%AWP_ROOT190%对应着ANSYS_INSTALL_PATH/v190目录，是ANSYS安装后自动创建的环境变量；②“.\Valve.wbpj”代表同一目录下的Workbench文件；③“.\Valve.py”代表同一目录下的脚本文件。文件结构如下：

修改Valve.py中valve_angle和inlet_velocity值，双击运行ValveRun.bat批处理文件，系统会自动调用Workbench19.0，加载脚本文件Valve.py，之后执行脚本中定义的仿真流程：①修改输入参数；②更新组件系统；③输出结果到result.csv文件。输出结果如下：