基于ANSYS的桥梁参数化建模

1 ANSYS 二次开发工具
2 参数化建模过程
有限元软件 ANSYS 具有良好的开放性 ,可以根 据需要二次开发 ,进行功能扩充和系统集成 ,生成具 有专业特点的用户子系统 。其主要的二次开发工具 有 3 个[3～5] :
①UIDL (User Interface Design Language) 。是编 写 、定制图形界面的专用语言 ,用于在系统主菜单上 添加用户菜单项 、用户对话框等 , 实现参数输入 , ANSYS 内部命令及用户编写的脚本命令的调用等 功能 。
[ 关键词 ] 桥梁设计 ; 参数化建模 ; ANSYS 二次开发 [ 中图分类号 ] U 442. 5 [ 文献标识码 ] B [ 文章编号 ] 1002 —1205 (2006) 04 —0077 —03
Bridge Parametric Modeling Based on ANSYS
② APDL (ANSYS Parametric Design Language) 。 是自动完成特定功能的一种脚本语言 , 由类似于 FORTRAN 77 的程序设计语言部分和 ANSYS 命令组
在 ANSYS 中 , 桥 梁 的 整 体 建 模 通 常 使 用 BEAM188 梁单元 。该单元具有用户自定义截面功 能 ,可以通过截面操作命令将创建的二维平面图形 指定为自定义截面 ,ANSYS 将自动计算该截面参数 并通过相应命令将截面参数赋给指定的单元 。通过 使用 APDL 语言 ,以命令流形式编制宏文件 ,可以实 现创建图形 ,输入截面 、定义单元属性 ,划分单元等 参数化建模过程 。桥梁参数化有限元建模主要包括 桥型 、截面和材料这 3 个方面 。
②截面 。截面选用 plan82 单元 ,利用 APDL 命 令 :k (建立关键点) 、l (建立线段) 、A (通过关键点 建面) ,建立平面模型 ;使用 secwrite (定义截面) 、se2 cread (读入截面) 等相关截面命令将创建的面定义 为 ANSYS 截面 。
对于对称的截面 (如箱形截面) ,为了保证模型 对称性 ,先建立一半截面模型 ,划分单元 ,然后通过 ARSYM 命令进行镜像 ,并用 NUMMRG 操作合并对 称轴上的多余节点和关键点 。
①桥型 。常见桥型 (简支梁 ,连续梁 ,刚构桥 , 斜拉桥) 的有限元模型由关键点和线段构成 ,利用 TT 命令赋予材料和截面信息 ,建立单元 。建模时
[ 收稿日期 ] 2005 —03 —10 [ 作者简介 ] 龚亚琦 (1980 —) ,男 ,湖北武汉人 ,硕士 ,主要从事有限元及工程结构仿真分析 。
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第4期
龚亚琦 ,等 :基于 ANSYS 的桥梁参数化建模
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3 用户图形界面
创建用户图形界面有两种方式 ,一种是用 UIDL 直接编写输入对话框 ,另一种是用 Visual C + + 开发 图形界面模块 ,然后通过 UPFs 接口程序在 ANSYS 中加载调用 。基于 UIDL 的对话框结构简单 ,不能 创建深层套嵌的对话框 ,不能插入图形 ,而且无法同 外部程序进行直接消息响应 。
GONG Yaqi , LIU Xiaohu , YANG Wenbing (Hua Zhong University of Science and Technology , School of Civil Engineering & Mechanics , Wu Han , 430074)
[ Key words ] bridge design ; parametric modeling ; ANSYS user2programming
③材料 。对于桥梁中使用的钢筋 、混凝土 、钢
板等标准材料 ,将其材料参数存放在一个数据库中 , 第一列为材料类型号索引 ,以后各列依次存放该种 材料的弹性模量 、泊松比 、密度等相关材料参数 。建
模时通过图形界面输入的材料类型号 ,在数据库中 根据类型号检索该材料的相应材料参数 ,然后通过 定义材料的 APDL 命令 MP 和 MPDATA ,在 ANSYS 中定义材料属性 。数据表是开放的 ,允许随时添加 、 修改 。
所以本文用功能较强的 VisualC + + 开发用户图 形界面模块 ,利用 ADO C + + 接口创建 Access 数据 库和数据表格供用户预览修改 ,然后用 UPFs 程序分 3 个步骤加载调用 (见图 1 ,图 2) :
后调用 UPFs 内部函数 runfile ,指令 ANSYS 读入该宏 文件 para. mac ,由于 ANSYS 读入文件是逐行读取 , 故 ANSYS 将读入的每行字符串视为每条 ANSYS 参 量赋值命令 ,执行参量赋值 ,从而将数据读入 ANSYS 数据库中 。实现数据交换的一段代码如下 :
对于变截面桥 ,梁底线形一般按照曲线规律变 化 。建模时截面的高度参数按照该曲线规律改变 , 其它截面参数相应做出调整 ,可以通过多个截面以 折线的形式阶梯状模拟梁底曲线 。通过 3 DO 循环 命令可以一次完成这多个截面的创建 。
在截面创建过程中 ,有些尺寸参数之间要求有 严格的大小关系 ,用户输入数据过程中一旦数据输 入错误 ,将可能导致程序异常错误 。为了预防这些 错误 ,需要在参数被调用之前对数据做出判断 ,给用 户适当的提示 。
成 ,具有变量 、数组 、函数 、循环 、分支 、判断等编程要 素 ,用于把 ANSYS 用户操作过程以命令方式组织起 来 ,形成用户宏程序 。
③UPFs (User Programmable Features) 。是 AN2 SYS 提供的连接用户应用程序的工具 ,利用它所提 供的 10 个 FORTRAN 接口程序 (user01user10) ,通过 把用户应用程序作为接口程序的子程序或函数 ,就 可以将用户应用程序连接到 ANSYS 中 。连接后的 用户应用程序可以读取 ANSYS 数据库信息 ,并调用 其内部子程序 。
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中 南 公 路 工 程
第 31 卷
根据主梁 、墩 、塔等分开建模 ,然后将各部分连接起 来 。连接时为了避免单元重叠 ,各部分不直接连接 , 通过定义刚性区域或者编写约束方程使分开的单元 建立连接 ,所连接的 2 个节点转角相同 、位移通过合 成叠加 。
桥梁设计过程中需要建立有限元模型对桥梁进 行分析计算 ,实际设计中存在很多类型基本相同而 几何尺寸不同的桥梁 。针对工程设计中常见的桥梁 进行参数化建模 ,即用户输入设计控制参数后程序 自动建立桥梁有限元模型[1 ,2] ,克服传统手工建模效 率低 、工作重复性大的缺点 。国内的 GQJ S、桥梁博 士等桥梁结构分析软件具有一定的自动建模功能 。 本文研究在有限元软件 ANSYS 平台上进行二次开 发 ,实现桥梁参数化建模的技术和方法[3] ,并给出了 工程实例 。
3 IF ,T2 , GE ,B ,THEN 3 MSG,ERROR ,’B must be greater then T2’ %c %c 3 ELSEIF ,T1 , GE ,H ,THEN 3 MSG,ERROR ,’H must be greater then T1’ %c. %c 3 ELSE ΠPREP7 ALLSEL ,ALL ! ! 获得当前点 、线 、面的最大编号 3 GET ,tempkpsc , KP ,0 ,NUM ,MAX 3 GET ,templnsc ,LINE ,0 ,NUM ,MAX 3 GET ,temparsc ,AREA ,0 ,NUM ,MAX ! ! 参数化建模过程 3 AFUN ,RAD CSYS ,0 WPCSYS , - 1 ,0 ET ,1 ,82 BLC4 ,0 , - T1 ,BΠ2 ,T1 ! ! 建立面模型 BLC4 ,0 , - H ,T2Π2 , ( H - T1) ! MSHAPE ,0 ,2D MSHKEY ,1 ESIZE ,SIZE ,0 ! ! 控制截面网格 AMESH ,temparsc + 1 ,temparsc + 2 ,1 WPCSYS , - 1 ,0 CSYS ,0 ! ! 截面镜像操作 ARSYM ,X ,temparsc + 1 ,temparsc + 2 ,1 ASEL ,S , , ,temparsc + 1 ,temparsc + 4 ,1 ! ! 分组操作 ,建立集合 ALLSEL ,BELOW ,area ! NUMMRG,node ! ! 合并多余节点 、关键点 NUMMRG ,kp ! ! ! 指定自定义截面 NSEC SECWRITE , %NSEC % 3 ENDIF 3 ENDIF
[摘 要 ] 介绍了在有限元分析软件 ANSYS 平台上 ,利用 ANSYS 二次开发工具 UIDL ,APDL ,UPFs ,以及 Visual C + + ,Visual Fortran ,实现参数化建立桥梁有限元计算模型的技术和方法 ,并给出了 2 个工程实例 。相对传统的手 工建模方式 ,参数化建模能显著减少工作量 ,缩短桥梁设计周期 。
以参数化创建 T 型截面为例 ,截面上缘宽度为 B ,下缘宽度为 T2 ,高为 H ,上缘厚为 T1 ( B > T2 , H > T1) ;自定义截面号为 NSEC ,网格尺寸 SIZE 由 界面用户输入 。参数化创建 T 形截面的一段 APDL 程序代码如下 :
! ! 首先是参数输入的预处理 ,检查参数大小关系 。 ! ! 如果参数输入错误 ,通过 3 MSG弹出提示信息框 。
第31卷 ,第4期 2006 年8 月