ANSYS二次開發(fā)技術(shù)在斜拉橋參數(shù)化建模中的應(yīng)用

1、收稿日期:2004211225.作者簡介:江(19812,男,碩士研究生;武漢,華中科技大學土木工程與力學學院(430074.AN SYS 二次開發(fā)技術(shù)在斜拉橋參數(shù)化建模中的應(yīng)用江1楊文兵1李振環(huán)1(1.華中科技大學土木工程與力學學院,湖北武漢430074摘要:鑒于AN SYS 已有功能和橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計特點,通過AN SYS 平臺自帶的開發(fā)環(huán)境以及其余外部件的開發(fā)接口,運用大跨度斜拉橋結(jié)構(gòu)分析的理論,結(jié)合實際計算過程中對模型的處理方法,對基于AN SYS 的斜拉橋分析建模中若干問題進行了二次開發(fā),實現(xiàn)了在AN SYS 中通過圖形界面輸入?yún)?shù)建立相應(yīng)模型的過程.關(guān)鍵詞:AN SYS ;二次開發(fā);斜

2、拉橋;參數(shù)化建模中圖分類號:TU 311.4:U 448.27文獻標識碼:A 文章編號:167227037(2005增20077204常見橋型結(jié)構(gòu)計算,采用由圖形建立其結(jié)構(gòu)分析時的有限元模型.AN SYS 本身的圖形功能十分豐富,但其使用過程復(fù)雜,建立三維結(jié)構(gòu)模型時需要一定的有限元知識.利用AN SYS 二次開發(fā),擬開發(fā)這一相關(guān)功能,即針對橋梁結(jié)構(gòu)縱向計算模型在常見橋型結(jié)構(gòu)計算中,實現(xiàn)參數(shù)化建立結(jié)構(gòu)分析的有限元模型.為達到此目標,需建立常用結(jié)構(gòu)模型庫.1ANS Y S 二次開發(fā)技術(shù)AN YSYS 不僅提供標準的有限元分析程序,而且具有良好的開放性,可利用它的二次開發(fā)工具生成有限元分析程序來滿足

3、用戶需要.如A PDL 參數(shù)化設(shè)計語言(AN SYS Param etric D esign L anguage ,U PF s 用戶編程特性(U ser P rogramm ab le Featu res 及U I DL 用戶界面設(shè)計語言(U ser In terface D esign L anguage 3.參數(shù)化程序設(shè)計語言A PDL 實質(zhì)上由類似于FO R TRAN 77的程序設(shè)計語言部分和1000多條AN SYS 命令組成,其中,程序設(shè)計語言部分與其它編程語言一樣,具有參數(shù)、數(shù)組表達式、函數(shù)、流程控制(循環(huán)與分支、重復(fù)執(zhí)行命令、縮寫、宏以及用戶程序等.標準的AN SYS 程序運行是

4、由1000多條命令驅(qū)動的,這些命令可以寫進程序設(shè)計語言編寫的程序,命令的參數(shù)可以賦確定值,也可以通過表達式的結(jié)果或參數(shù)的方式進行賦值.從AN SYS 命令的功能上講,它們分別對應(yīng)AN SYS 分析過程中的定義幾何模型、劃分單元網(wǎng)格、材料定義、添加載荷和邊界條件、控制和執(zhí)行求解和后處理計算結(jié)果等指令.用戶可以利用程序設(shè)計語言將AN SYS 命令組織起來,編寫出參數(shù)化的用戶程序,從而實現(xiàn)有限元分析的全過程,即建立參數(shù)化的CAD 模型、參數(shù)化的網(wǎng)格劃分與控制、參數(shù)化的材料定義、參數(shù)化的載荷和邊界條件定義、參數(shù)化的分析控制和求解以及參數(shù)化的后處理.2大跨度斜拉橋建模的原理計算方法的不斷發(fā)展和計算機運行

5、速度的大幅度提高,導(dǎo)致了目前較為通用的大型有限元方法的問世.由于此次二次開發(fā)前處理部分必須考慮通用性,以及方便以參數(shù)輸入方式建立模型等因素,因此選擇如下模型作為開發(fā)對象1,2.a .主梁采用帶剛性短懸臂的魚骨式模型.這種模型的精度主要取決于魚骨縱、橫梁的剛度,一般用于扭轉(zhuǎn)剛度較大的全封閉箱梁結(jié)構(gòu).主梁采用beam 188單元賦以相應(yīng)的截面模擬,剛性短懸臂采用剛性約束實現(xiàn).b .橋塔用梁單元來模擬.采用beam 188單元賦以相應(yīng)的截面模擬,計算動力特性時足以達到很好的精度.也有用塊體單元來模擬的,但是使用塊體單元存在建模困難及結(jié)點眾多的缺點.c .斜拉索采用多段直桿法.它包括一系列鉸接的直線連

6、桿,并且軸向剛度采用重力剛度,主纜自重和其它任意荷載集中作用于連桿的節(jié)點上.無限數(shù)量的連桿能夠有效的模擬主纜的自然狀第22卷增刊2005年5月華中科技大學學報(城市科學版J.of HU ST.(U rban Science Editi on V o l .22Sup.M ay .2005態(tài),而通常有限小數(shù)量的連桿就能給出滿意的結(jié)果.由于要考慮斜拉索的垂度效應(yīng)以及方便索力調(diào)整,該方法是非常合適的.斜拉索采用link 10單元,通過實常數(shù)定義斜拉索的面積和初始應(yīng)力,并在材料屬性中定義熱膨脹系數(shù).d .主梁和橋塔采用約束方程連接在一起.在主梁模型以及橋塔模型上,設(shè)定相應(yīng)節(jié)點并用約束方程將它們聯(lián)系在一

7、起.3參數(shù)化建立斜拉橋模型的過程利用V isualC +(簡稱V C 開發(fā)程序的用戶界面,用戶界面程序通過AN SYS 中的用戶程序特性(U PF s 與AN SYS 進行數(shù)據(jù)和信息交互.所需信息參數(shù)輸入并確認無誤后同過調(diào)用參數(shù)化程序設(shè)計語言(A PDL 編寫的宏文件建立斜拉橋各部分模型.a .參數(shù)初始化.參數(shù)初始化是在AN SYS 中預(yù)先定義需要用到的參數(shù)以及數(shù)據(jù)庫.由于通用性的要求,不同的橋在建模過程中的參數(shù)必須有一定的規(guī)律,這就要求程序?qū)⑾嗤再|(zhì)的參數(shù)統(tǒng)一存放.這些參數(shù)包括主梁的決定參數(shù)(結(jié)構(gòu)跨數(shù)、每跨長度、主梁截面類型及結(jié)構(gòu)主塔數(shù)等、橋塔的決定參數(shù)(主塔類形、主塔高度及截面類型等、拉索

8、的決定參數(shù)(每塔斜拉索數(shù)、拉索材料號等以及各部分材料參數(shù).具體實現(xiàn)方法是通過調(diào)用A PDL 編寫的宏文件在AN SYS 中建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫,程序?qū)嵗缦?即3di m ,tow d ,1000,15!定義一個數(shù)組et ,1,beam 188!定義一種單元mp ,ex ,11,3.5e 10mp ,p rxy ,11,0.3!定義一種材料R ,1,0,1e -3,!定義一個實常數(shù)b .建立主梁模型.參數(shù)初始化完畢后,程序自動跳轉(zhuǎn)到主梁建模模塊.由于帶剛性短懸臂的魚骨式模型主梁被剛性短懸臂隔斷為一定數(shù)量的小段,主梁自身的材料和截面變化也會在模型上表現(xiàn)為不同的梁段,因此將主梁的所有數(shù)據(jù)輸入后再進行處

9、理更為合適.通過對存入數(shù)組中各節(jié)點的橫向座標進行排序即可得到最終主梁上各隔斷點的順序,用直線或曲線段連接相鄰各點;在剛性短懸臂處建立節(jié)點,剛性短懸臂末端處(剛性短懸臂末端坐標可通過輸入信息算出建立節(jié)點和關(guān)鍵點(即拉索關(guān)鍵點,在所建節(jié)點之間建立建立剛性區(qū)域,即可得到帶剛性短懸臂的魚骨式主梁模型(圖1,2.k ,anu (1+23(i -1+1,any (i ,1,any (i ,5,0!建立一個關(guān)鍵點n ,anu (10,any (i ,1,0,0!建立一個節(jié)點l ,anu (1+23(i -1+1,anu (1+23(i -1+3!用直線連接兩個關(guān)鍵點LA RC ,anu (1+23(i -1

10、+1,anu (1+23(i -1+3,anu (1,arci (1 ,!用圓曲線連接兩個關(guān)鍵點CER IG ,anu (10-2,anu (10-1,U XYZ ,!在兩個節(jié)點之間建立剛性區(qū)域圖1主梁結(jié)構(gòu)模型圖2劃分網(wǎng)格后的主梁模型采用每一單元對應(yīng)一個固定截面的方法來處理,部分程序如下.3if ,tow i (tow in ,14,ne ,0,then!判斷是否為變截面梁C M ,_Y ,L I N E L SEL ,anu (2C M ,_Y 1,L I N EC M SEL ,S ,_Y !選定一段梁!3!387華中科技大學學報(城市科學版2005年C M SEL ,S ,_Y 1LA

11、T T ,tow i (tow in ,3,1,anu (1-8+23j ,tow i (tow in ,12+(i -1!定義一段梁的材料及截面屬性,tow i (tow in ,12+(i -1為截面編號,隨i 改變而改變L ES IZE ,_Y 1,1,1定義一段梁所劃分的單元數(shù)C M SEL ,S ,_Y C MD ELE ,_Y C M D EL E ,_Y 1!33else !非變截面梁則截面編號為恒定值.LA T T ,tow i (tow in ,3,1,anu (1-8+23j ,tow i (tow in ,12!tow i (tow in ,12為恒定值L ES IZE

12、,_Y 1,1,1.3 endif圖3 鉆石型塔模型圖4劃分網(wǎng)格后的塔模型d .建立索模型.采用link 10單元模擬.根據(jù)用戶選擇的梁型和塔型調(diào)用對應(yīng)梁塔組合的拉索模塊;通過分別讀取主梁數(shù)據(jù)表和塔數(shù)據(jù)表中有關(guān)的記錄數(shù)據(jù)得到主梁上拉索起始關(guān)鍵點編號和塔上拉索起始點編號;根據(jù)不同梁塔組合規(guī)律可計算出其他拉索點編號以及對應(yīng)關(guān)系;計算出每對拉索點編號后在兩點之間建立線段,并定義其單元屬性以及定義劃分單元數(shù)(即拉索分段數(shù).令將建好的梁、塔、索模型劃分網(wǎng)格;然后使用AN SYS 菜單P rep rocesso r 塊中N um bering C trls下的M erge Item s 命令將重合的節(jié)點合

13、并;合并完成后在主梁上塔位置處的節(jié)點和塔上建立的連接節(jié)點之間建立約束方程.4應(yīng)用實例在編制程序,并完成簡單算例之后,對一實橋作施工模擬的仿真計算.該橋的主橋部分長840m ,索塔高155.1m ,雙塔,56對拉索(圖5 .圖5斜拉橋整橋模型在自身重力載荷作用下,從索塔施工開始到大橋合攏共350d ,分為17個施工步計算結(jié)果如圖6和圖7所示 .圖6 變形圖圖7垂度效應(yīng)模擬5結(jié)論與展望在AN SYS 中實現(xiàn)參數(shù)化建立斜拉橋模型,并使之與相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫和交互界面協(xié)作,使基于97增刊江等:AN SYS 二次開發(fā)技術(shù)在斜拉橋參數(shù)化建模中的應(yīng)用AN SYS 開發(fā)的橋梁計算軟件正常運行是可行的.目前作者已經(jīng)實

14、現(xiàn)了參數(shù)化建立混凝土主梁斜拉橋模型的功能,進一步的工作重點將放在參數(shù)化建立桁架結(jié)構(gòu)主梁斜拉橋模型上.對于桁架結(jié)構(gòu)主梁斜拉橋模型,目前還存在一些問題有待解決,主要是桁架和橋面的結(jié)合問題以及在桁架上實現(xiàn)拉索等問題,將在以后的工作中對上述問題進行研究.參考文獻1鄭凱鋒,陳寧,張曉翹.橋梁結(jié)構(gòu)仿真分析技術(shù)研究J .橋梁建設(shè),1998,(2:10215.2尹曉明,朱益民,趙研峰.斜拉橋動力模型分析J .鐵道標準設(shè)計,2003,(10:38239.3AN SYS Inc .AN SYS P rogramm ers M anual EBOL .h ttp : www .an sys .com Docum e

15、n tati on ,1998212230.Param etr ic M odel i ng of Cable -stayed Br idges Ba sed onSecondary D evelop m en t of ANS Y SJ IA N G K un 1YA N G W en 2bing 1L I Z hen 2huan1(1.Schoo l of C ivil Eng .&M echan ics ,HU ST ,W uhan 430074,Ch ina Abstract :T he environm en t of developm en t in AN SYS and in t

16、erface w ith o ther softw ares are in troduced .T he theo ry of cab le 2stayed b ridges and the p ractical m ethod of m odeling are u sed in analysis of cab le 2stayed b ridge .T he step s of secondary developm en t of AN SYS is discu ssed .T he p rocess of p aram etric design of cab le 2stayed b ri

17、dges is exp atiated based on the theo ry of cab le 2stayed b ridges .T he functi on of m odeling cab le 2stayed b ridges is actualized th rough data inp u ted fromp rogram in terface .Key words :AN SYS ;secondary developm en t ;cab le 2stayed b ridge ;p aram etric design (上接第76頁2汪林生,金宗哲.脆性材料的壽命模型J .

18、材料科學進展,1991,5(3:2522254.3高鎮(zhèn)同.疲勞應(yīng)用統(tǒng)計學M .北京:國防工業(yè)出版社,1986.4蔣仁言.威布爾模型族特性、參數(shù)估計和應(yīng)用M .北京:科技出版社,1998.5C revecoeu r G U .A model fo r the in tegrity assess 2m en t of aging repairab le system s J .IEEE .T ran sacti on s on R eliab ility .1993,42(1:1482155.6秦英孝,徐維新.可靠性數(shù)學基礎(chǔ)M .北京:電子工業(yè)出版社,1988.Study on Strength Probab il ity of Damage Br ittle M a ter i a lsDON G H ua 2d ong 1ZH EN G W eng 2heng 1L I L ian 2g u i1(1.Schoo l of C ivil Eng .&M echan ics ,HU ST ,W uhan 430074,Ch ina Abstract :T he p rocess of com p ressed rup tu re on b rittle m etal m aterial is