ansys參數(shù)化設(shè)計語言在橋梁問題中的應(yīng)用

ansys參數(shù)化設(shè)計語言在橋梁問題中的應(yīng)用

aniss是世界著名的大型有限分析軟件。它包括許多模塊：熱、液體、電網(wǎng)、結(jié)構(gòu)、熱、能源、汽車運輸、國防軍事力量、電子、土木工程、造船、生物、工具工具、海事能源、原子能、，鐵路、公路科學(xué)、土木工程、造船、醫(yī)學(xué)、分工、地震、水利、，等。然而,作為通用軟件不免在某些專業(yè)領(lǐng)域中有所欠缺,如該軟件還不具備直接求解橋梁問題的能力。這些不足和欠缺勢必會阻礙該軟件的推廣和使用,因此,實現(xiàn)該軟件在橋梁工程中的二次開發(fā)與應(yīng)用是十分迫切的。長期以來,對橋梁問題的求解一般是通過開發(fā)相應(yīng)的有限元分析程序來完成的。而開發(fā)橋梁有限元分析程序不僅需要投入大量的人力、物力,而且開發(fā)周期長,程序代碼的重用率低、不易維護(hù),這些已不能滿足橋梁工程技術(shù)快速發(fā)展的要求。如何使人們從繁瑣、單調(diào)的常規(guī)有限元編程中解脫出來,如何縮短橋梁分析程序的開發(fā)周期,已成為橋梁工程界面臨的主要問題。針對上述問題,本文提出采用ANSYS提供的二次開發(fā)技術(shù)進(jìn)行橋梁問題求解,并將其成功地應(yīng)用到確定斜拉橋成橋恒載索力中,為今后ANSYS在橋梁工程中的廣泛應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ),同時也為今后研制和開發(fā)大型橋梁分析軟件提供了一條新的途徑。1亞德斯圖勒學(xué)院的第二次開發(fā)技術(shù)1.1uidl的程序ANSYS為用戶進(jìn)行程序界面設(shè)計提供了一種專用語言即UIDL(UserInterfaceDesignLanguage)。UIDL是一種程序化的語言,它允許用戶改變ANSYS的圖形用戶界面(GUI)中的一些組項。UIDL提供了一種允許用戶靈活使用、按個人喜好來組織設(shè)計ANSYS圖形用戶界面的強有力工具,它在ANSYS的命令重組、架設(shè)其他用戶程序與ANSYS之間的橋梁方面起到不可低估的作用。1.2apdl的程序功能ANSYS程序設(shè)計中,命令后往往帶有參數(shù),當(dāng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)改變時,命令后參數(shù)也會有所改變,這時就需要用戶重新輸入命令。對于簡易結(jié)構(gòu)可直接更改命令,但是對于大型或復(fù)雜結(jié)構(gòu),要完全正確地更改并不容易。故ANSYS提供參數(shù)設(shè)計語言APDL(ANSYSParametricDesignLanguage),以更方便的方式進(jìn)行程序編輯。ANSYS參數(shù)化設(shè)計語言APDL是一種解釋性語言,可以用來自動完成一些通用性強的任務(wù),也可以根據(jù)參數(shù)建立模型。此外,APDL還包括其它許多特性,如重復(fù)某條命令、宏、條件語句、Do循環(huán)以及標(biāo)量、矢量和矩陣運算等。其中特別值得一提的就是用APDL作為命令式語言創(chuàng)建宏給用戶帶來了極大的方便。用戶可以將經(jīng)常使用的一些ANSYS命令組成一個宏。當(dāng)用戶執(zhí)行該宏時,就相當(dāng)于執(zhí)行了那些ANSYS命令。宏中除了可以填寫ANSYS命令外,還可以調(diào)用GUI函數(shù),給變量賦值以及調(diào)用另一個宏。因此,宏的靈活運用會給用戶在處理復(fù)雜問題時提供極大的方便。1.3anasas的開放體系A(chǔ)NSYS提供給用戶另一種二次開發(fā)技術(shù)——UPFs(UserProgrammableFeatures),該項技術(shù)充分顯示了ANSYS的開放體系。用戶不僅可以采用它將ANSYS程序剪裁成符合自己所需的任何組織形式,如可以定義一種新的材料,一個新的單元或者給出一種新的屈服準(zhǔn)則,而且還可以編寫自己的優(yōu)化算法,通過將整個ANSYS作為一個子程序調(diào)用的方式實現(xiàn)。實際上,ANSYS中的一些用戶使用的標(biāo)準(zhǔn)特性就來源于該項技術(shù)。此外,ANSYS還在其程序中提供了大量子程序的源代碼,用戶可以根據(jù)自身實際情況選用調(diào)整。2基于apdl傾斜橋的初始定標(biāo)力2.1初始恒載索力法目前國內(nèi)外斜拉橋確定恒載索力的方法大致有:簡支梁體系法、剛性索法、剛性支撐連續(xù)梁法、指定應(yīng)力法以及優(yōu)化方法(包括力學(xué)觀點上的優(yōu)化和經(jīng)濟觀點上的優(yōu)化)等等。本文采用帶有形狀迭代的零位移法。該方法就是在不斷調(diào)整斜拉索索力的同時,反復(fù)修正斜拉橋的構(gòu)形,使其最終滿足設(shè)計要求。這時得到的斜拉索索力即為初始恒載索力,該方法還能包含斜拉橋諸如大位移、梁柱效應(yīng)等非線性因素的影響。具體步驟如下:(1)輸入橋梁結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)。(2)輸入恒載信息并首先假定所有的斜拉索索力為零。(3)采用Newton?Raphson方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的平衡迭代(包含結(jié)構(gòu)大位移、梁柱效應(yīng)以及斜拉索垂度效應(yīng)的影響),求出結(jié)構(gòu)變形以及單元內(nèi)力。(4)進(jìn)行形狀迭代(a)檢查控制點的豎向位移主跨跨徑控制點的豎向位移主跨跨徑是否小于允許值。(b)如果是小于允許值,則打印計算結(jié)果,否則,將此時計算出的斜拉索拉力作為成橋索力,重復(fù)步驟(3)、(4)進(jìn)行計算,直至條件(a)滿足為止。2.2結(jié)構(gòu)的有限元分析ANSYS為用戶提供了多種二次開發(fā)技術(shù),用戶可以根據(jù)自己的需要,選擇相應(yīng)的二次開發(fā)技術(shù)。這里我們主要采用它提供的參數(shù)化設(shè)計語言APDL,將前面介紹的斜拉橋初始恒載索力的確定方法引入到ANSYS軟件中,使其具備了斜拉橋初始恒載索力的計算功能。由于ANSYS未直接提供輸入初始索力(或者成橋軸力)的方法,因此,調(diào)整斜拉橋初始索力的過程必須通過改變結(jié)構(gòu)的初始應(yīng)變完成。斜拉橋初始應(yīng)變采用胡克定律計算。具體確定過程如下。(1)編寫包含橋梁結(jié)構(gòu)基本信息的數(shù)據(jù)文件。結(jié)構(gòu)基本信息主要指節(jié)點信息、單元信息、材料信息、實常數(shù)信息(該實常數(shù)除了包含結(jié)構(gòu)一般幾何特性外,還須包含結(jié)構(gòu)的成橋應(yīng)變,在開始計算前可對結(jié)構(gòu)中的每一個成橋應(yīng)變賦初值零)、約束信息以及荷載信息。然后采用下面ANSYS命令輸入該數(shù)據(jù)文件(假定數(shù)據(jù)文件名是Cab?sty.dat):/INPUT,Cab?sty,dat(2)采用下面ANSYS命令從輸入的數(shù)據(jù)文件中提取單元總數(shù),并定義相應(yīng)數(shù)組(如成橋應(yīng)變數(shù)組、單元軸力數(shù)組、單元類型數(shù)組):*GET,EMAX,ELEM,0,COUNT!單元總數(shù)*DIM,ISTRIN,,EMAX,1!成橋應(yīng)變數(shù)組*DIM,FXX,,EMAX,1!單元軸力數(shù)組*DIM,ETYPE,,EMAX,1!單元類型數(shù)組(3)采用下面ANSYS命令設(shè)置分析類型,求解結(jié)構(gòu)變形及單元內(nèi)力:ANTYPE,0!指示程序進(jìn)行靜力分析SOLCONTROL,ON!指示程序進(jìn)行優(yōu)化非線性分析NLGEOM,ON!指示程序進(jìn)行幾何非線性分析SOLVE!指示程序進(jìn)行求解(4)進(jìn)行形狀迭代(a)采用ANSYS命令(*GET)從計算結(jié)果中提取控制點豎向位移,檢查控制點的豎向位移主跨跨徑控制點的豎向位移主跨跨徑是否小于允許值。(b)如果是小于允許值,則采用ANSYS命令(*CFOPEN和*VWRITE)輸出計算結(jié)果,否則,將此時計算出的斜拉索拉力作為成橋索力,重新計算結(jié)構(gòu)的成橋應(yīng)變,采用ANSYS命令(RMODIF)修改實常數(shù),重復(fù)步驟(3)、(4)進(jìn)行計算,直至條件(a)滿足為止。3基于anasis的斜拉橋成橋恒載索力按照上面所述的方法,作者采用APDL語言成功地使ANSYS具備了斜拉橋成橋恒載索力的計算功能。并進(jìn)一步采用UIDL語言實現(xiàn)了GUI用戶化,即將斜拉橋成橋恒載索力計算體現(xiàn)到ANSYS的圖形界面中去,使用戶操作和使用時更方便、更靈活。圖1為計算斜拉橋成橋恒載索力的彈出式菜單。圖2為輸入結(jié)構(gòu)分析參數(shù)對話框。運用本文二次開發(fā)工作的成果,對文獻(xiàn)中的一座對稱輻射型斜