ANSYS二次開發及在斜拉橋成橋恒載索力中檢算

王章彪

ANSYS是世界上著名的大型有限元分析軟件,包括熱、流體、電磁和結構等諸多模塊,具有完備、后處理功能,強大的求解器以及多種方便的二次開發技術,被廣泛用于核工業、鐵道、石油、航空航天、機械制造、能源、汽車交通、國防、電子、土木工程等一般工業及科學研究中。然而,通用軟件不免在某些專業領域中有所欠缺,如該軟件還不具備直接求解橋梁問題的能力。這些不足勢必會阻礙該軟件的推廣和使用。因此,實現其在橋梁工程中的二次開發與應用是十分迫切的。針對上述問題,本文提出采用ANSYS提供的二次開發技術進行橋梁問題求解,并將其成功地應用到確定斜拉橋成橋恒載索力檢算中,本文利用ANSYS二次開發技術開發斜拉橋成橋狀態恒載索力檢算程序,并為以后其他斜拉橋的分析計算提供了方便,為以后類似問題的ANSYS開發提供一些思路。

1 ANSYS的二次開發技術

1.1 用戶程序界面設計技術

ANSYS為用戶進行程序界面設計提供了一種專言即UIDL(User Interface Design Language)。UIDL中程序化的語言,它允許用戶改變ANSYS的圖戶界面(GUI)中的一些組項。UIDL提供了一種用戶靈活使用、按個人喜好來組織設計ANSYS用戶界面的強有力工具,它在ANSYS的命令中架設其他用戶程序與ANSYS之間的橋梁方面起到不可低估的作用。

1.2 參數化程序設計技術

ANSYS程序設計中,命令后往往帶有參數,當狀態改變時,命令后參數也會有所改變,這時就需用戶重新輸入命令。對于簡易結構可直接更改命令,但是對于大型或復雜結構,要完全正確地更改并不容易。故ANSYS提供參數設計語言APDL(ANSYS-metric Design Language),以更方便的方式進行程輯。ANSYS參數化設計語言APDL有一種解釋性,可以用來自動完成一些通用性強的任務,也可據參數建立模型。此外,APDL還包括其他許多,如重復某條命令、宏、條件語句、Do循環以量、矢量和矩陣運算等。其中特別值得一提的就是APDL作為命令式語言創建宏給用戶帶來了極大便利。用戶可以將經常使用的一些ANSYS命令組個宏。當用戶執行該宏時,就相當于執行了那些YS命令。宏中除了可以填寫ANSYS命令外,還調用GUI函數,給變量賦值以及調用另一個宏。宏的靈活運用會給用戶在處理復雜問題時提供方便。

1.3 開放式的用戶編程技術

ANSYS提供給用戶另一種二次開發技術——UPFS(User Pro-grammable Features),該項技術充分顯示了ANSYS的開放體系。用戶不僅可以采用它將ANSYS剪裁成符合自己所需的任何組織形式,如可以定一種新的材料,一個新的單元或者給出一種新的屈則,而且還可以編寫自己的優化算法,通過將ANSYS作為一個子程序調用的方式實現。實際上,ANSYS中的一些用戶使用的標準特性就來源于該項。此外,ANSYS還在其程序中提供了大量子程源代碼,用戶可以根據自身實際情況調用。

2 基于參數化程序設計語言的斜拉橋恒載索力的確定過程

ANSYS為用戶提供了多種二次開發技術,用戶可以根據自己的需要,選擇相應的二次開發技術。這里我們主要采用它提供的參數化設計語言APDL,將前面介紹的斜拉橋恒載索力的確定方法引入到ANSYS軟件中,使其具備了斜拉橋一期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,調整斜拉橋初始索力的過程必須通過改變斜拉索的初始應變完成。斜拉橋初始應變采用胡克定律計算,具體確定過程如下:

1)輸入橋梁結構基本信息的數據。

結構基本信息主要指節點信息、單元信息、材料信息、實常數信息(該實常數除了包含結構一般幾何特性外,還須包含結構的成橋應變,在開始計算前可對結構中的每一個成橋應變賦初值零)、約束信息以及荷載信息。然后采用下面ANSYS命令輸入該數據。

2)采用下面ANSYS命令從輸入的數據中提取單元總數,并定義相應數組(如成橋應變數組、單元軸力數組、單元類型數組)。

*GET,EMAX,ELEM,0,COUNT!單元總數

*DIM,ISTRIN,,EMAX,1!成橋應變數組

*DIM,,FXX,,EMAX,1!單元軸力數組

*DIM,,ETYPE,,EMAX,1!單元類型數組

3)采用下面ANSYS命令設置分析類型,求解結形及單元內力。

TYPE,0!指示程序進行靜力分析

SOLCONTROL,ON!指示程序進行優化非線性分析

NLGEOM,ON!指示程序進行幾何非線性分析

SOLVE!指示程序進行求解

4)進行結構位移迭代。

a.采用ANSYS命令(*GET)從計算結果中提控制點豎向位移,檢查控制點的豎向位移主跨跨徑是否為允許值。

b.如果是小于允許值,則采用ANSYS命令(*PEN和*VWRITE)輸出計算結果,否則,將此算出的斜拉索拉力作為成橋索力,重新計算結構橋應變,采用ANSYS命令(RMODIF)修改實常數重復步驟3),4)進行計算,直至條件滿足a為止。

3 斜拉橋成橋狀態恒載索力檢算的方法

一般我們得到恒載狀態的索力后,難以與活載或徐變等因素一起考慮,這樣我們可以分開考慮。對于成橋狀態恒載的索力檢算方法,本文提出一種簡單的方法。斜拉橋在剛成橋狀態下(不考慮斜拉橋的收縮徐變),考慮施工過程與否,對于斜拉索的索力基本上沒什么變化,在跨度不是很大的情況下(主跨不超過600 m)可以這樣認為,而斜拉索提供的只是一對力,在這個階段我們就可以不用再把索單元建上去,而直接把索力按一對大小相等、方向相反的力分別加在斜拉索在主橋的錨固點和在塔上的錨固點上,方向沿著斜拉索在塔梁錨固點的連線上,而對于小跨度橋梁(跨度不超過400 m),這樣計算得到的橋的位移,應力等計算結果已經能夠與考慮施工過程得到的索力非常接近,因而在小跨度斜拉梁中,得到目標索力可以不用再考慮施工過程進行反復的調索,而用基于矩陣位移法的上述方法。在檢算大跨度橋梁中(跨度不超過600 m),斜拉索的幾何非線性及材料的非線性對索力的影響不應忽視,這時斜拉索的索力方向在塔梁兩端的方向已不能用索錨固點間的連線來替代,實際上索力的方向已經不在同一直線上,這時就要考慮索垂度效應的影響。事實上索的垂度效應就是索的自重產生的,索的自重在塔梁兩端的影響相當于簡支梁,只是支座分別在塔梁兩端,索自重在塔梁兩端分別產生垂直索方向的剪力,而剪力在豎直方向會有分力,這部分分力自然會對斜拉橋的計算產生影響,因而在此把自重所產生的影響也考慮進去。這樣對于跨度大的斜拉橋一樣可以不建索單元就可以計算索力合理與否。帶索模型見圖1,加索力模型見圖2。

4 結語

利用ANSYS提供的二次開發技術進行斜拉橋成橋索力的檢算是完全可能的,在檢算成橋索力時可用的方法的確比較簡單。掌握和運用好這一項技術大大提高了工作效率,并為今后其他的斜拉橋的分析檢算提供了方便。

[1]葉梅新,韓衍群.ANSYS二次開發技術在確定斜拉橋初始恒載力中的應用[J].鐵道科學與工程學報,2005(10):12.

[2]ANSYS UIDL Programmer′s Guide.SAS IP,Inc,1998.

[3]ANSYS APDL Programmer′s Guide.SAS IP,Inc,1998.

[4]Guide to ANSYS User Programmable Features,SAS IP,Inc,1998.

[5]ANSYS二次開發技術及在確定斜拉橋成橋初始恒載索力中的應用[J].公路交通科技,2002(2):10.

[6]基于ANSYS軟件二次開發的鋼管混凝土拱橋吊裝施工控制及仿真分析[D].武漢:武漢理工大學,2004.