試驗(yàn)邊界條件的APDL二次開(kāi)發(fā)

楊智碩,陳明霞

(1.中南大學(xué)土木建筑學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙410075;2.莆田學(xué)院土木建筑學(xué)系,福建莆田351100)

隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,應(yīng)用有限元等數(shù)值計(jì)算方法,使結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析工作得到很大的提高,幾乎對(duì)所有的計(jì)算問(wèn)題均能求解。但是,運(yùn)用數(shù)值方法計(jì)算時(shí),必須在建立正確數(shù)學(xué)模型的前提下,才能得出精確結(jié)果。能否真實(shí)的反映試驗(yàn)構(gòu)件的邊界條件也是數(shù)值模擬成功與否的關(guān)鍵。如圖1所示,在做試驗(yàn)的時(shí),需要加載均布荷載或是需要放置加載梁,往往直接把加載梁放置試件的上面,或通過(guò)墊板把加載梁放在試件的上面。由于作用在試件上的加載梁剛度超過(guò)試件本身剛度或局部剛度情況下,如果在模擬仿真過(guò)程中,沒(méi)有考慮到加載梁的影響,直接把荷載直接加到試件上,顯然與實(shí)際的情況不符。計(jì)算出的結(jié)果肯定與實(shí)際的情況有偏差。針對(duì)這種情況,本文應(yīng)用ANSYS的APDL對(duì)加載梁進(jìn)行模擬仿真,對(duì)解決類似邊界問(wèn)題具有較好的通用性。

圖1 加載裝置照片

1 ANSYS的二次開(kāi)發(fā)技術(shù)[1-4]

ANSYS公司是由美國(guó)著名力學(xué)專家、美國(guó)匹茲堡大學(xué)力學(xué)系教授John Swanson博士于1970年創(chuàng)建發(fā)展起來(lái)的,總部位于美國(guó)賓西法尼亞州的匹茲堡,ANSYS軟件是該公司的主要產(chǎn)品。ANSYS軟件是集結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件,可廣泛地應(yīng)用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、汽車(chē)交通、國(guó)防軍工、電子、土木工程、生物醫(yī)學(xué)、輕工、水利、日用家電等一般工業(yè)及科學(xué)研究。

ANSYS不僅為用戶提供了通用的有限元分析的平臺(tái),而且還為用戶的特殊需求提供友好的二次開(kāi)發(fā)環(huán)境,使ANSYS的功能得以進(jìn)一步擴(kuò)展。ANSYS提供的二次開(kāi)發(fā)工具有3個(gè):即參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言APDL(ANSYS Parametric Design Language),用戶界面設(shè)計(jì)語(yǔ)言UIDL(User Interface Design Language)以及用戶可編程特性UPFs(User Programmable Features)。其中,前2個(gè)可歸類為標(biāo)準(zhǔn)使用特性,后一種為非標(biāo)準(zhǔn)使用特性。

參數(shù)化程序設(shè)計(jì)技術(shù)語(yǔ)言APDL(ANSYS Parametric Design Language)以更方便的方式進(jìn)行程序編輯,ANSYS參數(shù)化程序設(shè)計(jì)技術(shù)語(yǔ)言APDL是一種解釋性語(yǔ)言,可以用來(lái)自動(dòng)完成一些通用性很強(qiáng)的任務(wù),也可以根據(jù)參數(shù)建立與修改模型。此外,APDL還包括其他許多特性,如重復(fù)某條命令宏、條件語(yǔ)句、DO循環(huán)以及標(biāo)量、矢量和矩陣運(yùn)算等。其中特別值得一提的是用APDL作為命令式語(yǔ)言創(chuàng)建宏給用戶帶來(lái)了極大的方便。

2 利用APDL對(duì)加載梁模擬以及具體步驟[5-6]

有限元建模中,加載梁與試件之間接觸關(guān)系用彈簧或桿件單元來(lái)模擬(本文用COMBIN14單元)。由于計(jì)算結(jié)果中接觸單元會(huì)出現(xiàn)受拉的桿件,與事實(shí)有矛盾。所以在建模計(jì)算需要剔除接觸單元中受拉的單元。具體做法有兩種:①是在APDL中編寫(xiě)循環(huán)命令流。②把接觸單元的軸向應(yīng)力和單元號(hào)導(dǎo)出來(lái),人為剔除(edele)受拉的單元。本文采用第二種方法。具體APDL的命令流和計(jì)算流程如圖2。

圖2 編程流程

3 二次開(kāi)發(fā)的應(yīng)用算例

如圖3所標(biāo)示的尺寸,應(yīng)用APDL對(duì)其進(jìn)行模擬仿真。采用ANSYS11.0建模計(jì)算,模型的各構(gòu)件都用板殼元shell63單元模擬,模型采用的鋼材的彈性模量E=210 GPa,泊松比 μ=0.3。試件試驗(yàn)時(shí),試件兩端鉸支,蓋板中間垂直U肋方向放一根600 mm×200 mm×200 mm加載梁。加載到加載梁上的荷載為250 kN(面積為200 mm×200 mm)。

圖3 試件尺寸(單位:mm)

圖4 有限元模型

圖5 豎向位移

圖6 應(yīng)力云圖

圖4為有限元模型、圖5為豎向撓度圖、圖6為主拉應(yīng)力云圖。其中(a)是考慮加載梁影響,(b)是沒(méi)有考慮加載梁的影響。從上述幾個(gè)圖中可以得到:加載梁對(duì)試驗(yàn)的結(jié)果影響很大,如果沒(méi)有考慮加載梁的影響,有限元建模計(jì)算不能得到合理的答案的,從而影響有限元模型計(jì)算結(jié)果的可靠性和真實(shí)性。同時(shí)文獻(xiàn)[7]的類似的試驗(yàn)也證明了本文提出的有限元模型應(yīng)該考慮加載梁的影響以及所編寫(xiě)的APDL程序的正確性和實(shí)用性。

4 結(jié) 語(yǔ)

在試驗(yàn)中,往往出現(xiàn)加載梁的剛度大于或局部大于試件的剛度,為此,有限元建模應(yīng)該考慮加載梁對(duì)試件的影響。本文編寫(xiě)相關(guān)APDL的命令流,并通過(guò)兩個(gè)算例(有考慮加載梁和沒(méi)有考慮加載梁)的比較,發(fā)現(xiàn)加載梁確實(shí)對(duì)試件有明顯的影響。同時(shí),通過(guò)試驗(yàn)證明了本文提出的有限元模型時(shí)應(yīng)該考慮加載梁的影響,也證明了所編寫(xiě)的程序的正確性和實(shí)用性,對(duì)解決類似邊界問(wèn)題具有較好的通用性。

[1] 博弈創(chuàng)作室.APDL參數(shù)化有限元分析技術(shù)及其應(yīng)用實(shí)例[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2004.

[2] 尚曉江,邱峰,趙海峰.ANSYS結(jié)構(gòu)有限元高級(jí)分析方法與范例應(yīng)用[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2006.

[3] 龔曙光,黃云清.有限元分析與ANSYS APDL編程及高級(jí)應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[4] 葛俊穎.基于ANSYS的橋梁結(jié)構(gòu)分析[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2007.

[5] 劉明.土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)與檢測(cè)[M].北京:高等教育出版社,2008.

[6] 姚謙峰.土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2008.

[7] 張敏.南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋受力特性、計(jì)算方法、橋面疲勞和防腐問(wèn)題研究[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué),2010.