基于APDL 的ANSYS 梁單元劃分插件開發(fā)

張發(fā)榮

（中國鐵建高新裝備股份有限公司，云南 昆明 650215）

0 引言

APDL 是ANSYS Parametric Design Language 的縮寫，即ANSYS 參數(shù)化設(shè)計語言。 在參數(shù)化的分析過程中，APDL 可以簡單地修改其中的參數(shù)達(dá)到反復(fù)分析各種尺寸、不同載荷大小的多種設(shè)計方案或者序列性產(chǎn)品，極大地提高分析效率，減少分析成本。

在鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械（以下簡稱“大機(jī)”）的車體結(jié)構(gòu)設(shè)計中， 利用APDL 對車體進(jìn)行參數(shù)化建模，修改起來非常方便，省去了反反復(fù)復(fù)的模型錢，有效地縮短了靜強(qiáng)度計算時間，提高了設(shè)計效率。

1 AP DL 劃分梁單元面臨的問題

APDL 也不是盡善盡美的， 在用APDL 進(jìn)行大機(jī)車體的靜強(qiáng)度分析時，為保證計算規(guī)模和計算精度之間的平衡，筆者一般會選用殼單元shell181 與梁單元beam188 結(jié)合的方式進(jìn)行， 力求在最小的計算規(guī)模下，最大限度地還原車體的三維結(jié)構(gòu)，以保證計算的準(zhǔn)確性。

就筆者常用的beam188 單元來說，其單元幾何如圖1 所示。 該單元由整體坐標(biāo)系中節(jié)點I、J、K 定義，單元x 軸的方向由I 節(jié)點指向J 節(jié)點。 用戶可通過定義節(jié)點K 控制單元的方向，此時單元x 軸和x 軸位于由I、J、K 三點確定的平面之內(nèi)。

圖1 beam188 的單元幾何

通過APDL 劃分梁單元時，最麻煩的是定義方向節(jié)點K。

要對一組同一截面號、同一單元號和材料號的線段進(jìn)行劃分梁單元時，只有這組線段共線（此處為狹義的共線，表示在同一直線上，下同）且方向相同，才能批量劃分；否則，就得為它們分別指定方向節(jié)點。 如不這樣操作，生成的梁單元的截面和偏置方向就會發(fā)生旋轉(zhuǎn)或反向，無法滿足預(yù)期。 就算是方向相反的共線線段，也不行。

大機(jī)的車體模型本就復(fù)雜，加之建模過程中的布爾操作， 讓原本就幾百上千根要劃分梁單元的線段在數(shù)量至少又上升一個量級。 如果手動為每條線指定方向節(jié)點，不但操作起來極其煩瑣，而且大量的重復(fù)代碼，寫起來費(fèi)時費(fèi)力，執(zhí)行起來也效率低下，實在不可取。

幾經(jīng)思考， 筆者開發(fā)了批量劃分梁單元的插件Beamit， 一勞永逸地解決了用APDL 劃分梁單元的難題。 為了進(jìn)一步提高效率，筆者又開發(fā)了批量調(diào)整線的方向的插件Frontit，與beamit 配合使用，實現(xiàn)效率翻番。

2 插件的實現(xiàn)邏輯及部分代碼

Frontit 的實現(xiàn)邏輯如圖2 所示。 該插件有一個參數(shù)，用于指定要調(diào)整的方向，其有效值為1，2，3，分別表示調(diào)整所選線的方向為X，Y，Z 軸的正向。

圖2 調(diào)整線的方向的實現(xiàn)邏輯

Beamit 的實現(xiàn)邏輯如圖3 所示。 Beamit 帶三個參數(shù)，依次表示：梁單元參考方向，材料號，單元號。

圖3 劃分梁單元的實現(xiàn)邏輯

（1）1 號參數(shù)為必填參數(shù)，其有效值為±1，±2，±3，分別對應(yīng)X，Y，Z 軸的正負(fù)向。

（2）2、3 號參數(shù)為選填參數(shù)， 預(yù)置默認(rèn)值均為2。未輸入時自動調(diào)用默認(rèn)值。 當(dāng)梁單元的材料號和單元號不為2 時，必須輸入。

下面列出Beamit 中部分功能的代碼實現(xiàn)。

a）獲取線的數(shù)量和最小線號的代碼如下：

*get，ar21，line，，COUNT

*get，ar22，line，，num，MIN

b）為最小線號定義方向節(jié)點及劃分網(wǎng)格的代碼如下所示：

*get，ar23，LINE，ar22，kp，1

*get，ar24，kp，，num，MAXD

k，ar24+1，kx（ar23）+ar31，ky（ar23）+ar32，kz（ar23）+ar33

latt，ar25，，ar26，，，ar24+1

lmesh，ar22

兩個插件都加入了報錯提示功能。

a）選擇集中沒有線段時，會提示：“HAS NO LINE SELECTED”；

b）方向參數(shù)非法時，會提示：“Wrong direction”。

其效果如圖4 所示。 報錯功能的加入，不但增強(qiáng)了互動性，而且降低了命令流運(yùn)行出錯時排查錯誤的成本，極大地增加了兩個插件的實用性。

圖4 插件報錯提示

3 插件使用示例

圖5 為使用兩個插件進(jìn)行梁單元劃分的某大機(jī)車體骨架有限元模型。

圖5 某大機(jī)車體骨架梁單元模型

除了批量劃分梁單元外，Beamit 還能通過簡單的循環(huán)，快速實現(xiàn)一些規(guī)律梁單元的劃分。

Fini$/CLEAR$/PREP7

k，，60$k，，60，，150$l，1，2

/PSYMB，LDIR，1$LPLOT

et，1，188 $keyopt，1，3，2 $mp，ex，1，2.06e5 $mp，prxy，1，0.3

CSYS，1$a=18$LGEN，a，ALL，，，，360/a$CSYS，4

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

! WPROTA，45

! WPROTA，90

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

sectype，1，BEAM，HREC$SECDATA，6，4，0.5，0.5，0.5，0.5$SECOFFSET，CENT

SECNUM，1$lsel，ALL$LESIZE，all，2

*DO，i，1，a$lsel，s，，，i$beamit，1，1，1$WPROTA，360/a$*ENDDO

/eshap，1$EPLOT

直接運(yùn)行和去掉兩句注釋中的一句，分別可以得到圖6 中的三種效果。

圖6 示例

4 結(jié)語

APDL 是一種高效率、低成本的參數(shù)化建模方式，但是對于梁單元的劃分較為煩瑣、低效。 經(jīng)筆者開發(fā)的兩個插件Beamit 和Frontit，不但可以高效、快速地完成梁單元的批量劃分，而且可以簡單、快速地實現(xiàn)一些規(guī)律梁單元的劃分， 從而一勞永逸地解決了APDL 梁單元劃分的難題，實現(xiàn)效率翻番。