基于ANSYSCIVILFEM的图形界面和建模的开发

《土木工程####》结课小论文基于ANSYS/CIVILFEM的图形界面和建模的开发姓名：xxx学号：5xxxxxxx3签名：上海交通大学摘要：本文系统介绍了ANSYS/CIVILFEM中图形界面设计，并利用ANSYS/CIVILFEM进行了图形界面和建模的开发，并举出了桥梁建模的实例来说明这一完整过程的实现。关键词：图形界面;ANSYS/CIVILFEM;Tcl/Tk;UIDL;桥梁建模1引言当今世界最流行的有限元软件有ANSYS、ABAQUS、NASTRAN、MARC、ADINA等。ANSYS以功能强大，参数化程度高而成为首选。ANSYS自从在我国推广以来，就没有推出汉化版本，这就使得既懂有限元基本原理又具有较强英语能力的人可以正常学习和使用它。随着科学技术和生产力的提高，相信在不久的将来，桥梁抗震分析和局部细部分析将成为工程师所关心的问题，所以有限元软件的使用普及势在必行。ANSYS本身是一个有限元软件，它提供了更快捷和低成本的方式评价设计的概念和细节，然而它并不像桥梁通用软件那样把材料属性和现行规范等加入程序中，所以用ANSYS做桥梁设计还有一段距离。然而如果要分析高度几何非线性、材料非线性以及接触非线性的结构，桥梁通用软件就不适用了。为弥补ANSYS在土木工程分析中的不足，土木工程师们开发了CIVILFEM。ANSYS/CIVLFEM将ANSYS强大的分析能力和CIVILFEM提供的针对土木工程的350多项特殊功能结合了起来。ANSYS强大的分析功能众所周知，它是CIVILFEM的内核，二者无缝结合，这使得ANSYS/CIVILFEM处于其它各类土木专用软件无法比拟的高度。CIVILFEM虽然建模速度很快，但由于它未被汉化，所以要普及依然有很大难度，为此对其进行二次开发，以求有更多的土木工程师使用它。[1]2ANSYS/CIVILFEM软件的功能特点ANSYS/CIVILFEM软件不仅提供标准的有限元分析，而且包括强大的二次开发工具，在图形界面的开发方面，主要采用UIDL、TCL／TK、APDL语言来实现，通过编译相应的程序，用户就可以开发出满足实际需要的操作界面。2.1用户界面设计语言（UIDL）标准的ANSYS/CIVILFEM交互图形界面可以驱动ANSYS/CIVILFEM命令，并提供命令的各《土木工程####》结课小论文类输入参数接口和控制开关，用户在图形驱动级别上进行有限元分析，整个过程变得直观轻松。用户图形界面设计语言（UIDL）就是编写或改造ANSYS图形界面的专用设计语言。[2]通过用户界面设计语言（UIDL），用户可以在扩充ANSYS功能的同时建立起对应的图形驱动界面，如在主菜单的某位置增加菜单项，设计对应的对话框、拾取对话框，实现参数的输入和其它程序运行的控制，同时提供相应的联机帮助，使操作者能方便地获取系统帮助。3桥梁工程中的设计开发实例根据简支梁桥的特点，结合UIDL、Tcl/Tk和APDL语言，进行实际桥梁模型的建立。桥梁模型采用ANSYS单元库中的beam44梁单元，桥梁建模分七大模块为：①截面定义；②输入桥梁几何信息；③生成桥梁结构有限元模型；④定义预应力钢束荷载；⑤施加其它桥梁荷载；⑥对桥梁有限元模型求解；⑦进入后处理，以获得桥梁在不同荷载组合下的位移、应力、预应力损失等结果。下面对七大模块详细介绍。3.1桥梁截面按照ANSYS/CIVILFEM的建模顺序，用户在建立有限元模型之前必须要先定义桥梁截面，以供程序在后序计算中使用。为方便建立桥梁截面，程序开发出了桥梁截面对话框（图1），点击对话框中的截面关键点，就可以按照程序提示依次输入截面所需数据。为方便建模，本模块支持采用第三方软件导入截面，熟悉CAD的用户如果用VBA做二次开发，就可以将桥梁截面在CAD中的数据写入EXCEL，在VBA中稍加控制就可以自动输出桥梁截面的命令流，这种方法可使建模速度大大加快。图1桥梁截面对话框3.2桥梁模型桥梁模型的准确性是建立在忠于实际桥梁结构上的，为了能够真实的反映桥梁的状态，在输入数据时必须做到准确无误。对于桥梁长度和支座的输入是该模块的主要任务。关于桥《土木工程####》结课小论文梁长度用户可以随意修改，点击确定后程序会自动重新计算。3.3获取桥梁模型通过UIDL向ANSYS/CIVILFEM发送SBBMDEF命令，就可以将ANSYS桥梁模型转化成可以被CIVILFEM利用的有限元模型。模型运行在CIVILFEM环境中就可以弥补ANSYS无法真实模拟混凝土的收缩和徐变以及桥梁预应力钢束的损失等的不足。需要说明的是：在本模块之前，程序其实已经将桥梁的几何模型转化成了有限元模型，但由于转化了的有限元模型只是ANSYS环境下的模型，而我们需要的是CIVILFEM模型，所以用户在本模块必须进行桥梁模型的获取，否则无法得到CIVILFEM模型。3.4预应力钢束预应力混凝土结构是一种预加力和混凝土压力相互作用并取得平衡的自锚体系，因此可以把预应力钢束和混凝土视为相互独立的脱离体。现有的桥梁通用软件对于预应力效应的分析方法均采用等效荷载法，该方法把预应力对混凝土的作用以等效的分布荷载、集中荷载、和弯矩的形式代替，然后把这些等效荷载输入到程序中以得到预应力效应，但实际上，扣除预应力损失之后，预应力钢束沿程的应力是不等的，因此等效荷载法存在近似性。该模块通过对ANSYS/CIVILFEM的三维钢束编辑器的二次开发，实现了对预应力钢束的几何形状、材料强度、张拉控制应力、张拉类型、锚固力、张拉方法的定义。3.5桥梁荷载公路桥梁荷载主要指地震力和船只或漂浮物的撞击力，本模块并未考虑偶然荷载的作用。桥梁中的永久荷载和可变荷载可在本模块中按照提示一一输入（图2），这样就完成了对于桥梁荷载的施加。图2桥梁荷载对话框《土木工程####》结课小论文3.6桥梁求解建立有限元模型并施加荷载之后，ANSYS/CIVILFEM通过读取有限元模型及其上的荷载信息来建立方程组，然后使用指定的求解器对模型进行求解。程序默认求解器为波前直接求解器，适用于处理自由度在5万或50万以内的模型。如果模型很庞大，划分单元过多，那么自由度数量势必很大，波前求解法将无法对方程组求解，为此程序提供EQSLV命令来指定用于求解更大自由度数的求解器。3.7后处理后处理的主要任务是将桥梁分析系统的计算结果，按用户的要求以图形、表格等方式展现给用户，满足用户的查询、组合、排序、报表等要求，以便用户直观地了解桥梁结构的力学性能。按照规范规定荷载效应组合分能力极限状态和正常使用极限状态。正使用极限状态又可分为短期效应组合和长期应。除规范规定的效应组合外，本模块又加入了弹性阶段标准种状态下桥梁内力、位移等均可以通过图形和表格的形式显示出来，供用户作为判断桥梁结构可靠性的依据。程序可以很方便的得到沿桥梁截面方向各处的应力（图3）。单独预应力作用效应下，程序将以Web页的形式显示预应力钢束的各项损失(图4)，并在ANSYS/CIVILFEM的模型空间显示桥梁的反拱图形。图3桥梁截面应力图《土木工程####》结课小论文图4预应力损失图表4结语ANSYS/CIVILFEM有限元程序开发的主要思路分为图形界面和建模APDL程序的开发。图形界面开发中通过Tcl/Tk与UIDL的结合来实现主菜单，在UIDL中调用Tcl/Tk程序，从而完成对参数输入对话框的调用，参数输入完毕，执行相应的操作就可以调用嵌入在Tcl/Tk程序中的建模APDL程序。这种建模技术能够实现参数化建模，提高了工作效率。通过对ANSYS的二次开发调用CIVILFEM中的桥梁模块，从而达到了利用简单的中文界面就可以将桥梁模型运行在ANSYS/CIVILFEM的环境中。[5]参考文献[1]曾攀.有限元分析及应用.清华大学出版社，2004[2]刘美娟.基于ANSYS软件的图形界面设计二次开发利用.苏州市职业大学学报，2005[3]自动控制系统中的图形界面设计分析.CAD教育网，2010[4]ANSYSProgrammer’sManua1．ANSYSInc．2002[5]BrcntB.Welch．Tcl／Tk编程权威指南[M].北京：中国电力出版社，2002[6]毕继红.刘连民.ANSYS汉化及二次开发.微处理机，2008