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(jié)構(gòu)等諸多模塊,具有完備、后處理功能,強(qiáng)大的求解器以及多種方便的二次開發(fā)技術(shù),被廣泛用于核工業(yè)、鐵道、石油、航空航天、機(jī)械制造、能源、汽車交通、國防、電子、土木工程等一般工業(yè)及科學(xué)研究中。然而,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。這些不足勢必會(huì)阻礙該軟件的推廣和使用。因此,實(shí)現(xiàn)其在橋梁工程中的二次開發(fā)與應(yīng)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(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檢算中,本文利用ANSYS二次開發(fā)技術(shù)開發(fā)斜拉橋成橋狀態(tài)恒載索力檢算程序,并為以后其他斜拉橋的分析計(jì)算提供了方便,為以后類似問題的ANSYS開發(fā)提供一些思路。

1 ANSYS的二次開發(fā)技術(shù)

1.1 用戶程序界面設(shè)計(jì)技術(shù)

ANSYS為用戶進(jìn)行程序界面設(shè)計(jì)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(xiàng)。UIDL提供了一種用戶靈活使用、按個(gè)人喜好來組織設(shè)計(jì)ANSYS用戶界面的強(qiáng)有力工具,它在ANSYS的命令中架設(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。

1.2 參數(shù)化程序設(shè)計(jì)技術(shù)

ANSYS程序設(shè)計(jì)中,命令后往往帶有參數(shù),當(dāng)狀態(tài)改變時(shí),命令后參數(shù)也會(huì)有所改變,這時(shí)就需用戶重新輸入命令。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(jì)語言APDL(ANSYS-metric Design Language),以更方便的方式進(jìn)行程輯。ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語言APDL有一種解釋性,可以用來自動(dòng)完成一些通用性強(qiáng)的任務(wù),也可據(jù)參數(shù)建立模型。此外,APDL還包括其他許多,如重復(fù)某條命令、宏、條件語句、Do循環(huán)以量、矢量和矩陣運(yùn)算等。其中特別值得一提的就是APDL作為命令式語言創(chuàng)建宏給用戶帶來了極大便利。用戶可以將經(jīng)常使用的一些ANSYS命令組個(gè)宏。當(dāng)用戶執(zhí)行該宏時(shí),就相當(dāng)于執(zhí)行了那些YS命令。宏中除了可以填寫ANSYS命令外,還調(diào)用GUI函數(shù),給變量賦值以及調(diào)用另一個(gè)宏。宏的靈活運(yùn)用會(huì)給用戶在處理復(fù)雜問題時(shí)提供方便。

1.3 開放式的用戶編程技術(shù)

ANSYS提供給用戶另一種二次開發(fā)技術(shù)——UPFS(User Pro-grammable Features),該項(xiàng)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(gè)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(yōu)化算法,通過將ANSYS作為一個(gè)子程序調(diào)用的方式實(shí)現(xiàn)。實(shí)際上,ANSYS中的一些用戶使用的標(biāo)準(zhǔn)特性就來源于該項(xiàng)。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(jù)自身實(shí)際情況調(diào)用。

2 基于參數(shù)化程序設(shè)計(jì)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(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(jì)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(jì)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斜拉索的初始應(yīng)變完成。斜拉橋初始應(yīng)變采用胡克定律計(jì)算,具體確定過程如下:

1)輸入橋梁結(jié)構(gòu)基本信息的數(shù)據(jù)。

結(jié)構(gòu)基本信息主要指節(jié)點(diǎn)信息、單元信息、材料信息、實(shí)常數(shù)信息(該實(shí)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(jì)算前可對結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)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)。

2)采用下面ANSYS命令從輸入的數(shù)據(jù)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)形及單元內(nèi)力。

TYPE,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)行結(jié)構(gòu)位移迭代。

a.采用ANSYS命令(*GET)從計(jì)算結(jié)果中提控制點(diǎn)豎向位移,檢查控制點(diǎn)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(jì)算結(jié)果,否則,將此算出的斜拉索拉力作為成橋索力,重新計(jì)算結(jié)構(gòu)橋應(yīng)變,采用ANSYS命令(RMODIF)修改實(shí)常數(shù)重復(fù)步驟3),4)進(jìn)行計(jì)算,直至條件滿足a為止。

3 斜拉橋成橋狀態(tài)恒載索力檢算的方法

一般我們得到恒載狀態(tài)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(tài)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(tài)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(rèn)為,而斜拉索提供的只是一對力,在這個(gè)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(diǎn)和在塔上的錨固點(diǎn)上,方向沿著斜拉索在塔梁錨固點(diǎn)的連線上,而對于小跨度橋梁(跨度不超過400 m),這樣計(jì)算得到的橋的位移,應(yīng)力等計(jì)算結(jié)果已經(jīng)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(biāo)索力可以不用再考慮施工過程進(jìn)行反復(fù)的調(diào)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(yīng)忽視,這時(shí)斜拉索的索力方向在塔梁兩端的方向已不能用索錨固點(diǎn)間的連線來替代,實(shí)際上索力的方向已經(jīng)不在同一直線上,這時(shí)就要考慮索垂度效應(yīng)的影響。事實(shí)上索的垂度效應(yīng)就是索的自重產(chǎn)生的,索的自重在塔梁兩端的影響相當(dāng)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(chǎn)生垂直索方向的剪力,而剪力在豎直方向會(huì)有分力,這部分分力自然會(huì)對斜拉橋的計(jì)算產(chǎn)生影響,因而在此把自重所產(chǎn)生的影響也考慮進(jìn)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(jì)算索力合理與否。帶索模型見圖1,加索力模型見圖2。

4 結(jié)語

利用ANSYS提供的二次開發(fā)技術(shù)進(jìn)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(shí)可用的方法的確比較簡單。掌握和運(yùn)用好這一項(xiàng)技術(shù)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(fā)技術(shù)在確定斜拉橋初始恒載力中的應(yīng)用[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào),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(fā)技術(shù)及在確定斜拉橋成橋初始恒載索力中的應(yīng)用[J].公路交通科技,2002(2):10.

[6]基于ANSYS軟件二次開發(fā)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(xué),2004.