李 平，王家林，康竹良

(1.安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥230001;2.重慶交通大學(xué)，重慶400047;3.同濟(jì)大學(xué)，上海200092)

在鋼筋混凝土三維實(shí)體加筋模型中使用六面體、四面體和五面體單元?jiǎng)澐只炷?，用桿、梁單元模擬普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力筋。模型中通過節(jié)點(diǎn)耦合或非節(jié)點(diǎn)連接方法［1－3］實(shí)現(xiàn)鋼筋單元節(jié)點(diǎn)與混凝土單元節(jié)點(diǎn)耦合。在該模型計(jì)算結(jié)構(gòu)中，可以分別觀察混凝土與鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變。該方法可以較真實(shí)的模擬空間位置與實(shí)際受力分析。在通用有限元軟件ABAQUS的單元埋植與MIDAS FEA都能通過簡單的設(shè)置實(shí)現(xiàn)鋼筋節(jié)點(diǎn)與混凝土實(shí)體單元的快速耦合連接。由于土木工程中鋼筋的使用量非常大，所以鋼筋的模型非常龐大，同時(shí)預(yù)應(yīng)力鋼筋常常包含橫向和豎向的彎曲，給建模帶來了困難。若在 ABAQUS/CAE界面下逐個(gè)創(chuàng)建鋼筋的空間線型模型，將是一個(gè)繁重的工作，且極易因輸入失誤導(dǎo)致模型錯(cuò)誤。筆者通過 ABAQUS GUI二次開發(fā)功能［3－4］，創(chuàng)建一個(gè)具有鋼筋空間線型模型批量快速創(chuàng)建功能的插件，為實(shí)現(xiàn)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)三維加筋實(shí)體有限元分析提供幫助。

1 ABAQUS二次開發(fā)功能簡介

ABAQUS是最先進(jìn)的大型通用有限元分析軟件之一，具有良好的模擬性能，擁有大量不同類型的單元、材料模型;在ABAQUS中，材料庫和單元庫分離，材料和單元之間的組合能力很強(qiáng)，可以勝任復(fù)雜結(jié)構(gòu)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)分析，能夠駕馭非常龐大的問題和模擬材料與幾何高度非線性的影響。同時(shí)，ABAQUS提供了4種二次開發(fā)方式:①使用用戶子程序。用戶子程序允許用戶改變ABAQUS/Standard和 ABAQUS/Explicit的計(jì)算過程;②修改環(huán)境文件。通過改變環(huán)境文件中關(guān)于ABAQUS的各種默認(rèn)設(shè)置來改變ABAQUS/CAE的計(jì)算分析過程和相關(guān)文件操作;③運(yùn)行自定義內(nèi)核腳本。內(nèi)核腳本允許用戶通過創(chuàng)建新的功能模塊對前后處理進(jìn)行操作;④創(chuàng)建新圖形用戶界面(GUI)［4］。4種二次開發(fā)方式為用戶改善和擴(kuò)展，ABAQUS的前后處理、單元模型、材料模型［5－8］等提供了可能。

2 功能設(shè)計(jì)及制作過程

鋼筋快速建模插件是通過鋼筋關(guān)鍵點(diǎn)三維坐標(biāo)建立空間折線實(shí)現(xiàn)模擬。折線沒有樣條曲線圓滑，但排除了由于樣條曲線彎曲使得曲線伸出混凝土外部，致使鋼筋和混凝土之間無法實(shí)現(xiàn)耦合。插件人機(jī)交互界面對話框如圖1。

圖1 插件示意Fig.1 Figure of the plug-ins

插件對話框中包含了以下幾個(gè)重要控件:

1)Partname部件名編輯框。程序會(huì)依據(jù)輸入在模型創(chuàng)建部件和組裝實(shí)例。

2)File name鋼筋數(shù)據(jù)文件打開按鈕及數(shù)據(jù)導(dǎo)入按鈕Input。插件支持從文本文件中讀取鋼筋關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)。通過Input按鈕可以將文件中數(shù)據(jù)導(dǎo)入對話框表格中。

3)鋼筋關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)輸入表。表中每一單元格代表一個(gè)點(diǎn)x，y，z三個(gè)坐標(biāo)，每一行代表一根鋼筋。鋼筋可以是2～60個(gè)不限。輸入后的數(shù)據(jù)可以保存為文本文件，以備再次使用和修改。鋼筋關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)也可以從文本文件中打開讀入或從EXCEL文件中拷貝黏貼。

插件保證了同一工程數(shù)據(jù)的多次重復(fù)使用。避免多次輸入帶來的重復(fù)性工作和數(shù)據(jù)輸入帶來的錯(cuò)誤。以表格形式的鋼筋批量生成工具不僅可以略去大量的鼠標(biāo)操作，而且可以快速的檢查輸入錯(cuò)誤。降低了模型錯(cuò)誤幾率和提高了工作效率。

2.1 插件程序解析

鋼筋建模插件創(chuàng)建流程與箱梁插件相同，且模型創(chuàng)建功能模塊比較簡單。插件由對話框程序 steelDB.py、框架與注冊命令 steel_plugins.py和建模 steel_function.py三個(gè) Python程序文件構(gòu)成。

對話框?yàn)槌绦虻慕换ソ缑妫绦驅(qū)⑤斎霐?shù)據(jù)傳遞至框架及注冊命令文件steel_plugins.py中的變量，并將這些數(shù)據(jù)傳遞至主函數(shù)文件中相關(guān)變量。主程序文件steel_function.py在得到數(shù)據(jù)后整理并完成模型創(chuàng)建。數(shù)據(jù)流程如圖2。

圖2 插件程序數(shù)據(jù)傳遞Fig.2 Data transmission of the plug-ins

2.2 鋼筋模型創(chuàng)建主函數(shù)文件

鋼筋模型創(chuàng)建主函數(shù)(steel_function.py)首先對得到對話框傳入的數(shù)據(jù)進(jìn)行甄別和預(yù)處理，然后根據(jù)得到的部件名創(chuàng)建部件，再依據(jù)每行數(shù)據(jù)逐一創(chuàng)建鋼筋并組裝實(shí)例。

2.3 對話框程序函數(shù)

鋼筋插件對話框類在由AFXDataDialog派生得到，在其基礎(chǔ)上加入文本編輯框、文件打開編輯框、導(dǎo)入數(shù)據(jù)按鈕、數(shù)據(jù)輸入表格、演示圖片控件。以下對程序主要語句作以簡單說明。

#程序文件頂部首先導(dǎo)入必要的模塊及變量。

2.4 注冊函數(shù)文件Steel_plugin.py

該文件的功能是完成插件的注冊。文件中首先通過繼承AFXForm定義一個(gè)新的應(yīng)用程序框架類。初構(gòu)函數(shù)主要完成數(shù)據(jù)接收與傳遞等工作，以及命令函數(shù)處理。

通過以上代碼將插件注冊為ABAQUS主界面Plug－ins菜單中的Box_grider bridge子菜單的Modeling命令。效果如圖3。

圖3 菜單注冊效果Fig.3 Registration Effect of Menu

工具條注冊需要一個(gè)圖標(biāo)，從Concrete_icon.py文件中導(dǎo)入圖標(biāo)concrete_tool，命名為icon。

用registerGuiToolButton函數(shù)將插件注冊為Plug－ins菜單下Toolboxes下的Bridges工具條。注冊效果如圖4。點(diǎn)擊Bridges就可彈出Bridge工具條。其中圖標(biāo)S為本次定義的按鈕。

圖4 工具條注冊Fig.4 Registration effect of toolbar

3 插件使用實(shí)例

圖中顯示為變截面箱梁橋頂板與腹板中的預(yù)應(yīng)力鋼筋，該部件有24根鋼筋，每根鋼筋4個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。輸入完畢后點(diǎn)擊確定鍵程序自動(dòng)完成模型創(chuàng)建。

圖5 實(shí)例模型Fig.5 Model of the steel

4 結(jié)論

筆者基于ABAQUS二次開發(fā)功能創(chuàng)建了鋼筋空間線型快速建模插件。與文獻(xiàn)［1］相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了箱型橋梁三維實(shí)體加筋有限元模型的快速創(chuàng)建。為其有限元分析提供幫助。

［1］王家林.非節(jié)點(diǎn)連接有限元理論及其軟件實(shí)現(xiàn)［D］.重慶:重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，2008.

［2］李平，王家林.預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土構(gòu)件有限元模擬方法對比［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，29(1):27 －30.Li Ping，Wang Jialin.Comparison of FEM simulation methods of prestressed reinforced concrete members［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University，2010，29(1):27－30.

［3］王家林，李平.ABAQUS箱型橋梁的GUI二次開發(fā)［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2009，28(6):1000 －1005.Wang Jialin，Li Ping.Secondary development for box girder bridge of ABAQUS ［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science，2009，28(6):1000 －1005.

［4］李平.橋梁精細(xì)有限元計(jì)算［D］.重慶:重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，2009.

［5］鮑榮浩，盧文浩.ABAQUS前處理程序二次開發(fā)在蜂窩材料中的應(yīng)用［J］.工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2003，10(6):330 －333.Bao Ronghao， Lu Wenhao. Application ofsecond-developed ABAQUS/Pre on honeycomb［J］.Journal of Engineering Design，2003，10(6):330－333.

［6］鐘同圣，衛(wèi)豐，王鷙，等.Python語言和ABAQUS前處理二次開發(fā)［J］.鄭州大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2006，38(1):60 －62.Zhong Tongsheng，Wei Feng，Wang Zhi，et al.Second development for fore treatment of ABAQUS using Python language［J］.Journal of Zhengzhou University:Natural Science，2006，38(1):60－62.

［7］王田修，甘忠，張志國，等.ABAQUS前處理二次開發(fā)在機(jī)構(gòu)模擬中的應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2008，25(7):54 －57.Wang Tianxiu，Gan Zhong，Zhang Zhiguo，et al.Application of second development for fore treatment of ABAQUS in the simulation of the machine［J］.Computer Simulation，2008，25(7):54 －57.

［8］劉朋科.高壓輸電線路數(shù)值模擬中參數(shù)化有限元法［D］.重慶:重慶大學(xué)，2007.