王韜杰

(天津大學(xué)建筑工程學(xué)院　天津　300072)

變截面箱梁ANSYS前處理程序開發(fā)與應(yīng)用

王韜杰

(天津大學(xué)建筑工程學(xué)院天津300072)

摘要基于通用有限元分析平臺(tái)ANSYS，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件AutoCAD，以及Fortran程序，設(shè)計(jì)了將變截面箱梁幾何信息轉(zhuǎn)換為ANSYS前處理命令流，從而進(jìn)行快速網(wǎng)格剖分的程序。該程序具有生成高質(zhì)量六面體網(wǎng)格，以及根據(jù)用戶需要隨意調(diào)整網(wǎng)格密度的功能，在保證網(wǎng)格精度的前提下節(jié)約了有限元建模時(shí)間，提高了計(jì)算效率。運(yùn)用該程序?qū)δ炒笮瓦B續(xù)剛構(gòu)拱橋進(jìn)行了局部有限元分析。

關(guān)鍵詞程序設(shè)計(jì)有限單元法網(wǎng)格劃分

混凝土箱梁廣泛應(yīng)用于簡支梁、懸臂梁、連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)、斜拉橋等各種橋梁結(jié)構(gòu)中。當(dāng)有三向預(yù)應(yīng)力，以及偏心荷載作用下，箱梁結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，表現(xiàn)出明顯的空間效應(yīng)[1-2]，此時(shí)，一般的平面桿系程序已經(jīng)很難正確反應(yīng)橋梁的受力狀況，需采用實(shí)體單元進(jìn)行分析[3-4]。然而采用通用有限元軟件建模分析時(shí)，往往大部分時(shí)間都消耗在幾何建模，以及有限元網(wǎng)格的劃分上[5-6]，特別是對(duì)于變截面箱梁而言，截面高度及腹板厚度等在縱橋向都是變化的，建立幾何模型，以及劃分高質(zhì)量的網(wǎng)格的復(fù)雜程度較高。針對(duì)上述問題，基于業(yè)內(nèi)被廣泛接受的通用有限元分析平臺(tái)ANSYS，通過分析AutoCAD的文件儲(chǔ)存結(jié)構(gòu)，并借助Fortran程序，設(shè)計(jì)了將變截面箱梁幾何信息快速轉(zhuǎn)換為前處理命令流，從而進(jìn)行快速網(wǎng)格剖分的程序，最大程度地提高變截面箱梁的實(shí)體分析效率。

1CAD數(shù)據(jù)文件分析

AutoCAD是一款應(yīng)用最為廣泛的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，它提供了圖形輸入、編輯和輸出的一個(gè)完整的工作環(huán)境，國內(nèi)大部分的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制圖都是基于該平臺(tái)完成的。AutoCAD文件最終可儲(chǔ)存為DWG與DXF 2種常用格式。其中，DWG文件格式是以二進(jìn)制格式儲(chǔ)存的，如果想要直接讀取文件數(shù)據(jù)難度較大，除非借助于授權(quán)的兼容技術(shù)。而且由于版本的更新問題，使其中的信息存儲(chǔ)對(duì)于外界來講處于一種相對(duì)無序狀態(tài)，難以實(shí)現(xiàn)圖形數(shù)據(jù)的高效利用。而DXF文件是一種開放的矢量數(shù)據(jù)格式，由很多的“代碼”和“值”組成的“數(shù)據(jù)對(duì)”構(gòu)造而成的，結(jié)構(gòu)清晰，數(shù)據(jù)無失真，因此可以使用Fortran程序直接讀取相應(yīng)連續(xù)箱梁截面的DXF文件來儲(chǔ)存關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)[7]。

2基于Fortran的程序?qū)崿F(xiàn)

通過DXF文件幾何信息來生成模型的過程主要包括以下幾個(gè)步驟：橫截面定義，橫截面單元密度控制，縱橋向單元密度控制，橫隔板選擇，單元生成?？缮傻南淞侯愋桶ǎ旱冉孛嫦淞海兘孛嫦淞阂约暗冉孛?、變截面帶橫隔板箱梁。

2.1　橫截面定義以及橫截面單元密度控制

箱梁截面的外形基本上由頂板、底板、腹板以及梗腋這幾部分組成[8]，箱室可以是單箱單室的，也可以是單箱多室的。考慮到上述箱形截面組成的特點(diǎn)，綜合在有限元分析中六面體單元的形成方法，在AutoCAD中對(duì)箱形斷面進(jìn)行預(yù)處理，把截面分成如圖1所示的多個(gè)四邊形。通過與DXF文件數(shù)據(jù)的交互，讀入每個(gè)四邊形的特征點(diǎn)從而確定整個(gè)截面的形狀。

圖1　通過特征點(diǎn)定義截面尺寸

在進(jìn)行過截面與處理之后，定義每一個(gè)相互獨(dú)立、互不關(guān)聯(lián)四邊形邊線，稱之為特征邊，將其定義為豎向特征邊h1~h3及橫向特征邊b1~b13，如圖1所示。同時(shí)，需指定各特征邊的單元?jiǎng)澐址輸?shù)，即定義單元密度，類似在ANSYS前處理網(wǎng)格劃分中的指定線的劃分份數(shù)。這里需要說明的是，通常的箱型截面均可按照圖1的方式定義特征邊，得到的網(wǎng)格質(zhì)量與在ANSYS前處理中采用幾何實(shí)體切割與映射網(wǎng)格劃分的質(zhì)量基本一致，可最大程度地保證有限元計(jì)算精度。但也有部分截面由于其特殊的幾何尺寸，尤其是邊腹板傾角的差異，會(huì)導(dǎo)致部分網(wǎng)格偏斜度(skew)太大，嚴(yán)重影響Jacobian矩陣性質(zhì)從而使求解精度降低，此時(shí)可以通過細(xì)分特征邊個(gè)數(shù)來解決。例如由邊腹板傾角引起時(shí)，可將豎向特征邊h2細(xì)分為3份，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格形狀的過渡。

獲得了上述特征點(diǎn)的坐標(biāo)值以及特征邊的單元?jiǎng)澐址輸?shù)后，可以在每個(gè)四邊形內(nèi)進(jìn)行線性插值，得到四邊形內(nèi)的各節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)值，至此，關(guān)于箱形截面‘面單元’的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)已經(jīng)全部得到了。

2.2　縱橋向單元密度與橫隔板選擇

由于變截面箱梁在縱橋向梁高、頂?shù)装搴穸燃案拱搴穸榷际亲兓模伊旱浊€按二次拋物線變化，建模難度大。本程序采用分段以直代曲的處理方法，以分段澆筑中的箱梁節(jié)段為單位，將對(duì)應(yīng)節(jié)段的兩端斷面指定為控制斷面，于是，在獲得了前后2個(gè)控制斷面‘面單元’的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)之后，進(jìn)行“拉伸”、“放樣”操作，即由控制斷面的面單元坐標(biāo)點(diǎn)生成6面體單元的8個(gè)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。此時(shí)，節(jié)點(diǎn)縱坐標(biāo)的生成方法可分為有橫隔板與無橫隔板2種。

當(dāng)箱梁斷面不設(shè)橫隔板時(shí)，程序采取在2個(gè)控制斷面之間等距差值生成節(jié)點(diǎn)縱向坐標(biāo)的方法。這種處理方法不但程序?qū)崿F(xiàn)簡單，而且可以方便地控制縱橋向劃分份數(shù)，使得六面體單元3個(gè)方向的尺寸差距不至于太大而生成畸形的單元，從而保證了求解的精度。

當(dāng)箱梁帶有橫隔板時(shí)，由于橫隔板的存在，在節(jié)點(diǎn)縱坐標(biāo)生成時(shí)采取不同的插值方法。如圖2。

圖2　由控制斷面生成中間節(jié)點(diǎn)

假設(shè)在c，d點(diǎn)之間結(jié)構(gòu)有橫隔板存在，則在2個(gè)控制斷面間應(yīng)預(yù)先定出橫隔板距離兩端的尺寸，可采取輸入坐標(biāo)相對(duì)值或者絕對(duì)值的方法。實(shí)際上，由于在通常橋梁設(shè)計(jì)中，大多數(shù)的橫隔板分布都是等間距的，因此只需在主程序中引入橫隔板與第一控制斷面距離比的全局變量即可，這在一定程度上簡化了計(jì)算。橫隔板網(wǎng)格的劃分同樣按照上述特征邊的劃分原則進(jìn)行，在此不再贅述。

2.3　單元的生成

依照上述步驟，在執(zhí)行AutoCAD箱梁控制截面文件的預(yù)處理、幾何信息讀入以及縱橋向參數(shù)設(shè)定以后，程序?qū)⒆詣?dòng)算得所有節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)值。隨后，按有限單元法約定的順序，逆時(shí)針或順時(shí)針給節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，遵循ANSYS命令流的數(shù)據(jù)格式自動(dòng)生成命令行，最后運(yùn)行該命令即可生成結(jié)構(gòu)分析所需的三維實(shí)體單元。整個(gè)過程避免了幾何模型建立以及為追求高質(zhì)量六面體網(wǎng)格而進(jìn)行的實(shí)體剖分的繁瑣步驟，程序流程圖見圖3。

圖3　程序流程圖

3程序應(yīng)用實(shí)例

3.1　結(jié)構(gòu)概況及網(wǎng)格劃分

襄陽漢江五橋?yàn)橐淮笮瓦B續(xù)剛構(gòu)拱橋，其立面示意見圖4，結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜，特別是拱腳和0號(hào)塊是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部位，其受力性能對(duì)全橋承載能力和跨越能力至關(guān)重要，因此要對(duì)拱腳處進(jìn)行局部有限元分析。利用圣維南原理以及對(duì)稱邊界條件，從遠(yuǎn)離拱腳處的4號(hào)塊開始向0號(hào)塊建立混凝土箱梁部分的1/4模型。

圖4　襄陽漢江五橋立面圖 (單位：m)

主梁采用變高度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，大懸臂斜腹板單箱三室截面。箱梁整體寬度為36.5 m，4號(hào)塊截面高度為5.743 m，箱梁根部高7.7 m，梁底曲線按二次拋物線變化，箱梁底寬隨梁高變化，由4號(hào)塊的18.646 m漸變至根部的17.746 m；箱梁外側(cè)大懸臂長7 m，沿縱向每3 m設(shè)1道加勁橫梁，橫梁腹板厚30 cm，僅在吊索錨固中室處橫梁腹板局部加厚至45 cm；箱梁頂板厚25 cm，底板厚度由4號(hào)塊的85.5 cm變厚至120 cm；在此區(qū)段內(nèi)，邊腹板厚度為120 cm，中腹板厚度為100 cm。

根據(jù)上述變截面箱梁的幾何信息，利用本文的程序，將1/2箱梁截面分割為21個(gè)控制斷面，見圖5。輸入斷面的空間豎曲線坐標(biāo)、平面單元密度信息、縱橋向單元密度等，即可輸出所有節(jié)點(diǎn)以及單元的命令流文件。將結(jié)果文件導(dǎo)入ANSYS，即可快速生成局部三維的實(shí)體模型，經(jīng)由本文程序所劃分的網(wǎng)格整體質(zhì)量較好，大多數(shù)的網(wǎng)格均是形狀規(guī)整的六面體，對(duì)于帶橫隔板的情況處理也較為理想。

圖5　箱梁控制斷面的劃分

3.2　計(jì)算結(jié)果

分析對(duì)象主要由預(yù)應(yīng)力鋼筋、鋼拱肋及混凝土箱梁3部分組成。預(yù)應(yīng)力鋼筋及鋼拱肋部分幾何構(gòu)造較為復(fù)雜，因此采用的是傳統(tǒng)的手工建模方法，剩余混凝土箱梁部分采用的上述由本文程序所建立的有限元模型，兩者通過約束方程實(shí)現(xiàn)自由度協(xié)調(diào)，最終計(jì)算結(jié)果見圖6、圖7。

圖6結(jié)構(gòu)豎向位移云圖圖7零號(hào)塊第一主應(yīng)力云圖

結(jié)構(gòu)整體豎向位移見圖6，成橋狀態(tài)下，混凝土箱梁部分最大位移在向下4.4~6.6 mm之間，位移絕對(duì)值較小。箱梁零號(hào)塊第一主應(yīng)力結(jié)果如圖7所示，在剔除因預(yù)應(yīng)力節(jié)點(diǎn)耦合等產(chǎn)生的應(yīng)力集中結(jié)果之后，第一主應(yīng)力整體處于-3.79~1.92 MPa之間，零號(hào)塊中室頂板、箱梁與橫隔板交界處第一主應(yīng)力值較高。因主梁，墩身均采用C55混凝土，抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度為1.89 MPa，故局部超出設(shè)計(jì)混凝土設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度，需引起重視。

4結(jié)語

根據(jù)變截面箱梁有限元實(shí)體分析的特點(diǎn)，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)了一套網(wǎng)格劃分程序，實(shí)際運(yùn)用效果表明，該程序可大大提高變截面箱梁分析的前處理效率，并且劃分的網(wǎng)格質(zhì)量較好，適合類似混凝土箱梁的有限元分析。下一步，計(jì)劃重點(diǎn)研究預(yù)應(yīng)力鋼筋的快速建模及自由度協(xié)調(diào)，以及荷載和邊界條件施加集成這兩方面的工作，使程序能面向更一般的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的實(shí)體分析工作。

參考文獻(xiàn)

[1]吳姍姍.寬箱梁空間力學(xué)行為分析及試驗(yàn)研究[D].重慶:重慶交通學(xué)院,2011.

[2]董曉梅,馬強(qiáng).高墩大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋墩身穩(wěn)定分析[J].交通科技,2009(2):4-7.

[3]曹志強(qiáng).異型矮塔斜拉橋塔墩梁固結(jié)部位應(yīng)力分析[J].交通科技,2010(3):41-44.

[4]丁志威,張峻峰,武修雄,等.斜拉橋索塔與索梁錨固區(qū)局部應(yīng)力分析[J].交通科技,2011(5):4-6.

[5]程龍,胡劍.甌江大橋鋼混結(jié)合段局部受力分析[J].交通科技,2011(5):16-19.

[6]劉艷萍.橋梁預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)局部有限元分析的ANSYS二次開發(fā)[D].武漢:華中科技大學(xué),2005.

[7]王祎,謝步瀛.基于Java的平臺(tái)中導(dǎo)入DXF文件的關(guān)鍵技巧[J].工程圖學(xué)學(xué)報(bào),2002(2):48-53.

[8]梁柱.預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁三維實(shí)體單元分析前處理程序開發(fā)與應(yīng)用[D].杭州:浙江大學(xué),2005.

Development and Application of ANSYS

Preprocess Program of Box Girder with Varying Depth

WangTaojie

(School of Architectural Engineering,Tianjin University, Tianjin 300072, China)

Abstract：A program is developed which can turn the geometric information of box girder with varying depth into ANSYS preprocess command flow, using AutoCAD and Visual Fortran program. This program can produce the high quality hexahedron mesh and adjust the grid density according to user's needs well. This program will save the time of finite element modeling and improve the design calculation efficiency in the premise of the calculation accuracy. Finally, a detailed finite element analysis of a large continuous rigid frame arch bridge is presented with the help of this program.

Key words:program design; finite element method; meshing

收稿日期：2015-09-21

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.06.008