王云極，袁 泉，李艷陽，王藤錦

（中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，長(zhǎng)春 130021）

隨著電廠數(shù)字化設(shè)計(jì)需求的不斷提高，三維設(shè)計(jì)軟件在國(guó)內(nèi)很多發(fā)電項(xiàng)目設(shè)計(jì)中得到普及和深化應(yīng)用，其中，工廠三維布置設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)（PDMS）是應(yīng)用較為廣泛的數(shù)字化平臺(tái)之一。土建結(jié)構(gòu)專業(yè)很多復(fù)雜結(jié)構(gòu)的應(yīng)力計(jì)算是采用Ansys通用有限元分析軟件進(jìn)行的，計(jì)算分析完成以后需要在多專業(yè)協(xié)同的PDMS數(shù)字化平臺(tái)建立三維模型，重復(fù)的建模工作容易引入人為差錯(cuò)，同時(shí)也不利于提升結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)整體效率。有限元軟件是將實(shí)際結(jié)構(gòu)劃分為數(shù)量有限、簡(jiǎn)單而又相互作用的基本單元來分析整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的，其基本單元均由有序的數(shù)據(jù)構(gòu)成。PDMS三維布置平臺(tái)以數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，布置模型的幾何信息全部以數(shù)據(jù)形式存儲(chǔ)于后臺(tái)，因此，可以考慮通過數(shù)據(jù)傳遞的方式將結(jié)構(gòu)有限元分析模型轉(zhuǎn)換為滿足協(xié)同設(shè)計(jì)需求的三維數(shù)字化模型。本文以Ansys 13.0版和PDMS 12.1 版為例，從不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件在兩款軟件平臺(tái)上的數(shù)據(jù)構(gòu)成形式著手，探討行之有效的數(shù)據(jù)傳遞方法，從而實(shí)現(xiàn)模型數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)分析平臺(tái)向數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)的有效傳遞。

1 數(shù)據(jù)格式簡(jiǎn)介

1.1 Ansys13.0版數(shù)據(jù)格式

Ansys有限元計(jì)算模型的幾何參數(shù)、材料屬性、網(wǎng)格劃分、荷載輸入等信息均存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)文件（.db）中，文件格式為ASCII。在導(dǎo)入導(dǎo)出方面，Ansys軟件支持IGES、Para Solid、CA－TIA、Pro／E、UG 等多種格式文件的導(dǎo)入，但只支持IGES 標(biāo)準(zhǔn)格式文件的導(dǎo)出。此外，軟件還具有模型信息數(shù)據(jù)的輸出功能，一般為文本文件格式。

1.2 PDMS12.1版數(shù)據(jù)格式

三維設(shè)計(jì)項(xiàng)目的全部數(shù)據(jù)均存儲(chǔ)于PDMS 結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫(kù)中，數(shù)據(jù)庫(kù)為軟件核心主要分為7大類，分別為系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)、元件數(shù)據(jù)庫(kù)、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)、管段數(shù)據(jù)庫(kù)、特性數(shù)據(jù)庫(kù)、用戶定義屬性庫(kù)和二維圖數(shù)據(jù)庫(kù)［1］。結(jié)構(gòu)專業(yè)模型數(shù)據(jù)主要存儲(chǔ)于設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)，包含幾何數(shù)據(jù)、連接信息、材料屬性等。PDMS軟件提供了Open steel接口程序，支持SDNF格式文件的導(dǎo)入和導(dǎo)出。為了滿足數(shù)據(jù)傳遞的需求，一些計(jì)算、繪圖軟件與PDMS 的接口程序不斷涌現(xiàn)［2－3］。PDMS軟件也支持模型數(shù)據(jù)的輸出和輸入，以文本文件格式最為常用，因此，可以將模型數(shù)據(jù)保存為文本文件格式，以此為中間媒介開展數(shù)據(jù)傳遞。

2 線性構(gòu)件

在Ansys軟件中，線性構(gòu)件主要包含支撐、梁、柱等構(gòu)件，此類構(gòu)件一般用線段劃分成link 或者beam 單元進(jìn)行分析，線段和線性單元分別由關(guān)鍵點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)連接而形成，所以線性構(gòu)件數(shù)據(jù)輸出可考慮線段和線性單元兩種方案。在PDMS 數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件中，線性結(jié)構(gòu)構(gòu)件的基本元件為sctn，它是通過兩端坐標(biāo)直接定義而成，沒有實(shí)際意義上的點(diǎn)的概念，因此，線性構(gòu)件數(shù)據(jù)的傳遞勢(shì)必要將點(diǎn)（關(guān)鍵點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)）記錄坐標(biāo)的作用付給桿件才能實(shí)現(xiàn)。

2.1 線段方案

通過Ansys輸出線段及線段兩端關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)，使桿件編號(hào)直接對(duì)應(yīng)兩端關(guān)鍵點(diǎn)三向坐標(biāo)值，將數(shù)據(jù)改寫為PDMS 可識(shí)別的格式，則可實(shí)現(xiàn)無等級(jí)sctn元件的建立。

2.2 單元方案

與線段方案類似，通過Ansys輸出單元及單元兩端節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，使單元編號(hào)直接對(duì)應(yīng)兩端節(jié)點(diǎn)三向坐標(biāo)值。

Ansys軟件中記錄線性構(gòu)件截面的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于實(shí)常數(shù)中，但僅依靠該數(shù)據(jù)很難唯一確定截面形狀，例如beam3單元的實(shí)常數(shù)信息中包含的截面數(shù)據(jù)只有截面面積、截面慣性矩、截面高度，因此輸入PDMS的線性構(gòu)件截面類型仍需設(shè)計(jì)人員批量設(shè)定。

2.3 桿件應(yīng)用實(shí)例

某電廠輸煤棧橋結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型，模型的坐標(biāo)原點(diǎn)取棧橋入口頂面水平桿件形心處，采用笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)：x 軸為棧橋?qū)挾确较颍杂蓶|向西為正；y 軸為豎直方向，以豎直向上為正；z 軸為棧橋長(zhǎng)度方向，以由南向北為正，如圖1所示。梁、柱模型采用Beam4單元，支撐采用link單元，單元總數(shù)298。

分別采用線段方案和單元方案來獲取并處理相關(guān)數(shù)據(jù)信息，可得到相同的PDMS布置模型結(jié)果，值得注意的是，PDMS采用的是世界坐標(biāo)系（World Axes），在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中，需要將Ansys系統(tǒng)中的x、y 和z 坐標(biāo)與PDMS系統(tǒng)中的e、u 和n 依次對(duì)應(yīng)；此外，需要在中間數(shù)據(jù)文件中增加棧橋結(jié)構(gòu)各桿件等級(jí)項(xiàng)，給定PDMS中對(duì)應(yīng)的桿件截面屬性，并設(shè)置合適的對(duì)齊方式，轉(zhuǎn)換得到的輸煤棧橋三維布置模型如圖2所示。

2.4 桿件模型對(duì)比

通過數(shù)據(jù)傳遞轉(zhuǎn)換得到的PDMS 輸煤棧橋三維布置模型桿件數(shù)量、桿件端部坐標(biāo)、桿件截面與計(jì)算模型完全一致，滿足協(xié)同設(shè)計(jì)需求。

3 平面構(gòu)件

圖1 Ansys輸煤棧橋計(jì)算模型

圖2 PDMS輸煤棧橋布置模型

平面構(gòu)件在這里是指Ansys軟件中采用平面單元或殼單元?jiǎng)澐值拿嬗?，通常面域?huì)被劃分成數(shù)量較多的單元進(jìn)行分析計(jì)算，所以對(duì)于平面構(gòu)件只能采用面域及其關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。面域沒有厚度的概念，平面構(gòu)件厚度記錄在平面單元或殼單元的實(shí)常數(shù)中。在PDMS數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件中，平面結(jié)構(gòu)構(gòu)件的基本元件為pane，它是通過多個(gè)（大于等于3個(gè)）共面pave點(diǎn)坐標(biāo)定義而成。

3.1 轉(zhuǎn)換方案

通過Ansys輸出面域及面域相關(guān)關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)，使面域編號(hào)直接對(duì)應(yīng)相關(guān)關(guān)鍵點(diǎn)三向坐標(biāo)值，進(jìn)而計(jì)算面域局部?jī)A角，提取相應(yīng)單元實(shí)常數(shù)厚度數(shù)據(jù)項(xiàng)，將數(shù)據(jù)改寫為PDMS可識(shí)別的格式，則可實(shí)現(xiàn)pane元件的建立。對(duì)于厚度漸變的平面構(gòu)件因應(yīng)用相對(duì)較少，不在本文討論范圍內(nèi)。

3.2 平面構(gòu)件應(yīng)用實(shí)例

某煤場(chǎng)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型，屋面為三心圓柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，金屬屋面彩鋼板厚度0.8mm［5］，平面尺寸113 m×105 m，模型的坐標(biāo)原點(diǎn)取±0.000m處，采用柱面坐標(biāo)系，如圖3所示。其屋面板模型按面域建立，總數(shù)1 170，采用shell63單元模擬。

在提取數(shù)據(jù)過程中，需要將Ansys系統(tǒng)中關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)按照笛卡爾坐標(biāo)系輸出，然后與PDMS系統(tǒng)中的e、n、u 建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，并計(jì)算各板塊的空間傾角，轉(zhuǎn)換得到的網(wǎng)殼屋面結(jié)構(gòu)三維布置模型如圖4所示。

圖3 Ansys網(wǎng)殼屋面計(jì)算模型

圖4 PDMS網(wǎng)殼屋面布置模型

3.3 平面構(gòu)件對(duì)比

通過計(jì)算模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換得到的PDMS 網(wǎng)殼屋面布置模型板塊數(shù)量、節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、厚度與計(jì)算模型一致，但由于本實(shí)例的特殊性，在坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換過程中會(huì)產(chǎn)生不超過0.000 5 mm 的誤差，可滿足工程項(xiàng)目精度要求。

4 實(shí)體構(gòu)件

在結(jié)構(gòu)有限元分析中常用到的Ansys實(shí)體單元為solid45 和solid65，均為八節(jié)點(diǎn)六面體單元。復(fù)雜的塊形混凝土結(jié)構(gòu)，例如地下泵房、隧道、邊坡、筒倉(cāng)、樁基等均采用實(shí)體單元進(jìn)行有限元分析，計(jì)算模型建立過程中多采用布爾運(yùn)算等復(fù)雜操作，所以形成的基本體也非常復(fù)雜。以某電廠鍋爐基礎(chǔ)為例，實(shí)體建模的四樁承臺(tái)寬度和長(zhǎng)度均為4.1m，厚度為2m，樁徑820mm，樁長(zhǎng)20 m，樁中心距為三倍樁徑。為了保證樁與承臺(tái)間各節(jié)點(diǎn)有效連接，通常將承臺(tái)分割成為多個(gè)基本體，再進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，如圖5所示。

圖5 四樁承臺(tái)有限元計(jì)算模型

圖5中所示承臺(tái)，包含9個(gè)基本體、34個(gè)面域、68條線段和48個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，而Ansys輸出的基本體信息需要通過面域和關(guān)鍵點(diǎn)來獲取，所以通過這種方式來實(shí)現(xiàn)Ansys向PDMS的數(shù)據(jù)傳遞勢(shì)必過程曲折復(fù)雜，不利于推廣和應(yīng)用。

4.1 轉(zhuǎn)換方案

Ansys和PDMS 都支持通過命令集合來實(shí)現(xiàn)模型的建立，前者被稱為“APDL 語言”或者“命令流”，后者為“PML語言”，可以在基本實(shí)體建模方面找到兩者的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)兩種命令集合的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而達(dá)成模型數(shù)據(jù)傳遞的目標(biāo)。

同樣以上述四樁承臺(tái)為例，在兩款軟件平臺(tái)上建立立方體和圓柱體的命令集合見表1。

為了使兩個(gè)軟件平臺(tái)建立的模型一致，首先需要將Ansys中的坐標(biāo)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)到與PDMS一致，并且考慮到在PDMS中不需要進(jìn)行布爾運(yùn)算，所以將PDMS命令集合中樁長(zhǎng)調(diào)整為20m 直接建立在承臺(tái)下，圖6為通過上述命令集合在PDMS中建立的布置模型。有此可見，采用命令集合建立的Ansys模型可以通過命令集合的語言轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)兩個(gè)軟件平臺(tái)間的數(shù)據(jù)傳遞。

4.2 實(shí)體模型對(duì)比

以命令集合語言轉(zhuǎn)換的方式得到的PDMS 實(shí)體布置模型構(gòu)件數(shù)量、空間占位與計(jì)算模型完全一致，對(duì)于更加復(fù)雜的實(shí)體有限元計(jì)算模型，還需要結(jié)合其相應(yīng)命令集合中布爾運(yùn)算語句來綜合考慮布置模型建模命令集合的編寫。

表1 命令集合語言轉(zhuǎn)換

圖6 四樁承臺(tái)PDMS布置模型

5 結(jié)語

a.通過數(shù)據(jù)傳遞方式將結(jié)構(gòu)分析計(jì)算模型數(shù)據(jù)輸入PDMS三維布置模型方法可行。

b.由線性構(gòu)件或平面構(gòu)件組成的空間結(jié)構(gòu)，采用本文方法形成三維布置模型，快速、高效。

c.實(shí)體構(gòu)件組成的結(jié)構(gòu)模型復(fù)雜，通過命令集合的轉(zhuǎn)換可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單模型數(shù)據(jù)的傳遞，而適用范圍更廣且易于操作的數(shù)據(jù)傳遞方法仍需進(jìn)一步研究探討。

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