趙 宇,張 迅,韓 鋒,顧 穎,古 松

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031； 2.中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司基礎(chǔ)事業(yè)部,北京 100131； 3.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,四川綿陽(yáng) 621010)

作為鐵路交通網(wǎng)絡(luò)的交匯點(diǎn)，鐵路客站伴隨著客運(yùn)鐵路的發(fā)展而迅速發(fā)展。如今，高速鐵路站房的結(jié)構(gòu)形式日趨復(fù)雜多樣。如何準(zhǔn)確、高效地建立有限元模型已成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題[1-2]。

在大型特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，一般應(yīng)采用多款軟件進(jìn)行對(duì)比分析[3]。沈磊等[4]利用C#語(yǔ)言結(jié)合面向?qū)ο缶幊痰乃枷?，編制了有限元模型轉(zhuǎn)換程序，以實(shí)現(xiàn)MIDAS Gen和SAP 2000兩種模型的相互轉(zhuǎn)換。張?jiān)聫?qiáng)等[5]通過(guò)自編程序，實(shí)現(xiàn)了ABAQUS和SAP 2000兩種模型的相互轉(zhuǎn)換，并將其應(yīng)用到上海中心大廈的建模分析中。文獻(xiàn)[6-8]對(duì)船舶、飛機(jī)等結(jié)構(gòu)的快速建模技術(shù)進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[9-11]對(duì)建筑信息模型進(jìn)行了探討。

近年來(lái)，ANSYS憑借其功能強(qiáng)大的前后處理和分析能力在結(jié)構(gòu)分析中得到廣泛的應(yīng)用[12]。對(duì)于大型鐵路站房結(jié)構(gòu)，在建立ANSYS模型時(shí)首先需要對(duì)梁柱進(jìn)行定位，依次計(jì)算并記錄各節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，然后確定單元節(jié)點(diǎn)編號(hào)以及截面編號(hào)，此過(guò)程極其繁瑣費(fèi)時(shí)，且難以保證精度。

本文提出一種基于Matlab[13]快速建立大型鐵路站房結(jié)構(gòu)ANSYS模型的方法。該方法以簡(jiǎn)便、直觀的方式對(duì)梁柱進(jìn)行定位，并將建立節(jié)點(diǎn)、單元編號(hào)、賦予截面等工作以電算形式完成，從而大幅度提高建模效率。此外，程序中的可視化窗口可實(shí)現(xiàn)快速糾錯(cuò)，并確保模型與圖紙相匹配。

1 程序編制中的關(guān)鍵技術(shù)

基于Matlab編制的程序主要包含3個(gè)模塊：CAD圖紙信息識(shí)別和轉(zhuǎn)換；單元交叉分割得到節(jié)點(diǎn)、單元、截面矩陣；生成ANSYS命令流。程序的總流程如圖1所示，包括：(1)通過(guò)人工方式記錄CAD圖紙中梁柱的位置和截面信息；(2)讀取梁柱信息，轉(zhuǎn)換得到單元節(jié)點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)；(3)對(duì)單元進(jìn)行交叉分割，得到節(jié)點(diǎn)、單元、截面矩陣；(4)生成ANSYS命令流，程序結(jié)束。

圖1 程序總流程

1.1 圖紙信息的錄入

對(duì)于梁柱，錄入的主要內(nèi)容包含端點(diǎn)的位置信息和截面信息。對(duì)于梁柱端點(diǎn)的定位，可利用圖紙中的既有軸線和相對(duì)于軸線的偏移量予以實(shí)現(xiàn)。對(duì)于圖紙中的任意位置，可由兩條垂直的軸線以及與各軸線的偏移量來(lái)確定。

如圖2所示，線段(a)的位置信息為：[(10，L1)，(J，-M1)，(11，-K1)，(J，-N1)]。其中：前兩組代表一個(gè)端點(diǎn)，后兩組代表另一個(gè)端點(diǎn)；每一組的第一個(gè)參數(shù)為參考軸線的編號(hào)，后一個(gè)參數(shù)為相對(duì)于軸線的偏移量。線段(b)和(c)的位置信息分別為：[(10，L2)，(H，M2)，(11，-K2)，(H，N2)]和[(11，-L3)，(H，M3)，(11，-K3)，(H，N3)]。由于線段(b)和(c)平行于軸線，使得每個(gè)位置信息中都存在著兩組相同的參數(shù)?？紤]到站房結(jié)構(gòu)中幾乎所有的梁都平行于軸線，因此可將相同的參數(shù)放在首位作為兩端點(diǎn)的共有參數(shù)。此時(shí)，線段(b)和(c)的位置信息變?yōu)閇(H，M2)，(10，L2)，(11，-K2)]和[(11，-L3)，(H，M3)，(H，N3)]。

圖2 單元位置信息示意

需要說(shuō)明的是：在進(jìn)行位置信息錄入時(shí)，對(duì)于軸網(wǎng)平行的規(guī)則框架結(jié)構(gòu)，可仿照線段(b)和(c)進(jìn)行錄入，個(gè)別不與軸網(wǎng)平行的梁柱可仿照線段(a)進(jìn)行錄入。對(duì)于異型軸網(wǎng)或無(wú)規(guī)則結(jié)構(gòu)，直接采用人工進(jìn)行定位。

1.2 絕對(duì)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換

通過(guò)“對(duì)號(hào)入座”的方式將位置信息中的軸線編號(hào)轉(zhuǎn)化為軸線坐標(biāo)，再疊加偏移量后得到梁柱端點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)。具體流程如圖3所示。部分程序代碼如下(限于篇幅，代碼中的“$”表示換行)。

for ii=1∶dygs

if isnumeric(dqz{ii})==0 %橫軸對(duì)齊

R1=find(strcmp(HZZ，dqz{ii，1}));

zz=HZ(R1)+PY(ii);%兩端點(diǎn)縱坐標(biāo)

r1=find(ZZZ==qs{ii，1}); $ r2=find(ZZZ==zd{ii，1});

ijd=[ZZ(r1，1)+py1(ii)，zz]; $ jjd=[ZZ(r2，1)+py2(ii)，zz];

else $ R2=find(ZZZ==dqz{ii，1});

hz=ZZ(R2)+PY(ii);%兩端點(diǎn)橫坐標(biāo)

r1=find(strcmp(HZZ，qs{ii，1}));

r2=find(strcmp(HZZ，zd{ii，1}));

ijd=[hz，HZ(r1，1)+py1(ii)]; $ jjd=[hz，HZ(r2，1)+py2(ii)];

end $ %記錄截面信息

if decide(jmm，jm(ii，:))==0 $ jmm=[jmm;jm(ii，:)];

end $ jmbh=decide(jmm，jm(ii，:));%單元截面編號(hào)

dyzb(ii，:)=[ijd，jjd，jmbh]; $ end

圖3 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換流程

1.3 單元交叉分割

此模塊可實(shí)現(xiàn)錄入梁柱信息時(shí)，在每個(gè)交叉點(diǎn)進(jìn)行單元分割，可減少工作量并保證單元間的正確連接。具體流程如圖4所示。程序代碼如下。

%單元相交，生成并記錄新的節(jié)點(diǎn)

for ii=1：size(dyzb，1)-1 $ for jj=ii+1：size(dyzb，1)

[x1，y1]=xj(dyzb(ii，1∶4)，dyzb(jj，1∶4));

if (x1～=0)&(y1～=0) $ if decide(jd，[x1，y1])==0

jd=[jd;x1，y1]; $ end $ end $ end $ end

dyfg=[];%分割后的新單元

%分割單元

for ii=1：size(dyzb，1) $ bhjd=[];%單元所包含節(jié)點(diǎn)

for jj=1：size(jd，1) $ if djxj(dyzb(ii，1∶4)， jd(jj，1∶2))==1

bhjd=[bhjd，jj]; $ end $ end $ bh=[]; $ if dyzb(ii，1)==dyzb(ii，3)

for i=1：size(bhjd，2) $ bh=[bh，jd(bhjd(i)，2)];%將單元中包含節(jié)點(diǎn)的y坐標(biāo)合成一個(gè)向量 $ end $ else

for j=1：size(bhjd，2) $ bh=[bh，jd(bhjd(j)，1)];%將單元中包含節(jié)點(diǎn)的x坐標(biāo)合成一個(gè)向量 $ end $ end

[B，ind]=sort(bh);%對(duì)所包含節(jié)點(diǎn)按坐標(biāo)排序

for i1=1：length(bhjd)-1%分割的單元數(shù)比節(jié)點(diǎn)數(shù)小1

dyfg=[dyfg;bhjd(ind(i1))，bhjd(ind(i1+1))，dyzb(ii，5)];

end $ end

圖4 單元交叉分割流程

該模塊中存在著兩個(gè)技術(shù)難點(diǎn)：根據(jù)兩個(gè)單元的端點(diǎn)坐標(biāo)判斷其是否相交；判定單元與節(jié)點(diǎn)是否相交。判斷兩單元交點(diǎn)坐標(biāo)的流程如圖5所示。判斷單元與節(jié)點(diǎn)是否相交的流程如圖6所示。

圖5 判斷單元相交流程

圖6 判斷單元與節(jié)點(diǎn)相交情況流程

值得注意的是，在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)形成節(jié)點(diǎn)矩陣、存儲(chǔ)截面信息形成截面矩陣、存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)編號(hào)、截面編號(hào)形成單元矩陣等過(guò)程中，應(yīng)先判斷某個(gè)向量在矩陣中是否已經(jīng)存在。如果已存在，則返回其索引；如未包含，則在矩陣末尾添加該向量。具體的流程如圖7所示，代碼如下。

function [c]=decide(a，b)

%判斷矩陣a中是否已含有行向量b

%如果含有則返回其行數(shù)，否則為0

c=0; $ for i=1：size(a，1) $ if(sum(abs(a(i，:)-b))==0) $

c=i; $ break; $ end $ end $ end }

圖7 判別函數(shù)流程

1.4 生成ANSYS命令流

按照ANSYS命令流格式[14]依次生成建立截面、節(jié)點(diǎn)、單元的命令流，并將其寫入到文本中。

具體的代碼如下：

fid=fopen('kmnz.txt'，'w');

%建立截面

for i1=1：size(jm，1)

fprintf(fid，'%s '，['sectype'，'，'，num2str(i1)，'，beam，rect'，'，secc'，…

num2str(i1)]);%以secc為前綴命令截面

fprintf(fid，'%s '，['secdata'，'，'，num2str(jm(i1，1))，'，'，…

num2str(jm(i1，2))]);%賦予截面參數(shù) $ end

%建立節(jié)點(diǎn)

for i2=1：size(jd， 1)

fprintf(fid，'%s '，['n，'，num2str(i2)，'，'，num2str(jd(i2，1))，'，'，…

num2str(jd(i2，2))，'，'，num2str(jd(i2，3))]); $ end

%建立單元

fprintf(fid，'%s '，'type，1'); $ fprintf(fid，'%s '，'mat，1');

for i3=1：size(dyfg，1)

fprintf(fid，'%s '，['secnum，'，num2str(dyfg(i3，3))]);

fprintf(fid，'%s '，['en，'，num2str(dyfg(i3，1))，'，'，…

num2str(dyfg(i3，2))，'，'，num2str(dyfg(i3，2))]); $ end

fclose(fid);

2 工程應(yīng)用實(shí)例

鐵路昆明南站(圖8)位于呈貢新區(qū)吳家營(yíng)片區(qū)，是采用“橋建合一”結(jié)構(gòu)形式的大型高鐵站房。昆明南站設(shè)計(jì)總規(guī)模為16站臺(tái)30條到發(fā)線(含正線)，鐵路車場(chǎng)布置渝昆場(chǎng)、滬昆場(chǎng)、云桂場(chǎng)。昆明南站建筑是新建昆明南站工程中的核心項(xiàng)目，它包括了客運(yùn)站房(約12萬(wàn)m2)、站臺(tái)雨棚(約8萬(wàn)m2)、北側(cè)軌行區(qū)下部架空停車場(chǎng)及換乘空間(約7萬(wàn)m2)。

昆明南站站房為地上三層，地下一層。首層為地下一層，地面高程為-10.500 m，主要為地下停車場(chǎng)、出站廳、地鐵入口。二層為站臺(tái)層，站臺(tái)面高程為0.000 m，主要柱網(wǎng)尺寸為10.75 m×22 m。三層(高程9.500 m)為高架候車室。站房順軌方向?yàn)?26 m，垂直于軌道方向?yàn)?30.5 m，主要柱網(wǎng)尺寸為21.5 m×22 m[15]。

圖8 昆明南站效果圖

以B2區(qū)高程-2.276 m的K～L，8～9軸范圍(圖9)為例，以下詳細(xì)介紹其建模過(guò)程。

圖9 B2區(qū)高程-2.276 m部分的局部(單位：mm)

以“先橫梁后縱梁”、“從上到下”、“從左到右”的順序，依次將梁?jiǎn)卧恢眯畔⒑徒孛嫘畔浫氲紼xcel表格中，如圖10所示。其中：A列為分區(qū)和高程信息；B～G列為梁的位置參數(shù)；B、C兩列為平行軸線的編號(hào)與偏移量；D～G列為垂直軸線的編號(hào)與偏移量；H、I兩列為截面參數(shù)。顯然，2～4行為橫梁，5～11行為縱梁。

圖10 錄入信息部分示意

利用程序的繪圖功能繪制出各梁的位置，并以錄入的先后順序?qū)ζ渚幪?hào)，同時(shí)將編號(hào)標(biāo)記在各梁的中心位置處便于檢查，如圖11所示。

圖11 初次運(yùn)行程序得到的結(jié)果

從圖11可以看出，編號(hào)為6的梁有誤。此時(shí)，根據(jù)其編號(hào)可快速返回到Excel中找到其對(duì)應(yīng)位置，再根據(jù)其位置信息返回到CAD圖紙糾錯(cuò)。糾錯(cuò)后的程序運(yùn)行結(jié)果如圖12所示。

圖12 程序更正后的結(jié)果

按照此過(guò)程依次在Excel中記錄每個(gè)分區(qū)的信息，此過(guò)程中很可能出現(xiàn)公共邊重復(fù)錄入的情況。因此，先利用程序檢查并輸出重復(fù)單元的編號(hào)，再返回到圖紙和表格中進(jìn)行檢查，以刪除重復(fù)單元。

最后，在生成的命令流中添加材料信息以及板單元的建模命令，得到如圖13所示的ANSYS模型，該模型有24 157個(gè)節(jié)點(diǎn)、54 277個(gè)梁?jiǎn)卧? 011個(gè)板單元。

將程序中生成命令流的模塊按照MIDAS軟件的命令流格式進(jìn)行修改[16]，即可得到MIDAS有限元模型，如圖14所示。

圖13 ANSYS有限元模型

圖14 MIDAS有限元模型

利用兩個(gè)軟件分別計(jì)算站房結(jié)構(gòu)的自振特性，對(duì)比結(jié)果見表1。此外，圖15和圖16給出了振型圖。

表1 兩種軟件計(jì)算得到的自振頻率對(duì)比 Hz

圖15 ANSYS有限元模型得到的振型

圖16 MIDAS有限元模型得到的振型

從表1以及圖15～圖16可以看出，利用本文方法建立的ANSYS模型和MIDAS模型的自振特性及振型基本一致，證明了該程序的準(zhǔn)確性。

從建模效率上來(lái)看，以建立一根梁為例，所需要進(jìn)行的工作僅為人工識(shí)別并且在Excel表中輸入6個(gè)位置參數(shù)和2個(gè)截面參數(shù)，其工作量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于直接在軟件中進(jìn)行交互式建模。

3 結(jié)論

(1)本文提出的方法使建模過(guò)程中的多個(gè)環(huán)節(jié)得到簡(jiǎn)化。利用定位軸線和偏移量的方法使得定位工作直觀、高效，并且方便檢查；節(jié)點(diǎn)編號(hào)、截面編號(hào)以及匹配單元節(jié)點(diǎn)編號(hào)的工作由電算來(lái)完成，省時(shí)省力，并且避免了人為疏忽造成的錯(cuò)誤。

(2)該程序具有良好的糾錯(cuò)能力，在建模過(guò)程中可以隨時(shí)檢查并更正錯(cuò)誤(例如重復(fù)單元)，保證了模型的正確性。

(3)本文提出的方法僅需對(duì)生成命令流的模塊稍加修改后，即可得到其他有限元軟件(如ABAQUS等)的命令流，以方便對(duì)多個(gè)軟件的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。