田 羽，張小飛，何飛龍，黃佳敏

（廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530000）

1 引言

在地形和地質(zhì)條件適宜的情況下，拱壩相較重力壩或土石壩更加經(jīng)濟(jì)，但同時(shí)結(jié)構(gòu)也最為復(fù)雜[1]，因此對(duì)于數(shù)值仿真模擬來說難度更高。隨著科技的迅速發(fā)展，有限元軟件在水利工程中的應(yīng)用越來越廣泛[2-3]，ANSYS 因具有兼容性好、計(jì)算功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)成為最常用的有限元軟件之一，其能與Pro/E、UG、CITIA 等軟件進(jìn)行銜接[4]，利用軟件建模后導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行計(jì)算分析，從而減少前處理耗費(fèi)的時(shí)間。但通常情況下導(dǎo)入的模型需要進(jìn)行修復(fù)，若模型中有太多細(xì)節(jié)需要處理，通過其他軟件進(jìn)行建模并沒有太大優(yōu)勢(shì)。我國(guó)學(xué)者提出了各種方法來解決這一難題，宮恩祥[5]利用APDL 語(yǔ)言建立了泵軸模型，但缺點(diǎn)在于缺乏友好的交互界面，不利于初學(xué)者的學(xué)習(xí)使用；周強(qiáng)[6]基于Excel-VBA 與APDL 語(yǔ)言完成拱壩的建模，但針對(duì)不同壩型需對(duì)Excel 進(jìn)行重新開發(fā)設(shè)計(jì)，不具有普適性；其他學(xué)者[7-9]也提出基于JAVA、VC++ 等與APDL 語(yǔ)言結(jié)合使用而開發(fā)出的建模子程序，但缺點(diǎn)是其程序孤立于ANSYS 程序之外，需另行打開調(diào)用。鑒此，本文以ANSYS 軟件為平臺(tái)，基于UIDL 和APDL 語(yǔ)言系統(tǒng)地設(shè)計(jì)拱壩建模子程序，在保證提高建模效率的同時(shí)增強(qiáng)子程序的普適性，方便用戶使用，并以南方某拱壩為實(shí)例驗(yàn)證本文子程序的合理性與可靠性。

2 UIDL 在拱壩建模中的應(yīng)用

2.1 UIDL 簡(jiǎn)介

UIDL（User Interface Design Language）全稱為用戶圖形界面設(shè)計(jì)語(yǔ)言，該語(yǔ)言可用于修改ANSYS 的圖形界面，例如在主菜單欄添加子級(jí)菜單項(xiàng)，其中包括參數(shù)輸入的對(duì)話框、拾取框等[10]。UIDL 主要完成主菜單系統(tǒng)、對(duì)話框和拾取框以及幫助選項(xiàng)圖形界面的設(shè)計(jì)，用UIDL 編寫的代碼文件稱為控制文件，擴(kuò)展名為“.GRN”?？刂莆募话阌梢粋€(gè)控制文件頭和至少一個(gè)結(jié)構(gòu)塊組成，結(jié)構(gòu)塊是一個(gè)UIDL 文件的核心，一般分為命令結(jié)構(gòu)塊、幫助結(jié)構(gòu)塊和菜單結(jié)構(gòu)塊。

2.2 菜單設(shè)計(jì)

在主菜單欄中添加子菜單的方法主要有三種：一是修改ANSYS 安裝目錄“…ANSYS Incv170ansysguien-usUIDL”文件夾中的UIMENU.GRN 文件，通過在結(jié)構(gòu)塊的適當(dāng)位置添加自定義的命令結(jié)構(gòu)塊來完成子菜單的創(chuàng)建，但若修改不當(dāng)，將會(huì)導(dǎo)致ANSYS 崩潰；二是將UIDL 文件夾中的相關(guān)控制文件復(fù)制到一個(gè)新的存放位置并進(jìn)行修改，特別注意對(duì)menulist.ans文件中的工作路徑也要進(jìn)行相應(yīng)的更改；三是在UIDL 文件夾中建立新的控制文件，并在menulist.ans 文件中添加該文件的路徑。后兩種方法均可避免文件修改錯(cuò)誤而導(dǎo)致ANSYS 的崩潰，其中第三種方法更為簡(jiǎn)便且避免了文件存放的混亂。因此本文用第三種方法創(chuàng)建了名為ArcDammenu.GRN 的控制文件，在該文件的Men_ArcSimulationSystem 結(jié)構(gòu)塊中的適當(dāng)位置添加了五個(gè)以“Fnc_”開頭的自定義命令結(jié)構(gòu)塊鏈接，分別創(chuàng)建了“添加壩體材料”“添加壩基材料”“創(chuàng)建壩體模型”“創(chuàng)建壩基模型”“壩體按拱圈分層”五個(gè)子菜單項(xiàng)。具體代碼如下，經(jīng)更改后ANSYS 中的主菜單界面見圖1。

圖1 修改后的主菜單界面

2.3 對(duì)話框設(shè)計(jì)

ANSYS 的對(duì)話框用于接收用戶所輸入的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，本文按上述五個(gè)子菜單分別對(duì)應(yīng)創(chuàng)建相應(yīng)對(duì)話框，用于輸入拱壩及壩基的幾何參數(shù)和材料參數(shù)及拱壩需要切分的層數(shù)，方法是在UNIFUNC 文件中添加Fnc_AdddamMaterials、Fnc_AddRockMateria ls、Fnc_CreateDamModel、Fnc_CreateBajiModel、Fnc_Batifenceng 五個(gè)自定義命令結(jié)構(gòu)塊。五個(gè)結(jié)構(gòu)塊的編制思路類似，由于篇幅原因，僅列出最具代表性的壩體建模結(jié)構(gòu)塊的部分代碼，相應(yīng)所建立的壩體建模對(duì)話框見圖2。

圖2 創(chuàng)建壩體模型對(duì)話框

3 APDL 在拱壩建模中的的應(yīng)用

3.1 APDL 簡(jiǎn)介

APDL（ANSYS Parameter Design Language）全稱為ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言[11]，該語(yǔ)言可用于批量完成用戶的某些特定操作，其優(yōu)勢(shì)在于不僅可以完成大部分GUI 的操作任務(wù)，甚至可以實(shí)現(xiàn)某些GUI 所不能實(shí)現(xiàn)的功能，APDL 語(yǔ)言中包含了DO循環(huán)語(yǔ)句、IF-ELSE 判斷語(yǔ)句、宏語(yǔ)言等，通過這些語(yǔ)句的合理運(yùn)用，可極大節(jié)省用戶時(shí)間，提升工作效率。

3.2 拱壩及壩基建模宏文件的設(shè)計(jì)

在利用UIDL 完成子程序菜單及對(duì)話框的建立之后，利用APDL 語(yǔ)言分別編制上述五個(gè)結(jié)構(gòu)塊需要執(zhí)行的宏文件，并封裝保存于“ANSYS Incv170ansysapdl”文件夾中，通過所建立的對(duì)話框完成相應(yīng)參數(shù)的輸入后，即可調(diào)用相應(yīng)的宏文件，完成參數(shù)化建模，由于篇幅原因，僅將壩體與壩基建模宏文件的編程思路列入圖3。

圖3 建模流程圖

至此已完成子程序的編制，相較于引言中所介紹的其它建模方法而言，本文所開發(fā)的建模子程序適用壩型范圍更廣，同時(shí)在ANSYS 軟件中開發(fā)出友好的人機(jī)交互界面，將復(fù)雜的代碼封裝于“幕后”，大大提高了建模效率，更易于用戶理解和操作。利用子程序分別建立壩高均為69 m 的雙曲、單曲及雙曲重力拱壩（厚高比約為0.49）模型，見圖4。由此可見本子程序?qū)τ趩螆A心拱壩的各種壩型均可適用。

圖4 三種類型的拱壩模型

4 實(shí)例分析

4.1 基本資料

南方某水電站工程是一座以發(fā)電為主，兼有旅游綜合效益的水力發(fā)電工程。壩型采用碾壓混凝土單圓心雙曲拱壩，壩頂高程455.0 m，壩頂寬6 m，壩底高程386.0 m，最大壩高69.0 m，溢流堰頂高程443.5 m，正常蓄水位為453.0 m。壩體的拱冠梁剖面圖及平面布置圖見圖5，壩體各層幾何參數(shù)見表1，壩體與周圍基巖的材料參數(shù)見表2。

圖5 拱壩平面圖及拱冠梁剖面圖

表1 拱壩體形參數(shù)

表2 拱壩與基巖材料參數(shù)

4.2 壩體-壩基模型的建立

本文擬建拱壩壩型為雙曲拱壩，近基面的壩基簡(jiǎn)化為壩體向上下游及左右岸拉伸2 倍壩高，為進(jìn)一步證明開發(fā)建模程序的高效性及可靠性，采用建模子程序和僅利用APDL 語(yǔ)言兩種方法（下文簡(jiǎn)稱為“方法一”與“方法二”）進(jìn)行建模效率及計(jì)算結(jié)果對(duì)比。其中，所采用APDL 語(yǔ)言（已預(yù)先完成APDL 命令流的編制，僅修改相應(yīng)幾何參數(shù)）完成拱壩建模耗時(shí)4 分54 秒，按劃分單元計(jì)算的壩體總體積約為約為125626.4 m3；采用建模子程序建模僅耗時(shí)2 分50 秒，按劃分單元計(jì)算的壩體總體積為125557.2 m3。而根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)所計(jì)算出的標(biāo)準(zhǔn)壩體總體積為123684.3 m3，方法一和方法二所建模型單元總體積與按設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算的總體積間的誤差分別為1.51%和1.57%，由此可見，采用本文子程序建模更加高效且模型精確度更高。為了更接近實(shí)際情況，在完成上述建模后，添加了簡(jiǎn)化的溢流堰。在網(wǎng)格劃分時(shí)，壩體和壩基單元均采用SOLID185 單元，采用本文建模子程序生成模型的壩體單元數(shù)為14640 個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為19095 個(gè)，巖基單元數(shù)為180990 個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為194928 個(gè)，最終所建模型見圖6 和圖7。

圖6 壩體模型

圖7 整體模型

4.3 拱壩位移與應(yīng)力分析

4.3.1 壩體位移對(duì)比分析

以“正常蓄水位+溫降”工況為例進(jìn)行位移和應(yīng)力計(jì)算分析，該工況的荷載組合情況為：壩體自重+正常蓄水位上游453 m+下游397.3 m+泥沙壓力+揚(yáng)壓力+溫降。

在上述荷載組合下，采用4.2 節(jié)所述的兩種方法計(jì)算拱壩的位移。兩種方法所計(jì)算最大位移值及其發(fā)生位置基本一致，具體數(shù)據(jù)見表3，壩體變形均符合一般規(guī)律，大致以拱冠梁為軸左右對(duì)稱，主要產(chǎn)生順河向位移，橫河向和豎直方向的位移很小，順河向最大位移出現(xiàn)在溢流壩中墩頂部，橫河向最大位移出現(xiàn)在溢流壩左右邊墩的上游側(cè)頂部，分別向左右岸變形，豎直方向最大位移發(fā)生在壩體下游面。

表3 壩體最大位移值

圖8 順河向位移對(duì)比

圖8 采集了“正常蓄水位+溫降”工況下兩種方法計(jì)算各層拱圈拱冠梁部位的順河向位移結(jié)果，由圖8 可知，兩種方法所計(jì)算的位移結(jié)果均符合一般規(guī)律且數(shù)值相近，除了在430 m高程處采用方法二所得順河向位移略大于方法一所得順河向位移外，其余高程均小于后者，并且隨著高程的增加，兩者位移差有略微增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

4.3.2 壩體應(yīng)力對(duì)比分析

經(jīng)施加相應(yīng)荷載進(jìn)行計(jì)算后，兩種方法所得應(yīng)力結(jié)果見表4，由表4 可知采用方法一與方法二所計(jì)算的最大主拉應(yīng)力均出現(xiàn)在上游面的壩踵附近，其中方法一計(jì)算的最大主拉應(yīng)力略大一點(diǎn)；兩種方法所計(jì)算的最大主壓應(yīng)力分布規(guī)律也基本一致，應(yīng)力分布大致以拱冠梁為軸左右對(duì)稱，方法一所計(jì)算最大主壓應(yīng)力出現(xiàn)在右岸邊墩的墩底附近，最大值為-5.67 MPa，方法二的最大主壓應(yīng)力出現(xiàn)在左岸邊墩的墩底附近，最大值為-6.12 MPa。

表4 壩體最大應(yīng)力值

5 結(jié)論

1）在ANSYS 軟件中開發(fā)出了一種基于APDL 和UIDL 編制的拱壩參數(shù)化建模子程序，應(yīng)用該方法建模相較目前常用的“僅采用APDL 語(yǔ)言參數(shù)化建模”的方法而言更便于操作，且大大提升了建模效率。

2）以南方某拱壩為例，采用本文研發(fā)的的建模子程序及僅使用APDL 語(yǔ)言兩種方法進(jìn)行建模，并對(duì)其位移與應(yīng)力結(jié)果對(duì)比分析，結(jié)果表明兩種方法所計(jì)算的位移與應(yīng)力無論是產(chǎn)生位置還是數(shù)值都基本一致，從而印證了本文建模子程序的合理性與可靠性。

3）本文所開發(fā)的建模程序僅適用于單圓心拱壩，對(duì)于多圓心、拋物線等類型的拱壩建模程序在未來需進(jìn)一步研究。