基于C#與Ansys的索道桁架有限元計(jì)算程序的二次開發(fā)

張喻捷

北京起重運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 100007

0 引言

隨著設(shè)計(jì)理論的完善與施工水平的提高，現(xiàn)代客運(yùn)索道在高山、沙漠、海灘等各種復(fù)雜地形中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。對(duì)于復(fù)雜地形下的索道設(shè)計(jì)，線路中支架的受力性能則有著更加嚴(yán)苛的要求。因此，桁架形式的支架結(jié)構(gòu)以其剛度大、強(qiáng)度高、抗扭轉(zhuǎn)能力強(qiáng)等特點(diǎn)得到了更多的運(yùn)用。對(duì)超過(guò)20 m的高支架，目前一般采用桁架結(jié)構(gòu)[1]。圖1 為客運(yùn)索道線路中常見(jiàn)的采用桁架結(jié)構(gòu)的支架。

圖1 索道桁架

桁架結(jié)構(gòu)體型復(fù)雜、構(gòu)件多樣、受荷工況多變。因此在涉及到桁架的設(shè)計(jì)時(shí)，不僅需要對(duì)不同高度、不同形式的桁架進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)同一桁架，也需要進(jìn)行各個(gè)不同工況下的受力計(jì)算。目前主要采用有限元法進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分析與計(jì)算。對(duì)桁架結(jié)構(gòu)，采用傳統(tǒng)的有限元計(jì)算方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，每次均需要進(jìn)行模型建立、網(wǎng)格劃分、荷載施加、程序求解及后處理等復(fù)雜操作。這種重復(fù)性的工作，嚴(yán)重地降低了設(shè)計(jì)者的工作效率。作為在全球得到廣泛使用的通用有限元軟件，盡管Ansys 為設(shè)計(jì)者提供了APDL 這一參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言用以完成一些通用性的工作[2]，但其仍然存在著非可視化、語(yǔ)言繁瑣、學(xué)習(xí)成本高等缺點(diǎn)。

因此，本文利用C#高級(jí)編程語(yǔ)言，基于Ansys 經(jīng)典提供的APDL 腳本，開發(fā)了參數(shù)化有限元分析的設(shè)計(jì)工具。通過(guò)專用的可視化用戶交互界面，設(shè)計(jì)人員只需輸入不同的設(shè)計(jì)參數(shù)，程序即可自動(dòng)生成封裝好的APDL 命令流模板，并在后臺(tái)啟動(dòng)Ansys，導(dǎo)入命令流模板，實(shí)現(xiàn)桁架的參數(shù)化建模及分析。

1 二次開發(fā)工具

1.1 APDL 設(shè)計(jì)語(yǔ)言

APDL(Ansys Parametric Design Language)是通用有限元軟件Ansys 提供的一種參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言[3]，用戶可通過(guò)編寫命令流的方式實(shí)現(xiàn)參數(shù)化的模型建立、結(jié)構(gòu)分析、后處理顯示等功能，該方式解決了Ansys GUI(用戶界面)交互模式下建立大型模型時(shí)遇到的界面復(fù)雜、步驟繁瑣等問(wèn)題，大大提高了復(fù)雜結(jié)構(gòu)的建模效率。同時(shí)，APDL 語(yǔ)言編寫的腳本模板可以適用于各個(gè)版本的Ansys，方便用戶開發(fā)一些基本的建模命令或標(biāo)準(zhǔn)零件庫(kù)。因此APDL 被廣泛運(yùn)用于各種計(jì)算程序的二次開發(fā)工作。但APDL 本身作為一種腳本語(yǔ)言，對(duì)于普通設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，具有一定的學(xué)習(xí)成本。

1.2 C#高級(jí)編程語(yǔ)言

C#(C Sharp)是微軟公司發(fā)布的一種由C 和C++衍生出來(lái)的、全新的、面向?qū)ο蟮母呒?jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。其主要運(yùn)行于.NET 開發(fā)框架之上，在繼承C 和C++強(qiáng)大功能的同時(shí)去除掉了一些固有的復(fù)雜特性，同時(shí)還綜合了VB的簡(jiǎn)單可視化操作和Java 中類庫(kù)的設(shè)計(jì)理念。具有安全、穩(wěn)定、簡(jiǎn)單、規(guī)范等特點(diǎn)，尤其適用于桌面端程序的開發(fā)。借助于微軟公司優(yōu)秀的IDE(集成開發(fā)環(huán)境)—Visual Studio，設(shè)計(jì)者可以快速地搭建具有良好界面的桌面端軟件[4]。因此，選擇C#編程語(yǔ)言進(jìn)行可視化交互界面的構(gòu)建。

2 參數(shù)化有限元分析的流程

索道桁架的參數(shù)化有限元分析工作，需要終端程序具有精準(zhǔn)性、高效性、開放性、實(shí)用性等特點(diǎn)。因此，二次開發(fā)工具的參數(shù)化建模分析主要實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：第一步，通過(guò)C#編程語(yǔ)言構(gòu)建可視化的用戶輸入界面；第二步，根據(jù)用戶輸入的結(jié)構(gòu)尺寸、荷載信息、約束條件等參數(shù)生成各個(gè)工況下的APDL 命令流模板；第三步，程序啟動(dòng)Ansys，導(dǎo)入APDL 命令流模板文件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。圖2 為桁架結(jié)構(gòu)參數(shù)化有限元分析的具體流程圖。

圖2 參數(shù)化有限元分析的流程圖

3 參數(shù)化有限元分析的程序?qū)崿F(xiàn)

3.1 參數(shù)輸入可視化用戶界面設(shè)計(jì)

WinForm(Windows Form)，是一種基于.NET Framework平臺(tái)的客戶端（PC 軟件）開發(fā)技術(shù)，設(shè)計(jì)者可以輕易地創(chuàng)建Windows 窗體應(yīng)用程序。它是C#語(yǔ)言的一個(gè)重要應(yīng)用，也是C#最常見(jiàn)的應(yīng)用[5]。WinForm 窗體提供了一套豐富的、封裝好的控件，開發(fā)人員可以通過(guò)拖動(dòng)控件的方式靈活地創(chuàng)建各種命令窗口、按鈕、菜單等屏幕元素。

在本套參數(shù)化有限元分析工具信息交互可視化界面的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，主要利用WinForm 自帶的TextBox 和ComboBox 控件進(jìn)行尺寸信息、荷載參數(shù)、基本風(fēng)壓等基礎(chǔ)信息的錄入。同時(shí)，為了便于多工況下復(fù)雜荷載的快速錄入，在本套程序界面中增加了DataGridView 控件用于顯示荷載信息，通過(guò)點(diǎn)擊相應(yīng)的Button 按鈕，程序可打開資源瀏覽器，在用戶選擇相應(yīng)的荷載計(jì)算文件后，自動(dòng)讀取桁架荷載，并在用戶界面顯示。整個(gè)可視化用戶界面如圖3 所示。

圖3 參數(shù)化有限元分析二次開發(fā)工具用戶界面

3.2 設(shè)計(jì)參數(shù)的傳遞

桁架結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模，關(guān)鍵點(diǎn)在于如何將分析模型的主要參數(shù)信息由用戶界面?zhèn)鬟f給Ansys。即將用戶界面的信息轉(zhuǎn)換成可被Ansys 識(shí)別讀取的APDL 語(yǔ)言。

本套參數(shù)化有限元分析二次開發(fā)工具主要運(yùn)用C#中的StreamWrite 和StreamReader 類進(jìn)行參數(shù)文件的控制和輸出。StreamWrite 和StreamReader 類是.NET 框架提供給開發(fā)者封裝好的用于文件流讀寫的類庫(kù)。運(yùn)用StreamReader 類中的WriteLine()方法，可快速輸出APDL 語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)對(duì)APDL 命令流的封裝。最后，通過(guò)FileStream 類，實(shí)現(xiàn)在指定路徑文件夾下各工況下Txt格式APDL 文檔的輸出，如圖4 所示。其核心代碼為：

圖4 APDL 文件模板輸出窗口示意圖

3.3 參數(shù)化建模

單個(gè)桁架模型最主要的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)包括桁架高度、柱腳間距、各截圓管直徑、支撐件截面尺寸等。對(duì)不同高度的桁架，將桁架高度作為主參數(shù)，通過(guò)桁架構(gòu)件間的固定角度，制定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)則，通過(guò)尺寸驅(qū)動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)不同高度桁架結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模。在具體的建模指令中，可簡(jiǎn)化部分對(duì)分析影響較小的模型特征，減少建模的工作量。

對(duì)桁架結(jié)構(gòu)，在Ansys 中主要通過(guò)定義關(guān)鍵點(diǎn)KeyPpoint，生成相應(yīng)的線Line，最后生成實(shí)體模型，如圖5 所示。

圖5 桁架實(shí)體模型圖

APDL 示例語(yǔ)句如下：

3.4 單元選擇和網(wǎng)格劃分

有限元模型分析的重要前提是單元的選擇及網(wǎng)格的劃分。桁架結(jié)構(gòu)中的主要構(gòu)件均屬于長(zhǎng)度大、截面小的狹長(zhǎng)形構(gòu)件，其橫截面的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于桿件的長(zhǎng)度。因此，本二次開發(fā)程序在對(duì)APDL的封裝中，主要選擇Beam 188 梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。同時(shí)，如果用戶采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行有限元分析，就可以通過(guò)SECTYPE,SECID,Beam,Subtype,,0 命令方便地定義各個(gè)構(gòu)件截面。再通過(guò)MPDATA 命令定義材料彈性模量、泊松比、密度等參數(shù)，完成以上工作后，即可以進(jìn)行網(wǎng)格的劃分工作。

本程序選擇Smartsize 方式進(jìn)行網(wǎng)格智能控制。其主要APDL 語(yǔ)句如下：

3.5 約束和荷載

桁架結(jié)構(gòu)中的4 個(gè)支腿法蘭通過(guò)地腳螺栓同基礎(chǔ)預(yù)埋件進(jìn)行緊固連接，故可將4 個(gè)支腿設(shè)定為固定約束；桁架本身主要承受風(fēng)荷載以及塔柱頂部傳來(lái)的集中荷載。這兩個(gè)步驟的設(shè)置同樣可以通過(guò)APDL的賦值命令完成。其主要APDL 語(yǔ)句為：

3.6 求解

在完成上述步驟后，Ansys 導(dǎo)入APDL 命令流模板，通過(guò)Slove 命令，即可進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。本二次開發(fā)工具可以自動(dòng)調(diào)用打開Ansys 軟件，并且在APDL 模板的封裝中同樣嵌入了求解命令。因此在點(diǎn)擊生成命令流命令后，再點(diǎn)擊打開Ansys 即可以自動(dòng)進(jìn)行求解。

4 工程實(shí)例

以參與設(shè)計(jì)的某脫掛索道線路支架為例，運(yùn)用參數(shù)化有限元分析二次開發(fā)工具，進(jìn)行桁架的有限元分析。

該桁架為某景區(qū)脫掛索道項(xiàng)目線路中的3 號(hào)支架。該索道線路全長(zhǎng)3 430 m，上下站高差440 m，共設(shè)23個(gè)支架。同時(shí)整個(gè)線路中存在多個(gè)大跨。線路中多個(gè)支架采用了桁架形式。其中3 號(hào)支架高為27 m，且為索輪組為壓索，受力較大，故以該桁架為例進(jìn)行二次開發(fā)工具的校核。

索道支架受力工況多樣，僅單一桁架，就需要進(jìn)行重上重下、重上空下、空上重下、空上空下、施工工況共6 種工況的分析計(jì)算。首先通過(guò)傳統(tǒng)的Ansys GUI 界面對(duì)該桁架進(jìn)行了建模計(jì)算，再通過(guò)二次開發(fā)工具進(jìn)行計(jì)算，兩者建模及計(jì)算結(jié)果完全相同，進(jìn)一步驗(yàn)證了二次開發(fā)工具的準(zhǔn)確性。解決了傳統(tǒng)Ansys GUI 界面建模易出錯(cuò)，且浪費(fèi)時(shí)間的問(wèn)題。

該脫掛索道項(xiàng)目涉及5 個(gè)桁架，共計(jì)30 種工況，因此對(duì)該項(xiàng)目，均采用了二次開發(fā)工具對(duì)桁架進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計(jì)。圖6 為通過(guò)參數(shù)化二次開發(fā)工具進(jìn)行有限元分析的3 號(hào)桁架重上重下工況下的受力變形云圖。

圖6 某桁架重上重下工況有限元變形受力云圖

5 結(jié)語(yǔ)

基于C#編程語(yǔ)言，通過(guò)建立可視化的輸入界面，結(jié)合對(duì)APDL 語(yǔ)言的封裝和文本快速生成，實(shí)現(xiàn)了索道桁架結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模及分析。桁架結(jié)構(gòu)參數(shù)化有限元分析二次開發(fā)工具操作簡(jiǎn)單、界面友好、使用可靠。對(duì)體型復(fù)雜的桁架結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)者只需輸入相應(yīng)參數(shù)，就可以自動(dòng)完成結(jié)構(gòu)的有限元分析工作。這不僅給不熟悉Ansys的設(shè)計(jì)者提供了一種簡(jiǎn)便的分析手段，更大大減少了桁架設(shè)計(jì)過(guò)程中的重復(fù)性勞動(dòng)，提高了工作效率，使得設(shè)計(jì)者可以把更多地精力專注于線路方案的調(diào)整和結(jié)構(gòu)本身的優(yōu)化中。