基于C#語言的ABAQUS二次開發(fā)及其在邊坡穩(wěn)定性計算中的應(yīng)用

吳子牛 王莎 盧欣奇

摘要：ABAQUS軟件界面操作復(fù)雜，且前后數(shù)據(jù)處理需花費大量時間，針對以上問題，采用C#語言對ABAQUS進(jìn)行二次開發(fā)，突破傳統(tǒng)的單純使用Python腳本配合ABAQUS內(nèi)置GUI插件工具箱開發(fā)的局限性，利用C#語言編寫程序，直接調(diào)用ABAQUS求解器，實現(xiàn)在不打開軟件界面的情況下進(jìn)行計算并讀取結(jié)果，并將強度折減系數(shù)顯示在WinForm窗體程序上。開發(fā)后的系統(tǒng)大大簡化了ABAQUS中求解特定巖土邊坡工程問題的復(fù)雜操作，降低了軟件操作難度。

關(guān)鍵詞：ABAQUS;二次開發(fā);C#語言;邊坡穩(wěn)定性;強度折減法

中圖分類號：TD76

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-1277（2022）02-0061-04

doi：10.11792/hj20220211

引 言

邊坡是巖土工程的重要組成部分，對邊坡穩(wěn)定性分析的研究歷來是巖土工程界的重點和難點課題。隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，基于有限單元法的強度折減技術(shù)在邊坡穩(wěn)定性分析中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。ABAQUS作為大型通用有限元分析軟件的一種，在求解非線性問題方面十分優(yōu)秀，在模擬巖土工程高度非線性問題中，具有優(yōu)秀的分析能力和模擬復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性。因此，工程界常將ABAQUS用于巖土工程的邊坡問題分析[2]。

雖然ABAQUS擁有強大的計算分析功能，但其在實際應(yīng)用過程中卻對操作人員的經(jīng)驗技巧有一定的要求。首先，ABAQUS操作建模界面非常復(fù)雜，操作十分繁瑣，前處理需要花費大量時間;其次，由于其計算結(jié)果種類眾多，顯示類型豐富，提取所需結(jié)果需要大量后處理操作?；谝陨蟽牲c，導(dǎo)致大部分初學(xué)者無法在短時間內(nèi)熟練操作軟件，同時在實際工程應(yīng)用中也需要花費大量的時間用于各類參數(shù)調(diào)整。

對于上述在計算前后數(shù)據(jù)處理時遇到的問題，本文探討利用C#語言和WinForm窗體程序，配合ABAQUS優(yōu)秀的二次開發(fā)特性，編寫開發(fā)友好的圖形用戶界面，簡化利用ABAQUS進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析計算強度折減系數(shù)的操作，提升軟件易用性和便利性。

1 傳統(tǒng)ABAQUS二次開發(fā)簡介

ABAQUS僅提供了基于Python腳本的二次開發(fā)接口，其在繼承Python自身函數(shù)庫的基礎(chǔ)上，又對函數(shù)庫進(jìn)行了進(jìn)一步的擴展，使用戶通過操作調(diào)用這些函數(shù)，可以跳過ABAQUS/CEA界面直接操作其運算內(nèi)核，實現(xiàn)快速計算處理。由于選擇了Python語言作為操作腳本，ABAQUS軟件可以通過以下多種方式與自身內(nèi)核進(jìn)行交互：圖形用戶界面（GUI）、界面窗體下部命令行接口（CLI）、Python腳本（Script）[3-5]，命令流和ABAQUS/CEA內(nèi)核關(guān)系如圖1所示。

使用ABAQUS自帶的RSG對話框構(gòu)造器（RSG dialog Builder）創(chuàng)建ABAQUS GUI插件程序有其自身的局限性。首先，插件程序只是一個依附于ABAQUS/CEA界面的懸掛式工具，其使用仍然需要打開主軟件界面，同時由于ABAQUS軟件占用內(nèi)存較大，打開界面需要占用大量時間和電腦內(nèi)存，會降低提交計算分析的速度;其次，雖然ABAQUS可以編寫GUI插件程序簡化建模操作，但是對于初學(xué)者或是缺少相關(guān)領(lǐng)域?qū)I(yè)知識的非專業(yè)從業(yè)者來說，計算完成后的后處理及找到并提取需要的計算結(jié)果（如安全系數(shù)等）又是一大難點。

2 基于C#語言的ABAQUS二次開發(fā)

2.1 開發(fā)技術(shù)路線

C#是微軟公司開發(fā)的一種面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，用其編寫的WinForm窗體程序運行在Windows操作系統(tǒng)下，具有速度快、效率高等特點。結(jié)合傳統(tǒng)開發(fā)思路存在的問題和局限性，運用C#語言編寫WinForm窗體程序，跳過ABAQUS/CEA界面直接將建模參數(shù)傳送給ABAQUS求解器，從而實現(xiàn)只需要打開WinForm窗體程序，輸入用于建立邊坡模型的幾何和物理力學(xué)參數(shù)，通過計算就可以直接在窗體程序上顯示計算好的強度折減系數(shù)，達(dá)到不打開ABAQUS軟件也可操作其進(jìn)行模擬計算的目的，使本行業(yè)外的非專業(yè)人士也能操作專業(yè)模擬軟件。

由于ABAQUS只提供了Python語言的二次開發(fā)接口，沒有提供能夠利用C#語言在.NET平臺下開發(fā)設(shè)計的通用程序接口和函數(shù)。因此，核心問題就是解決使用C#語言編寫WinForm窗體程序和實現(xiàn)ABAQUS軟件數(shù)據(jù)通信。

在Windows操作系統(tǒng)下，打開ABAQUS軟件可以使用系統(tǒng)自帶的命令提示符cmd.exe，在Windows命令提示符的控制臺中輸入命令：Abaqus cae noGUI =*.py，即可直接命令A(yù)BAQUS軟件運行指定的Python腳本，同時不需要打開ABAQUS/CEA界面。因此，可以將Python腳本作為數(shù)據(jù)溝通的中間橋梁，使用C#語言編寫的WinForm窗體程序修改預(yù)設(shè)好的Python腳本模板，再通過調(diào)用計算機進(jìn)程，啟動命令控制符，控制ABAQUS軟件運行修改好的指定腳本代碼，計算結(jié)束后再將計算結(jié)果打印輸出到WinForm窗體程序上，軟件運行流程如圖2所示。

2.2 Python腳本編寫思路

將Python腳本文件作為數(shù)據(jù)交流的中間媒介，利用WinForm窗體程序把該腳本文件當(dāng)作文本文件，以字符串形式進(jìn)行讀寫修改。為了方便修改，可以將Python腳本文件中的代碼寫成一個函數(shù)，預(yù)留需要輸入的參數(shù)，后續(xù)可以直接在腳本文件最后添加運行特定參數(shù)的函數(shù)代碼，令A(yù)BAQUS讀取運行，便可計算得出結(jié)果，解決C#語言無法直接操作ABAQUS的問題。

所有Python代碼都寫在名為CalSafety_factor的函數(shù)中，函數(shù)參數(shù)包括：地基寬、地基高、邊坡下底寬、邊坡上底寬、邊坡高度、邊坡土體容重、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、彈性模量、泊松比。函數(shù)代碼主要包括7個部分：創(chuàng)建劃分模型，設(shè)置材料屬性，裝配，設(shè)置分析步，設(shè)置載荷邊界條件，網(wǎng)格劃分（內(nèi)置默認(rèn)：網(wǎng)格單元形狀（Element sharp）為四邊形（Quad），劃分技術(shù)（Technique）為掃略（sweep），網(wǎng)格寬度為1單位），任務(wù)和提交（內(nèi)置默認(rèn)：強度折減系數(shù)K取0.5～2）。

2.3 軟件編程思路和代碼

通過C#語言編寫的WinForm窗體程序，提供給使用者界面交互。通過預(yù)留文本框讓用戶輸入建模所需的幾何和物理力學(xué)參數(shù)。設(shè)置按鈕控件，通過按鈕的Button_Click點擊事件，觸發(fā)計算，最終將計算結(jié)果（強度折減系數(shù)）用label標(biāo)簽控件顯示在此界面上。

編程思路如下：

1）創(chuàng)建以Result命名的文件夾，在其中創(chuàng)建不同的以時間命名的文件夾，用于存放修改好的Python腳本和計算結(jié)果。通過用戶輸入數(shù)據(jù)給Python腳本模板中添加包含指定參數(shù)的代碼觸發(fā)函數(shù)運行，同時添加輸出結(jié)果的代碼，將計算結(jié)果（強度折減系數(shù)）打印在Python腳本文件最后的注釋中，最后將腳本存放在特定文件夾中。

2）通過創(chuàng)建Process類型對象啟動Windows命令控制臺程序。通過cmd.exe命令控制符找到指定文件夾中改寫好的文件，并通過Abaqus cae noGUI = *.py命令控制ABAQUS軟件運行指定腳本，進(jìn)行計算。

3）計算完成后，讀取打印在Python腳本文件注釋中的結(jié)果（強度折減系數(shù)），將其顯示在WinForm窗體程序的界面上。

3 邊坡穩(wěn)定性算例分析

3.1 強度折減有限元法基本原理

強度折減有限元法是由ZIENKIEWICZ等[6]提出的一種邊坡穩(wěn)定性分析方法，其基本原理是將邊坡強度參數(shù)中的初始內(nèi)聚力（C）和內(nèi)摩擦角（φ）同時除以一個強度折減系數(shù)（K），得到一組新的強度參數(shù)值;然后以這組新參數(shù)值作為輸入?yún)?shù)進(jìn)行有限元計算。通過不斷改變強度折減系數(shù)，反復(fù)代入，循環(huán)計算[7]，當(dāng)計算至邊坡達(dá)到極限平衡狀態(tài)時，對應(yīng)的強度折減系數(shù)值就可以認(rèn)為是邊坡的最小安全系數(shù)，發(fā)生破壞的滑動面就是最危險的滑動面。鄭宏等[8]討論了邊坡穩(wěn)定有限元分析中安全系數(shù)的定義問題，指出了強度折減有限元法的合理性。

折減后的邊坡強度參數(shù)中的初始內(nèi)聚力（C′）和內(nèi)摩擦角（φ′）可分別用式（1）、式（2）求得[6]。

3.2 可靠性驗證

此處選擇的算例是DAWSON等[9]（1999）分析的一個均質(zhì)邊坡。確定以下參數(shù)：地基寬（Foundation_Length），地基高（Foundation_Height），邊坡上底寬（slope_topLen），邊坡下底寬（slope_bottomLen），邊坡高度（slope_height），邊坡土體容重（Volumetric_weight），內(nèi)聚力（Cohesion），內(nèi)摩擦角，彈性模量（Elastic），泊松比（Poisson）。具體參數(shù)值如表1所示，邊坡幾何要素如圖3所示，其兩邊和底部有位移邊界。

通過啟動WinForm窗體程序，輸入指定參數(shù)，點擊計算，計算得出的強度折減系數(shù)顯示在軟件界面上，如圖4所示。

通過ABAQUS軟件自帶的云圖查看功能，檢驗計算結(jié)果的可靠性，計算最大塑性應(yīng)變分布云圖如圖5所示，場變量Fv1強度折減系數(shù)云圖如圖6所示。通過ABAQUS打開計算結(jié)果文件，查詢得知此算例在運行到第二個分析步的0.371 831 s時無法計算收斂，計算停止。由于強度折減系數(shù)的不斷迭代增大，導(dǎo)致邊坡強度參數(shù)中的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角逐漸減小，最終導(dǎo)致邊坡不穩(wěn)，發(fā)生滑坡。

結(jié)合云圖計算結(jié)果可知，滑裂面位置和形狀合理，安全系數(shù)計算結(jié)果近似等于1.0，與Dawson分析結(jié)果一致，因此，二次開發(fā)系統(tǒng)計算結(jié)果理想可靠。

4 結(jié) 語

本文針對ABAQUS軟件前、后處理復(fù)雜的問題，采用C#語言編寫WinForm窗體程序，通過計算機進(jìn)程啟動命令提示符達(dá)到對ABAQUS軟件的控制和調(diào)用，使其讀取指定的Python腳本，并實現(xiàn)計算結(jié)果直接在WinForm窗體程序界面顯示的功能。通過自編程序進(jìn)行二次開發(fā)，在計算巖土邊坡問題時，省略了打開ABAQUS軟件操作CEA界面的復(fù)雜過程，大大降低了有限元軟件的使用難度。

[參 考 文 獻(xiàn)]

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