針對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)化分析的軟件轉(zhuǎn)換接口開發(fā)與實(shí)例驗(yàn)證

于文山

（中鐵建大橋工程局集團(tuán)第一工程有限公司 遼寧大連 116033）

0 引言

近年來，多軟件協(xié)同建模求解開始呈現(xiàn)出越來越明顯的趨勢(shì)，結(jié)合強(qiáng)大的前處理工具、高效準(zhǔn)確的求解以及后處理軟件對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)化分析，已成為土木領(lǐng)域在進(jìn)行有限元分析時(shí)的常用方法。國(guó)內(nèi)外學(xué)者王小松［1?2］、鄭鴻飛［3］、余永強(qiáng)［4］、謝世坤［5］、張?jiān)聫?qiáng)［6］、Richard Crozier［7］、Finnigan P M［8］、Khan Z H［9］和Yaghoobi M［10］等人在這方面進(jìn)行了研究和探討。

ANSYS 是美國(guó)ANSYS 公司開發(fā)的一款有限元分析軟件，它可以求解結(jié)構(gòu)、電磁場(chǎng)、流體、碰撞和多場(chǎng)耦合等問題，目前在土木工程、電子工程、汽車工程和航空航天等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。但是，與繪圖軟件AU?TO CAD 相比，其幾何建模效率較低，與有限元分析軟件MIDAS NFX 相比，其網(wǎng)格劃分速度和網(wǎng)格質(zhì)量呈現(xiàn)劣勢(shì)。對(duì)于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，在保證網(wǎng)格質(zhì)量的前提下，若沒有高性能處理器和足夠大的內(nèi)存支持，AN?SYS甚至無法完成網(wǎng)格劃分。

目前市面上網(wǎng)格劃分工具較多，常見的有ICEM、Autodesk Simulation、Midas NFX、Hypermesh、Gambit等。前3 種軟件采用了混合網(wǎng)格技術(shù)，且在網(wǎng)格劃分質(zhì)量和劃分速度方面要優(yōu)于后兩種，同時(shí)，較于前兩者，Midas NFX 在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)、網(wǎng)格控制、網(wǎng)格檢查和操作界面友好性方面又表現(xiàn)出極大優(yōu)勢(shì)。為此，基于MIDAS NFX，開發(fā)了NMTA（NFX Mesh To ANSYS）程序接口，實(shí)現(xiàn)將MIDAS NFX 軟件的有限元模型快速導(dǎo)入ANSYS軟件的功能，從而提高有限元計(jì)算時(shí)的前處理效率。

1 NMTA軟件轉(zhuǎn)換接口介紹

1.1 軟件開發(fā)

NMTA 基于Visual Basic.NET 進(jìn)行開發(fā)，主要包括節(jié)點(diǎn)讀取與識(shí)別模塊、單元讀取模塊、單元分析模塊、材料定義模塊與ANSYS APDL 命令流輸出模塊。以單元分析模塊為例，其主要包括提取單元材料編號(hào)和截面編號(hào)，構(gòu)建單元材料列表和截面列表兩部分，部分相關(guān)代碼如下：

1.2 軟件界面介紹

NMTA 軟件界面由主菜單、信息輸入模塊、APDL命令流輸出模塊和模型相關(guān)信息顯示模塊4 部分組成，如圖1 所示。其中，主菜單包括文件的打開和保存、材料和截面屬性的定義、操作說明和軟件基本信息，信息輸入模塊主要實(shí)現(xiàn)導(dǎo)入NFX有限元模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)和單元數(shù)據(jù)，APDL 命令流輸出模塊可實(shí)現(xiàn)ANSYS APDL 命令流的生成和輸出，模型相關(guān)信息顯示模塊可自動(dòng)更新有限元的節(jié)點(diǎn)和單元數(shù)量等內(nèi)容。

圖1 NMTA軟件界面Fig.1 NMTA Software Interface

NMTA 程序接口可以自動(dòng)識(shí)別并定義MIDAS NFX 和ANSYS 的單元類型、材料信息和截面信息，目前版本支持的單元類型有12種，具體如表1所示。

表1 NMTA程序接口支持的單元類型Tab.1 The Type of Unit Supported by the NMTA Program Interface

2 轉(zhuǎn)換接口實(shí)例驗(yàn)證

為驗(yàn)證NMTA 程序的正確性和可行性，選取鋼錨梁結(jié)構(gòu)和彈簧結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證。

2.1 工程實(shí)例1：鋼錨箱的計(jì)算分析

鋼錨箱是橋梁工程中錨固拉索的一種結(jié)構(gòu)，它通常由扣索張拉端箱體、背索張拉端箱體和錨梁三部分組成，其內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，直接在ANSYS 中建模較為困難?；贛IDAS NFX 完成該鋼錨梁的幾何建模、網(wǎng)格劃分和材料定義等工作，單元類型采用8 節(jié)點(diǎn)二次四邊形和6節(jié)點(diǎn)二次三角形，然后調(diào)用NMTA程序，將MIDAS NFX 有限元模型直接導(dǎo)入ANSYS 軟件，某大橋施工階段采用的鋼錨梁在兩種軟件中的有限元模型如圖2所示。

將拉索力和自重荷載施加在圖2所示的兩個(gè)有限元模型上，得到結(jié)構(gòu)的位移云圖和應(yīng)力云圖如圖3 和圖4所示，數(shù)值結(jié)果如表2所示。

圖2 MIDAS NFX與ANSYS中鋼錨梁有限元模型Fig.2 Finite Element Model of Steel Anchor Beams in MIDAS NFX and ANSYS

圖3 鋼錨梁位移結(jié)果Fig.3 Displacement Results of Steel Anchor Beams （m）

圖4 鋼錨梁應(yīng)力結(jié)果Fig.4 Stress Result of Steel Anchor Beam （Pa）

表2 鋼錨梁在NFX和ANSYS中的計(jì)算結(jié)果對(duì)比Tab.2 Comparison of Calculation Results of Steel Anchor Beams in NFX and ANSYS

從上面的結(jié)果可以看出，鋼錨梁在兩個(gè)軟件中的變形和應(yīng)力分布基本一致，其中鋼錨梁在MIDAS NFX中的最大位移為2.20×10?5m，在ANSYS 中的最大位移為2.18×10?5m，相對(duì)誤差為1.80%，且都發(fā)生在兩個(gè)鋼錨箱中間的錨梁上；在應(yīng)力方面，MIDAS NFX 和AN?SYS 給出的結(jié)果分別為3.83 MPa 和3.76 MPa，相對(duì)誤差為1.83%，證明了NMTA程序的正確性和可行性。

2.2 工程實(shí)例2：彈簧結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析

MIDAS NFX 中建立的有限元模型如圖5?所示，單元類型為二次六面體單元。通過NMTA 程序，將其導(dǎo)入ANSYS軟件，得到圖5?所示的有限元模型。

圖5 彈簧結(jié)構(gòu)的有限元模型Fig.5 Finite Element Model of Spring Structure

針對(duì)上面的模型，分別在彈簧底部施加相同大小的集中力，得到結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖和位移云圖如圖6 和圖7所示，數(shù)值結(jié)果如表3所示。

表3 彈簧結(jié)構(gòu)在MIDAS NFX和ANSYS中的計(jì)算結(jié)果對(duì)比Tab.3 Comparison of the Calculation Results of the Spring Structure in the MIDAS NFX and ANSYS

圖6 彈簧結(jié)構(gòu)位移結(jié)果Fig.6 Displacement Results of Spring Structures (m)

圖7 彈簧結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果Fig.7 Stress Result of Spring Structure （Pa）

從上面的結(jié)果可知，彈簧結(jié)構(gòu)在兩個(gè)軟件中的變形和應(yīng)力分布基本一致，MIDAS NFX中的最大位移為1.63×10?2m，ANSYS中的最大位移同樣為1.63×10?2m，相對(duì)誤差為0.00%；在應(yīng)力方面，MIDAS NFX 和AN?SYS 給出的結(jié)果分別為1.27 MPa 和1.30 MPa，相對(duì)誤差為2.36%，證明了NMTA程序的正確性和可行性。

3 結(jié)論

NMTA 程序有效地結(jié)合了MIDAS NFX 軟件方便快捷的前處理功能和ANSYS軟件強(qiáng)大的計(jì)算能力，通過鋼錨梁結(jié)構(gòu)和彈簧結(jié)構(gòu)實(shí)例，驗(yàn)證了該程序的準(zhǔn)確性和可行性，提高了復(fù)雜結(jié)構(gòu)前處理過程中的建模效率，增加了結(jié)構(gòu)分析的工具和手段。