基于APDL與MATLAB的橋梁結構混合建模方法

王立峰，尹傳軍，肖子旺，陳新培

(東北林業(yè)大學土木工程學院)

基于APDL與MATLAB的橋梁結構混合建模方法

王立峰，尹傳軍，肖子旺，陳新培

(東北林業(yè)大學土木工程學院)

摘 要:APDL與MATLAB混合建模方法的研究，實現(xiàn)了APDL與其他高級語言的數(shù)據(jù)共享與數(shù)據(jù)交換，彌補了ANSYS有限元分析軟件在建立復雜空間模型功能上的不足。此方法的研究能夠為橋梁工程技術人員提供更精確、更簡單的建模途徑，可減少建模和計算過程中的大量重復工作，大幅度節(jié)省了時間，提高工作效率，使ANSYS與MATLAB在有限元分析方面優(yōu)勢更明顯，更接近實際工程。

關鍵詞:ANSYS;APDL;MATLAB;混合建模;有限元

1 傳統(tǒng)的有限元建模方法

1.1 直接建立模型

直接建立模型，是根據(jù)橋梁結構的幾何外形、材料性質(zhì)、受力特點等劃分節(jié)點和單元，實現(xiàn)對實際結構的模擬。此方法對于小型或簡單模型的生成比較方便，利于用戶控制幾何形狀及每個節(jié)點和單元的編號。

但是，直接建模法面對復雜橋型的建模，需處理大量的數(shù)據(jù)，效率極低。而且不能用自適應網(wǎng)格劃分，不利于優(yōu)化設計。需要使用者留意劃分的每一個細節(jié)，來改進網(wǎng)格的劃分，十分乏味而且容易出錯。

1.2 創(chuàng)建實體模型

首先，通過關鍵點、線、面、體等要素建立橋梁結構的幾何外型;其次，對結構的實體模型進行網(wǎng)格劃分，建立有限元模型。

實體建模的方法適用于較復雜的三維模型，支持面、體以及布爾操作，需要處理的數(shù)據(jù)相對較少，幾何模型、單元類型、材料性質(zhì)的修改比較容易，不受分析模型的限制。實體建模的方法可以實現(xiàn)ANSYS程序的優(yōu)化設計和自適用網(wǎng)格的劃分，而且施加載荷之后，便于局部網(wǎng)格的細化。但實體建模的處理速度極慢，對于小型、簡單的橋梁模型有時很繁瑣，優(yōu)勢并不明顯。

1.3 與CAD系統(tǒng)交互創(chuàng)建模型

CAD是專業(yè)的繪圖軟件，具有完善的繪圖與圖形編輯功能，建模高效、精準，在土木工程中被廣泛應用。此外，CAD可以進行多種圖形格式的轉(zhuǎn)換，具有較強的數(shù)據(jù)交換能力以及通用性、易用性，是有限元軟件進行模型交互的首選。

但是，復雜的橋梁模型在CAD與有限元軟件之間的通用性還有待完善。首先，在復雜模型導入過程中，經(jīng)常發(fā)生部分模型數(shù)據(jù)丟失的情況。其次，完整的幾何信息的提取和模型重建過程比較繁雜，從CAD系統(tǒng)中輸入的模型若不適用網(wǎng)格劃分，則需要大量的幾何修補、簡化等工作，反而失去了模型交互的意義。

2 混合建模解析

2.1 APDL語言的應用

APDL(ANSYS Parametric Design Language)，即 ANSYS參數(shù)化設計語言，可以自動完成有限元常規(guī)分析的操作，以及通過參數(shù)化變量方式建立分析模型。APDL提供了一般程序語言的功能，程序的輸入可設定為根據(jù)指定的函數(shù)、變量以及選用的分析類型來做決定。APDL是一種解釋性語言并允許復雜數(shù)據(jù)的輸入，可以利用參數(shù)來建立模型，但要建立特定的復雜橋梁結構的模型，還是比較困難的，而且速度慢、效率低。

2.2 MATLAB的功能優(yōu)勢

復雜的純數(shù)字化計算正是MATLAB的強項，MATLAB是一個包含大量計算算法的集合，擁有600多個工程中可用到的數(shù)學運算函數(shù)，能夠方便的實現(xiàn)用戶所需的各種計算功能。MATLAB具有方便的數(shù)據(jù)可視化功能，可將向量和矩陣用圖形表現(xiàn)出來，實現(xiàn)復雜數(shù)據(jù)的圖像化，適用于科學計算和工程繪圖等領域。

MATLAB應用高級矩陣語言，包含控制語句、函數(shù)、數(shù)據(jù)結構、輸入輸出和面向?qū)ο缶幊痰忍攸c，更加貼近實際數(shù)學表達式的書寫格式，便于表達復雜橋型的數(shù)字方程，有利于非計算機專業(yè)人員的使用。而且，MATLAB語言的可移植性好、可拓展性極強，這是MATLAB能夠與ANSYS進行數(shù)據(jù)交互的重要原因。

2.3 ADPL與MATLAB語言的對比分析

利用ANSYS系統(tǒng)自帶的二次開發(fā)工具ANSYS Parametric Design Language(APDL)，即ANSYS參數(shù)設計語言繪制的一條(0—2π)的正弦曲線。

其APDL命令流為:

利用MATLAB的函數(shù)語言生成的(0—2π)的正弦曲線，其函數(shù)語言為:

通過對比，可以很直觀的看到MATLAB數(shù)字化建模功能的方便、快捷，僅三句函數(shù)語言就可替換APDL的數(shù)行命令。對于不可展的空間曲面結構的建模以及通過復雜曲面的數(shù)學表達式建模的情況下，這種優(yōu)勢將更加明顯。

2.4 混合建模的優(yōu)勢

APDL與MATLAB混合建模的思路，就是借助MATLAB，將任意復雜的橋梁結構模型數(shù)字化，并導入到ANSYS的方法，為ANSYS的數(shù)字化復雜模型的快速建立提供一個有效的途徑。

混合建模不僅可以改進ANSYS的APDL語言在純數(shù)字化建模中的不足，而且在完善ANSYS的計算功能上，也具有一定的作用。

具體方法是ANSYS做計算引擎，利用MATLAB強大的數(shù)據(jù)處理及可視化功能，以數(shù)據(jù)信息作為MATLAB與ANSYS之間的紐帶。在MATLAB中處理數(shù)據(jù)并傳遞至ANSYS進行橋梁材料信息的模擬、空間網(wǎng)格的劃分等計算，之后反饋至MATLAB進行分析處理，以彌補APDL在復雜模型建立方面的不足，改善ANSYS的數(shù)字化計算功能，實現(xiàn)聯(lián)合ANSYS和MATLAB進行復雜工程問題的數(shù)值仿真及優(yōu)化。

針對超靜定次數(shù)較高的大跨度橋梁結構體系的內(nèi)力設計、分析，采用APDL語言與MATLAB混合建模，實現(xiàn)對其數(shù)字化計算，可避免界面操作的重復性，而且可以推廣應用于其他類似結構，從而提高設計效率與精度。

利用MATLAB進行復雜的純數(shù)字化模型的建立，將模型數(shù)據(jù)信息導入到ANSYS是一項很有意義的研究工作，對提高有限元的前處理效率有著重要的意義。本方法對表面由數(shù)學表達式給出的復雜模型，比如異形橋塔、異形橋墩、異形拱等橋梁結構，結合ANSYS命令流文件，能夠快速的建立異形結構的有限元模型。為工程技術人員提供一條純數(shù)字化建立空間有限元模型的快車道。

3 ANSYS與MATLAB的其他交互功能

ANSYS與MATLAB的交互功能不僅僅限于復雜模型的建立，設計與施工過程的聯(lián)合仿真也是重要方面。MATLAB具有調(diào)用外部程序的功能，且ANSYS與MATLAB均可從外部文件讀寫數(shù)據(jù)，因此，可將外部數(shù)據(jù)文件作為聯(lián)系MATLAB和ANSYS的橋梁，從而實現(xiàn)聯(lián)合ANSYS與MATLAB進行橋梁結構有限元的數(shù)值仿真。若ANSYS作為子程序在MATLAB中調(diào)用，可采用如下命令:

System(“C:ProgramFilesAnsysIncv100ANSYSinintelANSYS100.exe”-b-iD:inp.vmlmac-o“D:out.txt”);

“C:ProgramFilesAnsysIncv90ANSYSinintelANSYS90”為ANSYS程序路徑;D:in.txt為ANSYS從外部文件讀入APDL命令流;D:out.txt為向外部文件輸出ANSYS程序運行信息。

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［1］劉桂榮.有限元實用教程［M］.湖南大學出版社，2004.

［2］周金萍，王冉，吳斌.MATLAB實踐與提高［M］.中國電力出版社，2002.

［3］李傳習，王俊，等.聯(lián)合ANSYS與MATLAB進行鋼箱梁頂推施工過程仿真優(yōu)化［J］.交通與計算機，2008，(6).

［4］謝剛，王小林.MATLAB與ANSYS數(shù)據(jù)接口的開發(fā)研究及應用［J］.機械工程與自動化，2005，(2):52-54.

中圖分類號:U448.2

C

1008-3383(2011)06-0187-01

收稿日期:2011-02-24

作者簡介:王立峰(1971-)，男，哈爾濱人，博士研究生，副教授，主要從事大跨度橋梁的健康監(jiān)測與診斷的教學與研究。