王韜杰

(天津大學建筑工程學院　天津　300072)

變截面箱梁ANSYS前處理程序開發(fā)與應用

王韜杰

(天津大學建筑工程學院天津300072)

摘要基于通用有限元分析平臺ANSYS，利用計算機輔助設計軟件AutoCAD，以及Fortran程序，設計了將變截面箱梁幾何信息轉(zhuǎn)換為ANSYS前處理命令流，從而進行快速網(wǎng)格剖分的程序。該程序具有生成高質(zhì)量六面體網(wǎng)格，以及根據(jù)用戶需要隨意調(diào)整網(wǎng)格密度的功能，在保證網(wǎng)格精度的前提下節(jié)約了有限元建模時間，提高了計算效率。運用該程序?qū)δ炒笮瓦B續(xù)剛構(gòu)拱橋進行了局部有限元分析。

關鍵詞程序設計有限單元法網(wǎng)格劃分

混凝土箱梁廣泛應用于簡支梁、懸臂梁、連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)、斜拉橋等各種橋梁結(jié)構(gòu)中。當有三向預應力，以及偏心荷載作用下，箱梁結(jié)構(gòu)受力復雜，表現(xiàn)出明顯的空間效應[1-2]，此時，一般的平面桿系程序已經(jīng)很難正確反應橋梁的受力狀況，需采用實體單元進行分析[3-4]。然而采用通用有限元軟件建模分析時，往往大部分時間都消耗在幾何建模，以及有限元網(wǎng)格的劃分上[5-6]，特別是對于變截面箱梁而言，截面高度及腹板厚度等在縱橋向都是變化的，建立幾何模型，以及劃分高質(zhì)量的網(wǎng)格的復雜程度較高。針對上述問題，基于業(yè)內(nèi)被廣泛接受的通用有限元分析平臺ANSYS，通過分析AutoCAD的文件儲存結(jié)構(gòu)，并借助Fortran程序，設計了將變截面箱梁幾何信息快速轉(zhuǎn)換為前處理命令流，從而進行快速網(wǎng)格剖分的程序，最大程度地提高變截面箱梁的實體分析效率。

1CAD數(shù)據(jù)文件分析

AutoCAD是一款應用最為廣泛的計算機輔助設計軟件，它提供了圖形輸入、編輯和輸出的一個完整的工作環(huán)境，國內(nèi)大部分的橋梁結(jié)構(gòu)設計制圖都是基于該平臺完成的。AutoCAD文件最終可儲存為DWG與DXF 2種常用格式。其中，DWG文件格式是以二進制格式儲存的，如果想要直接讀取文件數(shù)據(jù)難度較大，除非借助于授權的兼容技術。而且由于版本的更新問題，使其中的信息存儲對于外界來講處于一種相對無序狀態(tài)，難以實現(xiàn)圖形數(shù)據(jù)的高效利用。而DXF文件是一種開放的矢量數(shù)據(jù)格式，由很多的“代碼”和“值”組成的“數(shù)據(jù)對”構(gòu)造而成的，結(jié)構(gòu)清晰，數(shù)據(jù)無失真，因此可以使用Fortran程序直接讀取相應連續(xù)箱梁截面的DXF文件來儲存關鍵點數(shù)據(jù)[7]。

2基于Fortran的程序?qū)崿F(xiàn)

通過DXF文件幾何信息來生成模型的過程主要包括以下幾個步驟：橫截面定義，橫截面單元密度控制，縱橋向單元密度控制，橫隔板選擇，單元生成。可生成的箱梁類型包括：等截面箱梁，變截面箱梁以及等截面、變截面帶橫隔板箱梁。

2.1　橫截面定義以及橫截面單元密度控制

箱梁截面的外形基本上由頂板、底板、腹板以及梗腋這幾部分組成[8]，箱室可以是單箱單室的，也可以是單箱多室的。考慮到上述箱形截面組成的特點，綜合在有限元分析中六面體單元的形成方法，在AutoCAD中對箱形斷面進行預處理，把截面分成如圖1所示的多個四邊形。通過與DXF文件數(shù)據(jù)的交互，讀入每個四邊形的特征點從而確定整個截面的形狀。

圖1　通過特征點定義截面尺寸

在進行過截面與處理之后，定義每一個相互獨立、互不關聯(lián)四邊形邊線，稱之為特征邊，將其定義為豎向特征邊h1~h3及橫向特征邊b1~b13，如圖1所示。同時，需指定各特征邊的單元劃分份數(shù)，即定義單元密度，類似在ANSYS前處理網(wǎng)格劃分中的指定線的劃分份數(shù)。這里需要說明的是，通常的箱型截面均可按照圖1的方式定義特征邊，得到的網(wǎng)格質(zhì)量與在ANSYS前處理中采用幾何實體切割與映射網(wǎng)格劃分的質(zhì)量基本一致，可最大程度地保證有限元計算精度。但也有部分截面由于其特殊的幾何尺寸，尤其是邊腹板傾角的差異，會導致部分網(wǎng)格偏斜度(skew)太大，嚴重影響Jacobian矩陣性質(zhì)從而使求解精度降低，此時可以通過細分特征邊個數(shù)來解決。例如由邊腹板傾角引起時，可將豎向特征邊h2細分為3份，從而實現(xiàn)網(wǎng)格形狀的過渡。

獲得了上述特征點的坐標值以及特征邊的單元劃分份數(shù)后，可以在每個四邊形內(nèi)進行線性插值，得到四邊形內(nèi)的各節(jié)點的坐標值，至此，關于箱形截面‘面單元’的節(jié)點坐標已經(jīng)全部得到了。

2.2　縱橋向單元密度與橫隔板選擇

由于變截面箱梁在縱橋向梁高、頂?shù)装搴穸燃案拱搴穸榷际亲兓?，且梁底曲線按二次拋物線變化，建模難度大。本程序采用分段以直代曲的處理方法，以分段澆筑中的箱梁節(jié)段為單位，將對應節(jié)段的兩端斷面指定為控制斷面，于是，在獲得了前后2個控制斷面‘面單元’的節(jié)點坐標之后，進行“拉伸”、“放樣”操作，即由控制斷面的面單元坐標點生成6面體單元的8個節(jié)點坐標。此時，節(jié)點縱坐標的生成方法可分為有橫隔板與無橫隔板2種。

當箱梁斷面不設橫隔板時，程序采取在2個控制斷面之間等距差值生成節(jié)點縱向坐標的方法。這種處理方法不但程序?qū)崿F(xiàn)簡單，而且可以方便地控制縱橋向劃分份數(shù)，使得六面體單元3個方向的尺寸差距不至于太大而生成畸形的單元，從而保證了求解的精度。

當箱梁帶有橫隔板時，由于橫隔板的存在，在節(jié)點縱坐標生成時采取不同的插值方法。如圖2。

圖2　由控制斷面生成中間節(jié)點

假設在c，d點之間結(jié)構(gòu)有橫隔板存在，則在2個控制斷面間應預先定出橫隔板距離兩端的尺寸，可采取輸入坐標相對值或者絕對值的方法。實際上，由于在通常橋梁設計中，大多數(shù)的橫隔板分布都是等間距的，因此只需在主程序中引入橫隔板與第一控制斷面距離比的全局變量即可，這在一定程度上簡化了計算。橫隔板網(wǎng)格的劃分同樣按照上述特征邊的劃分原則進行，在此不再贅述。

2.3　單元的生成

依照上述步驟，在執(zhí)行AutoCAD箱梁控制截面文件的預處理、幾何信息讀入以及縱橋向參數(shù)設定以后，程序?qū)⒆詣铀愕盟泄?jié)點的三維坐標值。隨后，按有限單元法約定的順序，逆時針或順時針給節(jié)點進行編號，遵循ANSYS命令流的數(shù)據(jù)格式自動生成命令行，最后運行該命令即可生成結(jié)構(gòu)分析所需的三維實體單元。整個過程避免了幾何模型建立以及為追求高質(zhì)量六面體網(wǎng)格而進行的實體剖分的繁瑣步驟，程序流程圖見圖3。

圖3　程序流程圖

3程序應用實例

3.1　結(jié)構(gòu)概況及網(wǎng)格劃分

襄陽漢江五橋為一大型連續(xù)剛構(gòu)拱橋，其立面示意見圖4，結(jié)構(gòu)構(gòu)造復雜，特別是拱腳和0號塊是結(jié)構(gòu)設計的關鍵部位，其受力性能對全橋承載能力和跨越能力至關重要，因此要對拱腳處進行局部有限元分析。利用圣維南原理以及對稱邊界條件，從遠離拱腳處的4號塊開始向0號塊建立混凝土箱梁部分的1/4模型。

圖4　襄陽漢江五橋立面圖 (單位：m)

主梁采用變高度預應力混凝土連續(xù)箱梁，大懸臂斜腹板單箱三室截面。箱梁整體寬度為36.5 m，4號塊截面高度為5.743 m，箱梁根部高7.7 m，梁底曲線按二次拋物線變化，箱梁底寬隨梁高變化，由4號塊的18.646 m漸變至根部的17.746 m；箱梁外側(cè)大懸臂長7 m，沿縱向每3 m設1道加勁橫梁，橫梁腹板厚30 cm，僅在吊索錨固中室處橫梁腹板局部加厚至45 cm；箱梁頂板厚25 cm，底板厚度由4號塊的85.5 cm變厚至120 cm；在此區(qū)段內(nèi)，邊腹板厚度為120 cm，中腹板厚度為100 cm。

根據(jù)上述變截面箱梁的幾何信息，利用本文的程序，將1/2箱梁截面分割為21個控制斷面，見圖5。輸入斷面的空間豎曲線坐標、平面單元密度信息、縱橋向單元密度等，即可輸出所有節(jié)點以及單元的命令流文件。將結(jié)果文件導入ANSYS，即可快速生成局部三維的實體模型，經(jīng)由本文程序所劃分的網(wǎng)格整體質(zhì)量較好，大多數(shù)的網(wǎng)格均是形狀規(guī)整的六面體，對于帶橫隔板的情況處理也較為理想。

圖5　箱梁控制斷面的劃分

3.2　計算結(jié)果

分析對象主要由預應力鋼筋、鋼拱肋及混凝土箱梁3部分組成。預應力鋼筋及鋼拱肋部分幾何構(gòu)造較為復雜，因此采用的是傳統(tǒng)的手工建模方法，剩余混凝土箱梁部分采用的上述由本文程序所建立的有限元模型，兩者通過約束方程實現(xiàn)自由度協(xié)調(diào)，最終計算結(jié)果見圖6、圖7。

圖6結(jié)構(gòu)豎向位移云圖圖7零號塊第一主應力云圖

結(jié)構(gòu)整體豎向位移見圖6，成橋狀態(tài)下，混凝土箱梁部分最大位移在向下4.4~6.6 mm之間，位移絕對值較小。箱梁零號塊第一主應力結(jié)果如圖7所示，在剔除因預應力節(jié)點耦合等產(chǎn)生的應力集中結(jié)果之后，第一主應力整體處于-3.79~1.92 MPa之間，零號塊中室頂板、箱梁與橫隔板交界處第一主應力值較高。因主梁，墩身均采用C55混凝土，抗拉設計強度為1.89 MPa，故局部超出設計混凝土設計抗拉強度，需引起重視。

4結(jié)語

根據(jù)變截面箱梁有限元實體分析的特點，有針對性地設計了一套網(wǎng)格劃分程序，實際運用效果表明，該程序可大大提高變截面箱梁分析的前處理效率，并且劃分的網(wǎng)格質(zhì)量較好，適合類似混凝土箱梁的有限元分析。下一步，計劃重點研究預應力鋼筋的快速建模及自由度協(xié)調(diào)，以及荷載和邊界條件施加集成這兩方面的工作，使程序能面向更一般的預應力混凝土箱梁的實體分析工作。

參考文獻

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Development and Application of ANSYS

Preprocess Program of Box Girder with Varying Depth

WangTaojie

(School of Architectural Engineering,Tianjin University, Tianjin 300072, China)

Abstract：A program is developed which can turn the geometric information of box girder with varying depth into ANSYS preprocess command flow, using AutoCAD and Visual Fortran program. This program can produce the high quality hexahedron mesh and adjust the grid density according to user's needs well. This program will save the time of finite element modeling and improve the design calculation efficiency in the premise of the calculation accuracy. Finally, a detailed finite element analysis of a large continuous rigid frame arch bridge is presented with the help of this program.

Key words:program design; finite element method; meshing

收稿日期：2015-09-21

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.06.008