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2013-08-11 by:广州CAE有限元应用中心 来源:仿真在线
ANSYS软件平台的筏板基础设计程序开发技术
1 前言
大型筏板基础业已成为高层建筑的主要基础形式之一,但对于其理论的研究仍有待完善。目前,筏板基础的研究手段主要有:原型试验、模型试验和有限元分析方法。因地基土的物理力学性质离散性大,地基、基础和上部结构的作用复杂,原型试验和模型试验针对性较强,费用也较高,而有限元方法对筏板基础的整体分析却十分方便,大量的应用显示,有限元方法能较好的拟合实际工程试验情况。
筏板基础设计向导程序(Raft Foundation Design Guide简称RFDG)是以ANSYS为基础进行的二次开发程序。ANSYS的二次开发语言有很多,比如UIDL、APDL、TCL/TK、VC++、VB等等,均可以进行ANSYS的二次开发,并有自己的特点和适用范围。本程序选用APDL、TCL/TK、UIDL三种二次开发语言进行了筏板基础设计向导程序的开发。应用ANSYS提供的前后处理,以及求解功能,用其二次开发语言APDL编写建模、运算和后处理等功能。同时用TCL/TK界面设计语言编写RFDG的程序界面。并用UIDL语言设计ANSYS的Main Menu菜单。
TCL/TK是工具命令语言(Tool Command Language)的缩写,是常用的操作界面设计语言,而且简单易学,上手容易,是ANSYS界面开发的理想工具,该语言提供了与ANSYS的数据传递接口,同时他还能与其他应用软件接口,支持COM技术,比如可以将ANSYS的计算结果转到Excel,方便数据处理[1]。
APDL是ANSYS Parametric Design Language的缩写,即ANSYS参数化设计语言,是ANSYS的二次开发语言之一。利用APDL的程序语言与宏技术组织管理ANSYS的有限元分析命令,就可以实现参数化建模、施加参数化荷载与求解以及参数化后处理结果的显示,从而实现参数化有限元分析的全过程[2,3,4]。
UIDL的全名是User Interface Design Language。用户图形界面设计语言(UIDL)就是编写或改造ANSYS图形界面的专用设计语言,主要完成以下三种图形界面的设计:主菜单系统及菜单项、对话框、拾取对话框和帮助系统[5]。
2 筏板基础设计向导程序研究
2.1 筏板基础设计向导程序的任务
RFDG程序是针对平板式筏板基础础[6](或者可以简化成平板式筏板基础)开发的一个分析程序。该程序的主要功能是针对两排柱之间可以简化成对称结构的板带,进行基底的应力、应变和位移,以及整个地基在该剖面的应力、应变和位移场的分析。
2.2 筏板基础设计向导程序的功能
RFDG程序主要完成了一下五项功能:
(1)参数化建模
RFDG程序建立模型过程只须输入一些参数,而后就可以由程序自动生成ANSYS模型。由TCL/TK编写的界面给用户提供了一个良好的交互环境,方便参数的输入,同时对于输入的基本参数,RFDG程序会输出到指定的文件中方便用户检查及管理。
(2)地基土的分层处理
RFDG程序支持多层地基土材料的输入,但是由于实际地基土层数量是有限的,计算深度也是有限,所以控制了地基土的分层数量最大为12层。在这里,RFDG程序除了可以手工输入参数外,还支持从指定文件中导入参数。这样用户可以编写土层的力学参数文件,然后一次性输入到RFDG程序中。
(3)计算结果的输出
RFDG程序可以将预先定制的控制点的位移、应力和应变输出到固定的文本文件中,并且还可以将计算结果输入到Excel中,方便数据处理。对于图形输出方面,RFDG程序提供了一个快捷的功能,就是它可以将当前视图的等色图和等直线图一次输出,分别存为jpg和png两种格式。
(4)多步求解
在求解方面RFDG使用多荷载步求解,只须执行程序中的多步求解就可以自动完成求解过程。各步求解分别实现了自重作用下的计算及自重和外荷载同时作用下的计算,根据程序提供的后处理命令可以方便的求得荷载作用下的计算结果。
(5)子模型分析
除了上述功能外,RFDG程序还提供了子摸型的分析功能。
由上述五项功能的需求,将RFDG程序分成五个功能模块,即:RFDG前处理模块、RFDG求解模块、RFDG后处理模块、RFDG子模型分析模块和RFDG视图控制模块。
3 筏板基础设计向导程序与ANSYS二次开发
3.1 应用TCL/TK、APDL、UIDL进行ANSYS二次开发的基本过程
在调用TCL/TK编写的用户界面脚本文件时候,ANSYS将根据tclIndex文件中的内容搜索C:\Program Files \Ansys Inc\v80\ANSYS\gui\scripts目录下的脚本文件(假设安装目录在C盘),所以需要将用户自己编写的脚本文件拷贝到该目录下,同时更新tclIndex中的内容。
为了更新Main Menu中的内容,需要将相关的UIDL文件拷贝到C:\Program Files\Ansys Inc\v80\ANSYS\gui\en-us\UIDL目录中,ANSYS将根据mnulist80.ans中的内容搜索需要的命令。
ANSYS在执行宏文件时,将搜索目录C:\Program Files\Ansys Inc\v80\ANSYS\apdl和工作目录以及用户特殊指定的目录,为了使所有用户都能方便的使用RFDG程序的宏文件,所以将所有相关的宏文件均放到第一个目录下。
这样ANSYS就可以执行菜单、对话框以及APDL命令宏。
3.2 应用TCL/TK实现筏板基础设计向导的界面及菜单设计
在RFDG程序中所有由TCL/TK语言编写的界面及菜单代码均写入rfdg.tcl文件中。其中的30个过程均在RFDG一个名字空间下。分别完成了前述的5个模块中的各项功能,同时将ANSYS命令送出。
3.3 应用APDL实现筏板基础设计向导的模块功能
对于由APDL语言完成的功能,是将每个功能创建一个ANSYS宏文件,这样就可以通过使用调用ANSYS命令的方式来调用宏。并且每个宏文件只完成一个预定的功能。而对于一些简单的ANSYS功能则在TCL/TK中使用ans_sendcommand等命令来实现,并不建立单独的宏文件。RFDG程序共有13个宏文件,分别完成以下13个功能:创建地形块(rf_bc.mac)、创建土层(rf_tc.mac)、创建筏板(rf_rc.mac)、主要控制(rf_mc.mac)、多部求解(rf_sl.mac)、结果输出设定(rf_rost.mac)、结果输出1(rf_ro1.mac)、结果输出2(rf_ro2.mac)、结果输出3(rf_ro3.mac)、定义路径(rf_pd.mac)、子模型生产(sub_cut.mac)、子模型边界条件设定(sub_bs.mac)和子模型主要控制(sub_mc.mac)。
3.4 应用UIDL实现筏板基础设计向导的Main Menu设计
Main Menu下的由UIDL语言编写的菜单代码写入uimenu_rf.grn和uifunc_rf.grn两文件中。将RFDG菜单添加到原来的Main Menu下,如图2所示。通过其中的Activate RFDG Menu命令可以打开由TCL/TK编写的菜单。
4 用RFDG程序对某工程进行分析
某工程的筏板物理力学参数如表1,所受均布荷载为100kN/m2;地质资料如表2,选用D-P模型,基础计算宽度50米,计算深度45米。
表1 筏板的物理力学参数
|
厚度 (m) |
埋深 (m) |
宽度 (m) |
弹性模量 (MPa) |
泊松比 |
容重 (kN/m3) |
|
2.5 |
10 |
20 |
2.8×104 |
0.2 |
25 |
表2 某工程土层的物理力学参数
|
层号 |
层厚 (m) |
变形模量 (MPa) |
泊松比 |
容重 (kN/m3) |
内聚力 (KPa) |
内摩擦角 (o) |
|
1 |
2 |
5.5 |
0.3 |
18 |
10 |
15 |
|
2 |
1.5 |
6.0 |
0.39 |
19.5 |
50 |
24 |
|
3 |
2 |
21.0 |
0.3 |
19 |
0 |
35 |
|
4 |
13.5 |
30.0 |
0.3 |
19 |
0 |
40 |
|
5 |
1 |
6.2 |
0.39 |
19.5 |
50 |
22 |
|
6 |
1.5 |
23.0 |
0.3 |
19 |
0 |
36 |
|
7 |
23.5 |
35.0 |
0.3 |
19 |
0 |
40 |
应用RFDG程序对该工程进行分析计算,各步骤的计算结果如图9所示。可以很方便的得出整个基础的应力、应变和位移的等色图,以及基础底面的位移、应力和应变数据,且所有由RFDG程序输出的数据均可以快速的导入到Excel中。从计算的结果可以看出,在筏板板底边缘处出现应力集中现象,并且该处剪应力最大,筏板跨中下的地基垂直方向应力向下逐渐减小,垂直方向位移的最大值出现在跨中。可见其计算结果与传统的分析相吻合。
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