（水工结构工程专业论文）预应力闸墩优化设计研究.pdf

摘 要 预应力闸墩是大型弧门常用支承结构。将预应力技术应用于闸墩结 构，可以加大泄洪孔口尺寸，方便泄水建筑物的布置。自葛洲坝工程以 来，预应力闸墩在我国水电工程中得到了广泛应用。对预应力闸墩的研 究以前主要集中在锚块式闸墩，对支承结构为深梁的拱坝外伸悬臂式闸 墩研究较少，对这种闸墩的工作性态有必要作进一步研究。另外，我国 预应力闸墩结构的拉锚系数普遍偏大，因而有必要对闸墩结构形式和锚 索张拉吨位作优化研究，以提高锚索预压效果，降低工程造价。本文针 对以上两问题展开研究，主要工作如下： ( 1 ) 研究a n s y s ，g i d ，s u r f e r 的接口技术，以提高有限元分析 的效率。 ( 2 ) 研究a n s y s 中参数化有限元和数学规划理论相结合的优化设 计方法，作为预应力闸墩优化设计的工具。 ( 3 ) 研究预应力闸墩的工作性态，分析不同荷载和主次锚索对关键 部位应力的影响。 ( 4 ) 对闸墩体型及锚索永存张拉吨位进行优化，以提高锚索预压效 果，降低拉锚系数。 关键词：预应力闸墩拉锚系数工作性态优化设计参数化有限元 a n s y sg i ds u r f e r a b s t r a c t p r e s t r e s s e dp i e ri su s u a l l yu s e da st h eb e a r i n gs t r u c t u r eo fl a r g eg r a d ea r c hg a t e ， b e c a u s et h ed i m e n s i o no f t h ed i s c h a r g eh o l ec a i lb ei n c r e a s e d ，a n dt h ec o l l o c a t i o no f r e l e a s e w o r k sw i l lb em o r ec o n v e n i e n ti fp r e s t r e s st e c h n i q u ei sa d o p t e di np i e rs t r u c t u r e p r e s t r e s s e d p i e r i s w i d e l yu s e d i nt h eh y d r o p o w e rp r o j e c t so fo u rc o u n t r y 肋m g e z h o u b ap r o j e c t r e s e a r c h e sa r em a i n l yf o c u s e do nt h ep e r s t r e s s e dp i e r sw i t ha n c h o r b l o c ka st h eb e a t i n gs t r u c t u r eb e f o r e , a n dl e s sr e s e a r c h e so nt h ee x t e n d e dc o n t i l e v e r p r e s t r e s s e dp i e ro fa r c hd a mw i t hd e e pb e a ma st h eb e a r i n gs t r u c t u r e ，s om o r er e s e a r c h e s a r en e e d e df o rt h el a t t e r o nt h eo t h e rh a n d t h ep u l l a n c h o rc o e f ! i c i e n to ft h ep r e s t r e s s e d p i e ri so nt h eh i g hs i d ea tl a r g ei n0 1 1 1 c o u n t r y ，s oi no r d e rt oi n c r e a s et h ep r e p r e s s i n g e f f e c t i v e n e s so ft h ea n c h o rw i r e sa n dr e d u c ec o s t ，o p t i m i z a t i o nr e s e a r c hi sr e q u i r e do nt h e b o d yt y p ea n dt h et o n n a g eo ft h ea n c h o rw i r e i nt h i sp a p e r , r e s e a r c hw o r k sa r ed e v e l o p e d o nt h ea b o v ep r o b l e m s ，a n dt h em a j o rs t u d y sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) s t u d yt h ei n t e r f a c et e c h n i q u ea m o n ga n s y s ，g i da n ds u r f e r ，s ot oi n c r e a s e t h ee f f i c i e n c yo f f e ma n a l y s i s ； ( 2 ) s t u d yt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g nm e t h o dc o m b i n e dw i t hp a r a m e t r i cf e ma n d m a t h e m a t i c a lp r o g r a m m i n gi na n s y s ，a n du s ei tt o o p t i m i z e t h ed e s i g no f p r e s t r e s s e dp i e r ( 3 ) s t u d yt h ew o r k i n gb e h a v i o ro ft h ep r e s t r e s s e dp i e r , a n da n a l y z et h ei n f l u e n c e so f d i f f e r e n tl o a d sa n da n h o rw i r e st ot h es t r e s sc o n d i t i o no f k e yp o s i t i o n s ( 4 ) o p t i m i z et h ea n c h o rw i r e st o n n a g eo ft h ep r e s t r e s s e dp i e r ，s ot oi n c r e a s et h e p r e p r e s s i n ge f f e c t i v e n e s so ft h ea n c h o rw i r ea n dr e d u c ep n l l a n c h o rc o e f f i c i e n t k e yw o r d s ：p r e s t r e s s e dp i e r ，p u l l a n c h o rc o e f f i c i e n t ，w o r k i n gb e h a v i o r o p t i m i z t i o nd e s i g n ，p a r a m e t r i cf e m ，a n s y s ，g i d ，s u r f e r 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同 事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) 麴置璺12 0 0 5 年1 月1 6e t 学位论文使用授权说明： 河海大学、巾国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存文件。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被 查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研 究生院办理。 论文作者( 签名) 趔渣垡 2 0 0 5 年1 月1 6 日 ? i _ 诲人学顺i 。学位论文 第一章绪论 1 1 预应力闸墩的发展概况和结构特点 预应力技术的设想起源于人们对木桶加箍，以及对木轮加缩紧的轮箍。随着法国 丁程师弗来两奈( e f r e y s s i n e t ) 1 9 2 8 年成功地对高强度钢丝施加预应力，预应力混凝 土就开始在土建工程中得到广泛应用和发展，在桥梁、建筑、水工结构、地下工程、 海洋工作平台以及其它多种特种构筑物中，预应力技术都得到了广泛应用。 将预应力技术应用于大型弧门闸墩结构始于上世纪5 0 年代末突尼斯的梅列格溢 洪道。6 0 年代初美幽修建w a n a p u m 坝溢洪道工程时，对预应力闸墩结构进行了比较 系统的应力分析和试验研究1 1 1 。我国对预应力闸墩结构的应用始于葛洲坝工程，大江、 二江泄水闸及三江冲沙闸都采用了预应力闸墩结构。葛洲坝二江泄水闸孔口尺寸 1 2 o m 1 2 o m ，设计水位时弧门推力为4 0 2 6 0 k n ，单束锚索张拉吨位都在3 0 0 0k n 以 上p j 。预应力闸墩结构在葛洲坝工程成功应用后，在龙羊峡、鲁布革，岩滩、安康、 水口、棉花滩、天生桥、二滩、五强溪等工程相继应用。下表l 列出了我国部分工程 预应力闸墩结构实例川。另外还有一些将预应力技术用于加固闸墩的工程，表中没有 列出，如拉浪水f u 站刚墩加崮工程、清溪水电站闸墩加固工程等。水利部于1 9 9 8 年 发布了水工预应力锚固设计规范( s l 2 1 2 9 8 ) ，提出弧门水推力大于3 5 0 0 0 k n 的就 可采用预应力式闸墩。 i i i 农1 。t j 以石出，预应j m 墩结构在我国水电_ l 程中得到了广泛应用，弧门支承 结构主要有简单锚块式和深梁式，锚固体系有镦头锚、x m 锚、e m 锚、o v m 锚及 d v f 。z 锚，锚索形式有高强钢丝和钢铰线。预应力闸墩结构之所以能得到如此广泛的 应用，主要有以下几点原因： 1 预应力技术在操作过程中，不会对混凝土材料产生破坏、扰动等不利影响。 2 预应力技术是从结构内部进行加强，它所采用的措施，对结构所承受的外荷 载有明显的针对性，即预应力的施加方式和量级与外荷载作用下产生的内部应力是直 接川火的，ju 通过渊整顿加压力的大小来控制结构内部应力。 3 采用预应力技术，其结构受力条件简单明确，现有模型试验手段和计算技术 可以比较诈确的模拟。 4 两j 商j 施r 的配套技术，如材料、铺具、张拉设备、监测手段等近年来均有 很大发展，使预应力闸墩的施工质量和进度均有保证。 第章绪论 5 现在大规模水电工程纷纷上马，泄水建筑物尺寸也不断提高，弧门推力随之 增大，必须使用预应力闸墩结构才能满足工程使用的要求。 表1 1 部分工程预应力闸墩结构 弧f j 推力支承结构形预应力体 施加预应力 一i ：“名称及建筑物 锚索结构( 主束) 单束张力总张力 ( k n ) ，l系 ( k n )( k n ) 三江冲沙 边墩1 4 0 0 0深梁式闸墩 镦头锚1 6 2 中5 m m 高强钢丝 3 0 0 03 0 0 0 0 l 匍 二江泄水 中墩4 2 0 0 0简单锚块式9 0 0 0 0 葛洲坝镦头锚 8 4 中7 m m 高强钢丝3 4 5 0 闸边墩2 1 0 0 0 闸墩5 7 0 0 0 火汀泄水 中墩4 0 0 0 0简单锚块式 9 0 0 0 0 闸边墩2 0 0 0 0 闸墩 镦头锚8 4 由7 m m 高强钢丝3 4 5 0 6 3 0 0 0 胝扎泄爪 边墩3 6 7 5 0深梁式闸域镦头锚 8 4 巾7 m m 高强钢丝3 6 2 06 4 0 0 0 道 深孔洲水 8 4 巾7 r n m 高强钢丝3 6 2 04 8 0 0 0 龙千峨 边墩2 7 5 0 0深梁式闸墩 镦头锚 道 中孔泄水 边墩2 2 6 5 0深粱式闸墩x m 锚2 6 g 705 r o m 钢铰线4 1 8 65 4 0 0 0 坦 表孔黼洪 中墩2 8 0 0 0简单锚块式6 9 0 0 0 鲁布革 x m 锚 1 6 根7m5 r a m 钢铰线 2 3 0 0 坦边墩1 4 0 0 0 闸墩4 1 4 0 0 中孔泄水 中墩3 5 0 0 0复杂锚块式5 5 8 0 0 交康 x m 锚1 9 根7 巾5 , n m n 铰线2 9 5 0 道表孔浠边墩3 0 8 0 0闸墩 4 9 5 2 8 表孔浠洪 中墩4 5 3 9 4简单锚块式 5 5 8 0 0 岩滩 d v f z 锚8 4 中7 m m f 氐松弛钢丝3 2 9 3 ：迫边墩2 2 6 9 7 闸墩4 9 5 2 8 中孔泄水 二滩边墩】7 0 0 0深粱式闸墩镦头锚2 0 0 02 0 0 0 0 坦 简单锚块式 水口流洪表孔中墩4 3 2 0 0d v f z 锚8 4 中7 m m 高强钢丝 3 1 5 09 4 5 0 0 闸墩 简单锚块式 铜街子流洪表孔边墩1 5 0 0 0镦头锚l 6 2 中5 t a m 高强钢丝 3 5 4 03 0 0 0 0 闸墩 中孔泄水 尔风 边墩18 5 0 0深粱式闸墩3 0 0 03 6 0 0 0 j 旦 小浪腻川沙7 川边墩2 5 0 0 0深梁式闸墩0 m 锚2 3 根7 中5 m l t l 钢铰线 4 2 9 06 3 4 5 0 泄洪冲沙 中墩3 5 0 0 0 q m 锚 2 0 根7 由5 r n , - n 钢铰线 漫湾深梁式闸墩 3 0 0 03 0 0 0 0 孑l边墩1 7 5 0 0o v m 锚1 5 根7 中5 m m 铜铰线 表孔浠洪 中墩3 5 4 5 1简单锚块式2 1 巾1 5 2 4 m m 钢铰线3 3 0 03 3 0 0 0 棉花滩 o v m 锚 坦边墩1 7 7 2 6闸墩1 2 中15 2 4 i n l n 钢铰线1 9 6 0 表孔浠洪 中墩3 8 0 0 0简单锚块式 9 6 0 0 0 龙滩 3 2 0 0 z 3 _边墩1 9 0 0 0 闸墩 4 8 0 0 0 虽然预应力闸墩结构在我国水电工程中得到了广泛应用，但与国外工程相比， 我国己建和在建预应力闸墩的“拉锚系数”( 所施加的预压力和弧门推力之比) 普遍 偏大，国外一般在1 2 1 8 ，国内为i 6 3 0 。可见，降低闸墩结构的锚索用量，减 少工程投资还有很大的潜力。 我国工程实践中，大型弧门预应力闸墩支承结构形式主要有深梁式( 简支梁、固 蹦粱1 剐啪块一( 简、p 型、复杂型) 。深梁式支承结构适用于高水头泄洪孔口、闸墩 为缝墩和孔口宽度较小的情况，为改善闸墩受力偏心状态，提高闸室刚度以抵抗高烈 度地震及高速水流的强烈震动，将弧门支承在跨闸墩的深梁上比较有利。深梁与闸墩 l 】海人学埘十学位论文 的连接形式，视温度应力情况，可采用单接自由式或整体固结式i 6 j 。锚块式支承形式 一般适用于弧门跨度较大( 1 0 m 以上) 的情况。其优点是体型较简单，施工方便，比 较终济预f 曲川月墩结构的锚索般有主铺索和次锚索，主锚索在立面上大都沿弧门 水推力合力方向布置，尽量使预压力合力与水推力相重合以达到有效和经济的目的， 次锚索的作用是抵抗主锚索及弧门推力联合作用下在支承体内产生的次生拉应力，布 置方式有水平布置、垂直布置和斜向布置。 1 2 预应力闸墩支承结构及锚索永存张拉吨位优化设计的现状 对预应力闸墩的研究主要有模型试验、数值计算、理论分析等方式。1 9 8 4 年以 来，为了系统地修订水工钢筋混凝土设计规范，武汉大学土木建筑工程学院和长 江水利委员会枢纽处联合开展了专题研究，进行了模型试验和计算分析，提出了一批 研究报告，对弧门支承结构的受力性能、破坏形态及设计理论和方法提出了很有价值 的建议1 7 i 。1 9 9 4 年，朱暾、邢贵碧在应用有限单元法分析大推力预应力闸墩颈部应力 分布规律的基础上，建议采用颈部开槽的结构型式，并提出了相应的计算公式和计算 图表【8 1 。1 9 9 6 年，郭宏磊、贺采旭等通过有限元、模型试验和弹性理论的分析，并结 合多种锚固区受力特点的比较，得到了预应力闸墩体内锚束锚固区的应力分布及开裂 部位，给出了闸墩体内锚固区的配筋计算方法【9 】。1 9 9 7 年，贺采旭，李传才等运用理 论分析和仿真模型试验的研究方法，对预应力闸墩结构形式和设计方法进行了探讨， 提出了预应力闸墩丌缝锚块结构型式和预应力闸墩设计方法，并提出了颈部按部分预 麻力设计的思想【1 。2 0 0 0 年，胥涧牛提出“深槽+ 锚i l 结构，较原设计方案节省约5 0 锚索，其研究采用的是平面有限单元法【j i l2 0 0 3 年，周海慧采用三维有限元方法对 龙滩表孔预应力闸墩应力分布进行了详细研究，提出简单锚块式结构不宜设置次锚索 阵1 对预应力闸墩结构的优化主要从以下几方面进行： 1 锚索布置 主锚索在闸墩厚度方向的布置形式主要有平行、弯曲、交叉、倾斜等，如图l l 所示1 12 1 , 也仃些工程采用了平行加倾斜布置方案。 对于上锚头的位置，有上下游对拉式和闸墩内适当位置预留施工圆洞、预留槽两 种方式。研究结果表明，弧门推力在闸墩上游闸墩内产生一个范围不大的拉应力区， 由锚块向上游延伸长度大约1 0 1 5 m ，所以，锚束上游锚头设在闸墩中间适当位置具 有明显优点，现在大部分工程都采用这种方式。 由于上游预留洞不但削弱了闸墩结构，而且局部应力集中现象严重，所以，在二 渊11 1 1 t 1i ! j + 揪仲用了环形持屯，如下图l 一2 所示【1 4 1 ： 3 鏊一一 营一一图1 - 1 闸墩平面内的锚束布置 ( a ) 交叉布置；( b ) 平行布置；( c ) 弯曲布置：( d ) 倾斜布置 图卜2i 匍墩环形锚柬布置 环形锚束基本不削弱坝体结构，且环形锚束周围的应力分布比直线形锚束要均 匀，对坝体应力有利。 2 支承结构形式优化 弧门支承结构主要有支承梁和锚块两种基本型式，对这两种基本结构型式进行改 造，出现了以下几种新型结构型式【6 】： 2 1 化力梁史承结构 为了挺高锚索的预压效果，中国水利水电科学研究院通过试验研究，提出了传力 梁支承结构，它是在般锚块式预应力闸墩基础上，采用简支传力梁结构，使锚束预 应力通过传力梁的支座传给锚块，并将预应力转移到弧门推力作用线附近，使锚束预 * u 海火学坝j ：学位论文 应力和弧门推力相等，预应力总吨位与弧门推力之比等于1 。其工作原理如图1 3 所 h卜o 传统设计 新型设计 图卜3 传力梁结构工作原理 + 对传力粱结构进行模型试验，与传统设计相比，拉锚系数可以降至1 0 5 ，节省主 锚索5 0 以卜 2 2 锚块丌缝支承型式| 1 5 1 这种结构型式通过在锚块中部开缝，改变预应力的传递路径，使其从锚块外侧传 至颈部，从而造成颈部应力集中，提高预压效果，从而降低拉锚系数。开缝锚块和简 单锚块平面应力分布及破坏形态如下图： i 摹 m 渺 届，疆4 ， ( 6 ) 开拳口卅，f ) 开辑t 坏登蠢 图1 4 简单锚块与开缝锚块应力分布及破坏形态图 2 3 锚块中部预留缝支承型式1 6 通过改变不同时期( 施工期、运行期) 锚块水平向的厚度，待施加预应力后再回 填，亦可增加预压效果。具体做法是在锚块中部预留槽( 缝) ，见图l 一5 ： 模型试验成果表明，锚块中部预留缝时，颈部测点压应力较未留缝时提高了，预 留缝愈长，预压效果愈好。预留缝的宽度对颈部应力变化也有很大影响。对于厚闸墩， 缝的觅度嗣1k 度要夫些，而对r 相对薄弱的闸墩，缝的尺寸为窄、长效果好。此外 出于预留缝的存在，锚块的厚度减小了，由此水平方向的次生拉应力也减小了，只需 在缝端布置一排水平次锚束，而传统设计需在锚块上布置两至三排水平次锚束。所以 钸块厂r 1 郁预霄f 梆? 斛勾刊式的经济效益是明显的。 5 第一帚绪论 | i圉 吲 幽 ： 础槽 主锚弋 主锚氟 心，一_ 图卜5 锚块中部预留槽结构型式 除了以i ：j t 4 ：, l - 新的支承型式，还有复杂锚块，闸墩内部设空腔，颈部内设孔洞， 颈部开槽等结构型式，这里不再一一列出。这些结构型式都围绕提高锚索预压效果， 使预应力传递到弧门推力作用下拉应力增大的区域，从而降低拉锚系数。 3 锚索形式 出心的川墩j 负应力披术足有粕结预应力技术，在闸墩施工期间有架设钢管、穿筋、 张拉、注浆等工序，工艺复杂，质量不易保证，而且影响工期。无粘结预应力技术 是国际上广泛采用的预应力结构形式与施工方法，在大跨度板梁、筒仓，框架等结构 中得到了广泛应用。在水利水电工程领域，小浪底、二滩及十三陵电站的岩锚工程， 小浪底的排沙洞采用了无粘结预应力技术，但在闸墩结构中使用无粘结预应力技术还 处于起步阶段，还没有已建工程的先例，但喜河水电站、构皮滩水电站等工程将使用 九糨绌坝应j f | f f l 墩。采用无粘结技术后，可以减少有粘结技术所需的施工工艺，缩短 工期。文献 1 6 】就无粘结预应力闸墩结构的锚块、锚索布置，计算模型等进行了探索， 提出了用连杆体系模拟弯曲锚束的原理和方法。 4 锚索张拉吨位优化 弧f j 史尿结构及锚索巾茸力案确定以后，就要确定锚索张拉吨位，张拉吨位的高 低直接影响到工程投资。对于锚索张拉吨位的优化一般采用的方法是方案比较法，这 种方法的优化效果受到方案本身的制约，只能是一种相对的优选，华东勘测设计研究 院赵爱根提出了锚索张拉吨位的j 下交优化方法旧，以锚块及拐角部位应力状态最优为 优化准则，对主、次锚索，垂直锚索张拉吨位的不同组合进行了优化，但这种方法只 有一个控制目标，与一般方案比较的优化法相比，只是增加了方案的个数，优化方案 搜索的范j | 还是受到局限。 埘街_ 人学f ! j j jl j 学位论文 1 3 1 问题的提出 1 3 问题的提出及本文所做的工作 分析困内外对预应力闸墩结构的研究成果可知，预应力闸墩结构虽然在我国水电 工程中得到了广泛应用，从葛洲坝工程以来，已经有近3 0 的历史，但我国预应力闸 墩结构的拉锚系数( 所施加的锚索张拉吨位与弧门水推力之比) 一般都偏高，在1 6 3 0 之间，而国外预应力闸墩结构的拉锚系数在1 2 1 8 ，可见，在优化预应力闸墩 支承结构彤武和锚索张拉u 电位上还有很大的潜力。拉锚系数过高既有设计偏于保守的 原因，也有支承结构体型及锚索布置不够合理的原因，对于预应力闸墩的设计，应该 “大胆探索理论上最优的弧门支承体结构型式，重点研究实用型、施工方便的结构体 型”。对预应力闸墩结构的研究，以往的工作主要集中在锚块式支承结构，而高拱 坝的中孔泄洪结构，由于孔口宽度较小，闸墩单侧受力，一般采用深梁型式的支承结 构，目前对这种闸墩结构研究较少，且体型较单一，故有必要研究其工作性态并进行 优化设计研究。对预应力锚索张拉吨位、长度，闸墩厚度等设计参数的优化，目前基 本停留在方案比较阶段，如果能应用数学规划理论，以闸墩投资总额为目标，以闸墩 与支承梁连接处( 颈部) 应力状态，支承梁跨中截面应力状态等为控制参数，对其进 行优化，就能起到保证安全、减少投资的目的。 1 3 2 本文的主要研究内容 本文围绕预应力闸墩及支承结构的工作性态和优化设计进行研究，所采用的分析 工具是商业程序g i d 、a n s y s 和s u r f e r ，为完成该分析功能，对g i d 与a n s y s 的接口程序进行了二次开发；建立了预应力闸墩参数化有限元模型，利用a n s y s 的 优化设计模块，对锚索张拉吨位等进行优化设计。所做的主要工作如下： ( 1 ) 利用g i d 的问题自定义功能，研究g i d 与a n s y s 的接口技术；研究g i d 与地剧软件s u r f e r 的接口技术，利用g i d 后处理中的数据在s u r f e r 中绘制应力、 位移等值线图。通过以上研究提高有限元分析的工作效率。 ( 2 ) 研究a n s y s 中参数化有限元和数学规划理论相结合的优化设计方法。 f3 1 永几1 方案比较的方法研究拱坝预应力闸墩工作性态。 ( 4 ) 为了提高锚索预压效果，针对构皮滩工程中孔预应力闸墩，研究支承梁与 刚墩问殴垫层的作川，并对闸墩体型进行优化研究。 ( 5 ) 利用a n s y s 优化设计模块对构皮滩拱坝中孔预应力闸墩锚索张拉吨位进 行优化研究。 笫一章a n s y s ，g i d ，s u r f e r 相结合的有限尤前j 舌处耻技术训允 第二章a n s y s ，g i d ，s u r f e r 相结合的有限元 前后处理技术研究 工欲善其事，必先利其器，本章研究预应力闸墩优化设计所采用的有限元计算工 具。现在有限元分析软件多种多样，如果能将各软件结合使用，取长补短，就能提高 工作效率，增强分析效果。g i d 是一款专业的有限元前后处理软件，集成了一般c a d 软件的大部分功能，易于建立有限元模型；a n s y s 计算功能强大，但对复杂模型的 建立就不太方便，后处理中等值线的绘制也不尽如人意；s u r f e r 是专业地图软件， 在绘制等值线山山非常力使，效果好。本文利用g i d 扩充软件包g i d p l u s ，并对其 进仃。曳进t | | j 1 发，将g i d 中的有限元模型导入a n s y s 进行计算，然后将结果导入 g i d 进行后处理。g i d 中的后处理不仅提供切面功能，还能提取切面上的坐标和计算 结果，编制程序将切面上的空间坐标转换为平面坐标，就可利用s u r f e r 绘制切面 上相应计算结果的等值线图。 2 1 1 通用商业程序a n s y s 2 1 概述 a n s y s 是一种通用的大型c a e 有限元商业软件，它融合结构、热、流体、电磁 和声学于一体，以其功能强大、界面好、易操作等优点而被广泛应用，尤其是a n s y s 支持命令流操作，且命令流简洁，支持参数化编程，给a n s y s 和其它程序接口提供 了力便。命令流足a n s y s 高级应用必须采用的方式。 a n s y s 主要由三个模块组成，分别是前处理模块，求解模块和后处理模块。前 处理模块用于定义求解所需的数据，用户可以选择坐标系统、单元类型、定义实常数 和材料特性、建立实体模型并对其进行网格剖分、控制节点和单元，以及定义耦合和 约束方程等。通过运行一个统计模块，用户还可以预测求解过程所需的文件大小及内 存空洲”l 。 a n s y s 软件为用户提供了下列生成几何模型以及有限元模型的方法 。9 】： l 。在a n s y s 中创建几何模型。 2 导入其它c a d 系统创建的模型。 3 九接个肢 河街大学硕j ，学位论文 对大型的复杂模型而言，在a n s y s 中直接建模非常耗时，而且有时不能成功生 成模型，若在a n s y s 中创建几何模型，一般要用到命令流，用布尔操作实现，但模 型复杂时，拓扑关系很难满足剖分的需要。因此，多数人在建立大型复杂模型时常采 川的山。浊足在其它c a d 系统l 辛创建模型，再导入a n s y s 。a n s y s 支持的接口通常 包括以下娄犁【、9 1 ： 1 g e s c a t i a p r o e u g s a t p a r a - i d e a s 这种方泣建模遇到的问题是模型导入a n s y s 后会变形，生成一些原本没有的 h 儿。本艾采川f ( jh 法其史是第2 种方法和第3 种方法的结合，用专业有限元前后处 理软件g i d 创建几何模型，加上荷载、材料、约束等信息后，生成有限元模型，再 以g i d 提供的命令生成a n s y s 命令流文件，在a n s y s 中直接生成节点、单元，这 样在a n s y s 中实际上就没有几何模型。具体原理和方法见本章第2 节论述。 在6 d 处理完成后，即进入求解阶段在求解模块中获得分析结果。在求解器中，可 以定义分析类型、分析选项、荷载数据和荷载步选项，然后丌始有限元求解。本章主 要论述前后处理，故对求解的控制在此不作说明。 a n s y s 的后处理输出形式有云图、等值线、数据表和动画等。但是，a n s y s 提 供的等值线图效果并不理想，切面功能也单一，只能沿工作平面切，且同一位置切面 参数不能保存，下次分析时还要重新切。由于前处理采用了g i d ，故利用a n s y s 的 数据表输m 结果导入g i d 作后处理显得很方便，具体原理和方法见本章第2 、3 节。 2 1 2 专业有限元前后处理软件g i d g i d 是西班牙巴塞罗那数值研究中心开发的一款专业的有限元前后处理软件，但 现在很多人对它还不了解。g i d 对二维、三维图形绘制，网格剖分都非常方便、快捷， 具有与常用绘图软件a u t o c a d 相似的图层功能，以及点捕捉、复制、移动、偏移、 镜像、扫略、比例放大，旋转、测量等图形操作功能，能动态转换视图，而且在g i d 中画好线框后能自动生成面和体。提供的单元类型有点单元、线单元、三角形单元、 四边形单元、四面体单元、六面体单元、棱体单元等；网格自动割分后可导出节点和 销一章a n s y s ，g 【d ，s u r f e r 相结合的仃限g 前后处理技术研究 单元信息；町施加点、线、面荷载：给定材料信息。后处理提供切面功能，并能单独 列出该面上节点坐标和节点上对应的计算结果。g i d 主要有前处理和后处理两个模 块，利用其进行有限元分析时各模块之间的关系如图2 1 所示。 2 1 3 地图软件s u r f e r 图2 - 1g i d 各模块之间的关系 s u r f e r 是专业地图软件，利用其绘制等高线的功能出应力、位移等值线也是一 个不错的选择。 s u r f e r 在绘制等高线时只需要在所要求的出图区域的插入点x 、y 坐标，以及 对应点的高开，、惰它们分列存入d a t 文件，即可以自动绘制等值线。对于边界的 定义只需输入边界转折点坐标存入b i n 文件，s u r f e r 就能以直线连接这些点生成边 界。此。l j 见，以节点位移或应力代替高程就能绘制位移或应力等值线。在g i d 中 切面显示结果后，可得到所切平面上的节点三维坐标和节点上的位移、应力值，但 s u r f e r 只能处理平面二维坐标点对应的位移、应力值，因此，应垓以所切平面为新 的x y 平面，该半面法向为z 向建立新的坐标系，将原坐标系中三维坐标转换为新 坐标系下的坐标，在新坐标系下，所有点的z 坐标都将为o ，这样就可将新坐标系下 节点x 、y 坐标及对应位移( 或应力) 导入s u r f e r 中进行处理，绘制等值线。 2 2 g i d 与a n s y s 接口技术研究 2 2 1g i d 的用户自定制功能脚 为解决小l j 的问题，g i dn j - 以定义不l 司的问题类型，对于每一种问题类型都要建 立个名为p r o j e c t g i d 的目录( p r o j e c t 可以为任意其它名称) ，该目录要放在g i d 安 装同录下的p r o b l e m t y p e s 子目录下。为描述前处理中对该问题类型定义的荷载、材料， 边界等f ；窟、，定义的问题类型必须包括以下文件，且把它们包含在p r o j e c t g i d 文件夹 中： p r o j e c t p r b ：定义问题的一般参数( 分析类型、标题、单位、求解精度等) 。 p r o j e c t m a t ：定义材料属性。 p r o j e c t c n d ：定义荷载、边界条件。 p r o j e c t b a s ：该文件为模板文件，用于配置g i d 与求解器交换数据的格式，g i d 输出的与求解器交换数据的文件后缀名为d a t ，存储了问题的几何、物理数据。 p r o j e c t b a t ：陔文件由g i d 调用执行以启动计算模块。 以卜史件系统示意阵l 如下 卜t - - - - p r e p m c e s sg i d 一h je 商 7 v r 气 几 妙 p o $ 1 p r o c e $ sg i g , 图2 - 2g i d 问题自定义文件系统关系图 g i d 用脚本语言t c l t k 语言开发。t c l t k 语言与c 语言风格比较相似，g i d 中大量的用户窗口都是由这种语言做成的，所有这些文件都放在g i d 的安装目录的 s c r i p t 子目录下。在t c l t k 语言里，已经内置了大量的程序用来定义各种用户控件， 如窗口、下拉列表框、文本输入框、单选按钮、多选按钮、命令按钮等常见可视化控 什f ，i j 外t c 。t k 洱苦还能调用g i d 中定义的大量常数川，如： * n e l e m ：返叫网格中单元总数。 + n p o i n ：返网网格中节点总数。 * e l e m s n m n ：返回当i 单元编号。 第二章a n s y s ，g i d s u r f e r 相结合的有限儿前后处理技术研究 * e l e m s c o n e c ：返回当时单元按逆时钟顺序的节点编号。 阶r 返| l * 数，f c i t k 语。还有不少流程控制语句，如： * l o o p ，4 e n d ：循环丌始和结束语句。 + l o o pn o d e s ：列节点循环。 + l o o pe l e m s ：对单元循环。 4 l o o pm a t e r i a l s ：对材料循环。 * s e te l e m s ( a 1 1 ) ：指定对单元循环是包括所有单元。 由此可见，g i d 软件是一个开放的软件，通过对g i d 的定制，使得g i d 前后处 理器与用户自己编写的程序或其它通用计算程序结合起来，所有的前后处理都在g i d 中完成，给计算带来很大的方便。 2 2 2g i d + - - a n s y s 5 5 简介 为实现g i d 与a n s y s 的接1 5 1 ，编写问题类型a n s y s 5 5 ( 包括a n s y s 5 53 d 和 m l s y s 5 5p l a n e ) ，：降其放在g i d 的安装目录下p r o b l e m t y p e s 子目录下，即为a n s y s 与g i d 的接口软件扩充软件包a n s y s 5 5 ( 该软件可在g i d 官方网站下载，在新版本 g i d 中以嵌入g i d ) 。这种问题类型是以a n s y s 为求解器，在g i d 中做前后处理， 前处理完成后生成a n s y s 识别的命令流文件，该命令流文件不生成几何模型，而是 通过前述常数调用功能，提取模型的节点、单元、材料、约束等信息，在a s n s y 中 直接生成有限元模型并计算，这种建模方法不同于一般的模型导入方法，不是几何图 元的导入，而是直接建模，但与平常的直接建模不同的是，模型的信息是提取g i d 有限元模型生成的，而不要用户逐个确定。所以说这种建模方式结合了前面提到的三 = i | l 建饭乃浊小n 0 沁2 羽i 第3 种山浊。对于后处理，只要将a n s y s 中的计算结果列表 出来，按g i d 要求的形式生成p r o j e c t f l a v i a r e s ，将其拷入分析问题所在目录下即可在 0 l i ) r l i 世”n 处 = f | 1 2 2 3 对g i d + 一a n s y s 5 5 的二次开发2 2 1 添加边界节点已知位移值约束功能 在g i d 与a n s y s 接口程序g i d + - - a n s y s 5 5 中，只能给节点某个自由度旖加0 位 移约束，但结构分析中往往需要给节点施加一个已知的边界位移值u ，为此，笔者对其 进行二次开发，添加了对节点施加x ，y , z 方向已知位移值u 的功能。为了不破坏原程 ! ! 塑查堂堡! ：兰竺堡兰 一一一 序的代码和相应功能，采用添加点位移约束下拉菜单的方法，而没有修改原来的0 位 移约束界面。具体方法如下： 首先，在g i d 安装目录的p r o b l e m t y p e 子目录下找到a n s y s 5 53 d 文件夹( a n s y s 5 5 与a 1 1 s y s 的版本号并无关系) ，其中有文件a n s y s 5 5 3 d c n d 文件，将其用字处理软件打 丌后存衣尼添加u 下代码： n u m b e r ：7c o n d i t l 0 n ：d i s x c o n d t y p e ：o v e rp o i n t s c o n d m e s h t y p e ：o v e rn o d e s q u e s t i o n ：d i s x v a l u e ：0 0 e n dc o n d i t i o n n u m b e r ：8c o n d i t i o n ：d i s y c o n d t y p e ：o v e rp o i n t s c o n d m e s h t y p e ：o v e rn o d e s 0 u e s t i o n ：d i s y v a l u e ：0 0 e n d ( 1 0 n d i t i o n n u m b e r ：9c o n d i t i o n ：d i s z c o n d t y p e ：o v e rp o i n t s ( o nr ) m e s h t y p e ：o v e fn o d e s q u e s t i o n ：d i s z v a l u e ：0 0 e n dc o n d i t i o n 则在施加点约束的对话框下拉菜单中添加了d i s x ，d i s y ，d i s z 三项，如图2 - 3 所 示。若选择d i s x 项，则对话框变为图2 - 4 所示状态，可添加x 方向位移值u ( 默认 为0 0 ) 。 图2 - 3g i d 中施加边界条件 图2 4g i d 中施加x 方向位移 荒争a n s y s + g i d ，s u r f e r 相结台的f j 限儿前后处摧披术圳究 然后，在g i d 安装目录下找到a n s y s 5 5 3 d b a s 文件，在一个合适位置添加以下代 码( 笔者将其加在第1 1 5 行后面) ： + s e tc o n dd i s x + n o d e s4 c a n r e p e a t + i f ( c o n d n u m e n t i t i e s ( i n t ) 0 1 + l o o pn o d e s4 0 n l y l n c o n d + f o r m a t ”d ，i ，u x ，1 0 9 9 ” + n o d e s n u m + c o n d o ) + e n dn o d e s * e n d i f + s e tc o n dd i s y + n o d e s + c a n r e p e a t 4i f ( c o n d n u m e n t i t i e s ( i n t ) 0 ) + l o o pn o d e s4 0 n l y l n c o n d 4 f o r m a t ”d ，i ，u y 1 0 9 9 ” + n o d e s n u m 4 c o n d ( 1 ) + e n dn o d e s * e n d i f + s e tc o n dd i s z4 n o d e s + c a n r e p e a t + i “f o n d n u n 、卜1 1 t i t i e s ( i n t ) o ) 4 l o o pn o d e s8 0 n l y l n c o n d + f o r m a t ”d ，i ，u z ，1 0 9 9 “ + n o d c s n u m 4 c o n d ( 1 ) * e n dn o d e s * e n d i f 这样g i d 就能将上面所施加的边界节点位移值读入，并添加在g d 与a n s y s 接 口的文件p r o j e c t a l i s 中。 2 完善多材料支持功能 g i d 可以给不同实体，不同单元赋给不同的材料，但g i d + - - a n s y s 5 5 并没有成功 的把这一功能转换为a n s y s 命令流，给分析带来不便。虽然在图形用户界面下给不同 的单元赋i ；了_ j 同的材判，但o l d + 一a n s y s 5 5 生成的a n s y s 命令流给每一个单元赋给 第一种材料后，又重新给每一个单元赋给其它材料，使得前面赋给的材料被后面的材料 所覆盖。为此，笔者对其进行了修改。具体方法如下： 在a n s y s 5 53 d b a s 文件中，对于每一种单元类型，在生成单元的程序代码前添加单 元选择语句( 这早给出8 节点六面体单元对应的代码) ： 河海大学彤! 士学位论文 + l o o pe l e m s 4 i f ( e l e m s m a t - - m a t n u m ) ! 该行为添加代码 + f o r m a t ”e n j i i ，i j i ，i ，i ，i 4 e l e m s n u m *