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2013-08-11 by:廣州CAE有限元應用中心 來源:仿真在線
ANSYS軟件平臺的筏板基礎設計程序開發技術
1 前言
大型筏板基礎業已成為高層建筑的主要基礎形式之一,但對于其理論的研究仍有待完善。目前,筏板基礎的研究手段主要有:原型試驗、模型試驗和有限元分析方法。因地基土的物理力學性質離散性大,地基、基礎和上部結構的作用復雜,原型試驗和模型試驗針對性較強,費用也較高,而有限元方法對筏板基礎的整體分析卻十分方便,大量的應用顯示,有限元方法能較好的擬合實際工程試驗情況。
筏板基礎設計向導程序(Raft Foundation Design Guide簡稱RFDG)是以ANSYS為基礎進行的二次開發程序。ANSYS的二次開發語言有很多,比如UIDL、APDL、TCL/TK、VC++、VB等等,均可以進行ANSYS的二次開發,并有自己的特點和適用范圍。本程序選用APDL、TCL/TK、UIDL三種二次開發語言進行了筏板基礎設計向導程序的開發。應用ANSYS提供的前后處理,以及求解功能,用其二次開發語言APDL編寫建模、運算和后處理等功能。同時用TCL/TK界面設計語言編寫RFDG的程序界面。并用UIDL語言設計ANSYS的Main Menu菜單。
TCL/TK是工具命令語言(Tool Command Language)的縮寫,是常用的操作界面設計語言,而且簡單易學,上手容易,是ANSYS界面開發的理想工具,該語言提供了與ANSYS的數據傳遞接口,同時他還能與其他應用軟件接口,支持COM技術,比如可以將ANSYS的計算結果轉到Excel,方便數據處理[1]。
APDL是ANSYS Parametric Design Language的縮寫,即ANSYS參數化設計語言,是ANSYS的二次開發語言之一。利用APDL的程序語言與宏技術組織管理ANSYS的有限元分析命令,就可以實現參數化建模、施加參數化荷載與求解以及參數化后處理結果的顯示,從而實現參數化有限元分析的全過程[2,3,4]。
UIDL的全名是User Interface Design Language。用戶圖形界面設計語言(UIDL)就是編寫或改造ANSYS圖形界面的專用設計語言,主要完成以下三種圖形界面的設計:主菜單系統及菜單項、對話框、拾取對話框和幫助系統[5]。
2 筏板基礎設計向導程序研究
2.1 筏板基礎設計向導程序的任務
RFDG程序是針對平板式筏板基礎礎[6](或者可以簡化成平板式筏板基礎)開發的一個分析程序。該程序的主要功能是針對兩排柱之間可以簡化成對稱結構的板帶,進行基底的應力、應變和位移,以及整個地基在該剖面的應力、應變和位移場的分析。
2.2 筏板基礎設計向導程序的功能
RFDG程序主要完成了一下五項功能:
(1)參數化建模
RFDG程序建立模型過程只須輸入一些參數,而后就可以由程序自動生成ANSYS模型。由TCL/TK編寫的界面給用戶提供了一個良好的交互環境,方便參數的輸入,同時對于輸入的基本參數,RFDG程序會輸出到指定的文件中方便用戶檢查及管理。
(2)地基土的分層處理
RFDG程序支持多層地基土材料的輸入,但是由于實際地基土層數量是有限的,計算深度也是有限,所以控制了地基土的分層數量最大為12層。在這里,RFDG程序除了可以手工輸入參數外,還支持從指定文件中導入參數。這樣用戶可以編寫土層的力學參數文件,然后一次性輸入到RFDG程序中。
(3)計算結果的輸出
RFDG程序可以將預先定制的控制點的位移、應力和應變輸出到固定的文本文件中,并且還可以將計算結果輸入到Excel中,方便數據處理。對于圖形輸出方面,RFDG程序提供了一個快捷的功能,就是它可以將當前視圖的等色圖和等直線圖一次輸出,分別存為jpg和png兩種格式。
(4)多步求解
在求解方面RFDG使用多荷載步求解,只須執行程序中的多步求解就可以自動完成求解過程。各步求解分別實現了自重作用下的計算及自重和外荷載同時作用下的計算,根據程序提供的后處理命令可以方便的求得荷載作用下的計算結果。
(5)子模型分析
除了上述功能外,RFDG程序還提供了子摸型的分析功能。
由上述五項功能的需求,將RFDG程序分成五個功能模塊,即:RFDG前處理模塊、RFDG求解模塊、RFDG后處理模塊、RFDG子模型分析模塊和RFDG視圖控制模塊。
3 筏板基礎設計向導程序與ANSYS二次開發
3.1 應用TCL/TK、APDL、UIDL進行ANSYS二次開發的基本過程
在調用TCL/TK編寫的用戶界面腳本文件時候,ANSYS將根據tclIndex文件中的內容搜索C:\Program Files \Ansys Inc\v80\ANSYS\gui\scripts目錄下的腳本文件(假設安裝目錄在C盤),所以需要將用戶自己編寫的腳本文件拷貝到該目錄下,同時更新tclIndex中的內容。
為了更新Main Menu中的內容,需要將相關的UIDL文件拷貝到C:\Program Files\Ansys Inc\v80\ANSYS\gui\en-us\UIDL目錄中,ANSYS將根據mnulist80.ans中的內容搜索需要的命令。
ANSYS在執行宏文件時,將搜索目錄C:\Program Files\Ansys Inc\v80\ANSYS\apdl和工作目錄以及用戶特殊指定的目錄,為了使所有用戶都能方便的使用RFDG程序的宏文件,所以將所有相關的宏文件均放到第一個目錄下。
這樣ANSYS就可以執行菜單、對話框以及APDL命令宏。
3.2 應用TCL/TK實現筏板基礎設計向導的界面及菜單設計
在RFDG程序中所有由TCL/TK語言編寫的界面及菜單代碼均寫入rfdg.tcl文件中。其中的30個過程均在RFDG一個名字空間下。分別完成了前述的5個模塊中的各項功能,同時將ANSYS命令送出。
3.3 應用APDL實現筏板基礎設計向導的模塊功能
對于由APDL語言完成的功能,是將每個功能創建一個ANSYS宏文件,這樣就可以通過使用調用ANSYS命令的方式來調用宏。并且每個宏文件只完成一個預定的功能。而對于一些簡單的ANSYS功能則在TCL/TK中使用ans_sendcommand等命令來實現,并不建立單獨的宏文件。RFDG程序共有13個宏文件,分別完成以下13個功能:創建地形塊(rf_bc.mac)、創建土層(rf_tc.mac)、創建筏板(rf_rc.mac)、主要控制(rf_mc.mac)、多部求解(rf_sl.mac)、結果輸出設定(rf_rost.mac)、結果輸出1(rf_ro1.mac)、結果輸出2(rf_ro2.mac)、結果輸出3(rf_ro3.mac)、定義路徑(rf_pd.mac)、子模型生產(sub_cut.mac)、子模型邊界條件設定(sub_bs.mac)和子模型主要控制(sub_mc.mac)。
3.4 應用UIDL實現筏板基礎設計向導的Main Menu設計
Main Menu下的由UIDL語言編寫的菜單代碼寫入uimenu_rf.grn和uifunc_rf.grn兩文件中。將RFDG菜單添加到原來的Main Menu下,如圖2所示。通過其中的Activate RFDG Menu命令可以打開由TCL/TK編寫的菜單。
4 用RFDG程序對某工程進行分析
某工程的筏板物理力學參數如表1,所受均布荷載為100kN/m2;地質資料如表2,選用D-P模型,基礎計算寬度50米,計算深度45米。
表1 筏板的物理力學參數
|
厚度 (m) |
埋深 (m) |
寬度 (m) |
彈性模量 (MPa) |
泊松比 |
容重 (kN/m3) |
|
2.5 |
10 |
20 |
2.8×104 |
0.2 |
25 |
表2 某工程土層的物理力學參數
|
層號 |
層厚 (m) |
變形模量 (MPa) |
泊松比 |
容重 (kN/m3) |
內聚力 (KPa) |
內摩擦角 (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 |
應用RFDG程序對該工程進行分析計算,各步驟的計算結果如圖9所示。可以很方便的得出整個基礎的應力、應變和位移的等色圖,以及基礎底面的位移、應力和應變數據,且所有由RFDG程序輸出的數據均可以快速的導入到Excel中。從計算的結果可以看出,在筏板板底邊緣處出現應力集中現象,并且該處剪應力最大,筏板跨中下的地基垂直方向應力向下逐漸減小,垂直方向位移的最大值出現在跨中。可見其計算結果與傳統的分析相吻合。
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