搜索ANSYS軟件平臺的筏板基礎設計程序開發(fā)技術
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(fā)技術
1 前言
大型筏板基礎業(yè)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(zhì)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(fā)程序。ANSYS的二次開發(fā)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(fā),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(fā)語言進行了筏板基礎設計向導程序的開發(fā)。應用ANSYS提供的前后處理,以及求解功能,用其二次開發(fā)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(fā)的理想工具,該語言提供了與ANSYS的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理[1]。
APDL是ANSYS Parametric Design Language的縮寫,即ANSYS參數(shù)化設計語言,是ANSYS的二次開發(fā)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(xiàn)參數(shù)化建模、施加參數(shù)化荷載與求解以及參數(shù)化后處理結果的顯示,從而實現(xiàn)參數(shù)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(tǒng)及菜單項、對話框、拾取對話框和幫助系統(tǒng)[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(fā)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(shù)化建模
RFDG程序建立模型過程只須輸入一些參數(shù),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(huán)境,方便參數(shù)的輸入,同時對于輸入的基本參數(shù),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(shù)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(shù)量最大為12層。在這里,RFDG程序除了可以手工輸入?yún)?shù)外,還支持從指定文件中導入?yún)?shù)。這樣用戶可以編寫土層的力學參數(shù)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(shù)據(jù)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(zhí)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(xiàn)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(jù)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(fā)
3.1 應用TCL/TK、APDL、UIDL進行ANSYS二次開發(fā)的基本過程
在調(diào)用TCL/TK編寫的用戶界面腳本文件時候,ANSYS將根據(jù)tclIndex文件中的內(nèi)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(nèi)容。
為了更新Main Menu中的內(nèi)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(jù)mnulist80.ans中的內(nèi)容搜索需要的命令。
ANSYS在執(zhí)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(zhí)行菜單、對話框以及APDL命令宏。
3.2 應用TCL/TK實現(xiàn)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(xiàn)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(chuàng)建一個ANSYS宏文件,這樣就可以通過使用調(diào)用ANSYS命令的方式來調(diào)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(xiàn),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(chuàng)建地形塊(rf_bc.mac)、創(chuàng)建土層(rf_tc.mac)、創(chuàng)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(chǎn)(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(xiàn)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(shù)如表1,所受均布荷載為100kN/m2;地質(zhì)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(shù)
|
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(shù)
|
層號 |
層厚 (m) |
變形模量 (MPa) |
泊松比 |
容重 (kN/m3) |
內(nèi)聚力 (KPa) |
內(nèi)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?？梢院芊奖愕牡贸稣麄€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(shù)據(jù),且所有由RFDG程序輸出的數(shù)據(jù)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(xiàn)應力集中現(xiàn)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(xiàn)在跨中?？梢娖溆嬎憬Y果與傳統(tǒng)的分析相吻合。
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