基于APDL與MATLAB的橋梁結構混合建模方法

王立峰，尹傳軍，肖子旺，陳新培

(東北林業大學土木工程學院)

基于APDL與MATLAB的橋梁結構混合建模方法

王立峰，尹傳軍，肖子旺，陳新培

(東北林業大學土木工程學院)

摘 要:APDL與MATLAB混合建模方法的研究，實現了APDL與其他高級語言的數據共享與數據交換，彌補了ANSYS有限元分析軟件在建立復雜空間模型功能上的不足。此方法的研究能夠為橋梁工程技術人員提供更精確、更簡單的建模途徑，可減少建模和計算過程中的大量重復工作，大幅度節省了時間，提高工作效率，使ANSYS與MATLAB在有限元分析方面優勢更明顯，更接近實際工程。

關鍵詞:ANSYS;APDL;MATLAB;混合建模;有限元

1 傳統的有限元建模方法

1.1 直接建立模型

直接建立模型，是根據橋梁結構的幾何外形、材料性質、受力特點等劃分節點和單元，實現對實際結構的模擬。此方法對于小型或簡單模型的生成比較方便，利于用戶控制幾何形狀及每個節點和單元的編號。

但是，直接建模法面對復雜橋型的建模，需處理大量的數據，效率極低。而且不能用自適應網格劃分，不利于優化設計。需要使用者留意劃分的每一個細節，來改進網格的劃分，十分乏味而且容易出錯。

1.2 創建實體模型

首先，通過關鍵點、線、面、體等要素建立橋梁結構的幾何外型;其次，對結構的實體模型進行網格劃分，建立有限元模型。

實體建模的方法適用于較復雜的三維模型，支持面、體以及布爾操作，需要處理的數據相對較少，幾何模型、單元類型、材料性質的修改比較容易，不受分析模型的限制。實體建模的方法可以實現ANSYS程序的優化設計和自適用網格的劃分，而且施加載荷之后，便于局部網格的細化。但實體建模的處理速度極慢，對于小型、簡單的橋梁模型有時很繁瑣，優勢并不明顯。

1.3 與CAD系統交互創建模型

CAD是專業的繪圖軟件，具有完善的繪圖與圖形編輯功能，建模高效、精準，在土木工程中被廣泛應用。此外，CAD可以進行多種圖形格式的轉換，具有較強的數據交換能力以及通用性、易用性，是有限元軟件進行模型交互的首選。

但是，復雜的橋梁模型在CAD與有限元軟件之間的通用性還有待完善。首先，在復雜模型導入過程中，經常發生部分模型數據丟失的情況。其次，完整的幾何信息的提取和模型重建過程比較繁雜，從CAD系統中輸入的模型若不適用網格劃分，則需要大量的幾何修補、簡化等工作，反而失去了模型交互的意義。

2 混合建模解析

2.1 APDL語言的應用

APDL(ANSYS Parametric Design Language)，即 ANSYS參數化設計語言，可以自動完成有限元常規分析的操作，以及通過參數化變量方式建立分析模型。APDL提供了一般程序語言的功能，程序的輸入可設定為根據指定的函數、變量以及選用的分析類型來做決定。APDL是一種解釋性語言并允許復雜數據的輸入，可以利用參數來建立模型，但要建立特定的復雜橋梁結構的模型，還是比較困難的，而且速度慢、效率低。

2.2 MATLAB的功能優勢

復雜的純數字化計算正是MATLAB的強項，MATLAB是一個包含大量計算算法的集合，擁有600多個工程中可用到的數學運算函數，能夠方便的實現用戶所需的各種計算功能。MATLAB具有方便的數據可視化功能，可將向量和矩陣用圖形表現出來，實現復雜數據的圖像化，適用于科學計算和工程繪圖等領域。

MATLAB應用高級矩陣語言，包含控制語句、函數、數據結構、輸入輸出和面向對象編程等特點，更加貼近實際數學表達式的書寫格式，便于表達復雜橋型的數字方程，有利于非計算機專業人員的使用。而且，MATLAB語言的可移植性好、可拓展性極強，這是MATLAB能夠與ANSYS進行數據交互的重要原因。

2.3 ADPL與MATLAB語言的對比分析

利用ANSYS系統自帶的二次開發工具ANSYS Parametric Design Language(APDL)，即ANSYS參數設計語言繪制的一條(0—2π)的正弦曲線。

其APDL命令流為:

利用MATLAB的函數語言生成的(0—2π)的正弦曲線，其函數語言為:

通過對比，可以很直觀的看到MATLAB數字化建模功能的方便、快捷，僅三句函數語言就可替換APDL的數行命令。對于不可展的空間曲面結構的建模以及通過復雜曲面的數學表達式建模的情況下，這種優勢將更加明顯。

2.4 混合建模的優勢

APDL與MATLAB混合建模的思路，就是借助MATLAB，將任意復雜的橋梁結構模型數字化，并導入到ANSYS的方法，為ANSYS的數字化復雜模型的快速建立提供一個有效的途徑。

混合建模不僅可以改進ANSYS的APDL語言在純數字化建模中的不足，而且在完善ANSYS的計算功能上，也具有一定的作用。

具體方法是ANSYS做計算引擎，利用MATLAB強大的數據處理及可視化功能，以數據信息作為MATLAB與ANSYS之間的紐帶。在MATLAB中處理數據并傳遞至ANSYS進行橋梁材料信息的模擬、空間網格的劃分等計算，之后反饋至MATLAB進行分析處理，以彌補APDL在復雜模型建立方面的不足，改善ANSYS的數字化計算功能，實現聯合ANSYS和MATLAB進行復雜工程問題的數值仿真及優化。

針對超靜定次數較高的大跨度橋梁結構體系的內力設計、分析，采用APDL語言與MATLAB混合建模，實現對其數字化計算，可避免界面操作的重復性，而且可以推廣應用于其他類似結構，從而提高設計效率與精度。

利用MATLAB進行復雜的純數字化模型的建立，將模型數據信息導入到ANSYS是一項很有意義的研究工作，對提高有限元的前處理效率有著重要的意義。本方法對表面由數學表達式給出的復雜模型，比如異形橋塔、異形橋墩、異形拱等橋梁結構，結合ANSYS命令流文件，能夠快速的建立異形結構的有限元模型。為工程技術人員提供一條純數字化建立空間有限元模型的快車道。

3 ANSYS與MATLAB的其他交互功能

ANSYS與MATLAB的交互功能不僅僅限于復雜模型的建立，設計與施工過程的聯合仿真也是重要方面。MATLAB具有調用外部程序的功能，且ANSYS與MATLAB均可從外部文件讀寫數據，因此，可將外部數據文件作為聯系MATLAB和ANSYS的橋梁，從而實現聯合ANSYS與MATLAB進行橋梁結構有限元的數值仿真。若ANSYS作為子程序在MATLAB中調用，可采用如下命令:

System(“C:ProgramFilesAnsysIncv100ANSYSinintelANSYS100.exe”-b-iD:inp.vmlmac-o“D:out.txt”);

“C:ProgramFilesAnsysIncv90ANSYSinintelANSYS90”為ANSYS程序路徑;D:in.txt為ANSYS從外部文件讀入APDL命令流;D:out.txt為向外部文件輸出ANSYS程序運行信息。

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［1］劉桂榮.有限元實用教程［M］.湖南大學出版社，2004.

［2］周金萍，王冉，吳斌.MATLAB實踐與提高［M］.中國電力出版社，2002.

［3］李傳習，王俊，等.聯合ANSYS與MATLAB進行鋼箱梁頂推施工過程仿真優化［J］.交通與計算機，2008，(6).

［4］謝剛，王小林.MATLAB與ANSYS數據接口的開發研究及應用［J］.機械工程與自動化，2005，(2):52-54.

中圖分類號:U448.2

C

1008-3383(2011)06-0187-01

收稿日期:2011-02-24

作者簡介:王立峰(1971-)，男，哈爾濱人，博士研究生，副教授，主要從事大跨度橋梁的健康監測與診斷的教學與研究。