ANSYS二次開發技術及在預應力混凝土中的應用

喬一樂 康曉亮 楊 建

(1.華北水利水電大學，河南 鄭州 450011； 2.石家莊市滹沱河建設管理處，河北 石家莊 050800)

ANSYS二次開發技術及在預應力混凝土中的應用

喬一樂1康曉亮2楊 建1

(1.華北水利水電大學，河南 鄭州 450011； 2.石家莊市滹沱河建設管理處，河北 石家莊 050800)

對ANSYS的二次開發技術作了簡要介紹，采用ANSYS二次開發的循環迭代法對預應力混凝土結構進行精確模擬，正確的反映了預應力的施加和損失問題，并通過實例分析驗證了該方法的有效性。

ANSYS軟件，二次開發技術，預應力，循環迭代

0 引言

ANSYS作為一款大型CAE有限元分析軟件，能夠進行應力場、溫度場、流場和電磁場的分析,具有完備的前、后處理功能,強大的求解器以及針對專業分析的二次開發技術,是解決龐大、復雜工程的一個十分有效的工具。經過幾十年的發展,ANSYS在有限元軟件領域占據了舉足輕重的地位，被世界各工業領域廣泛接受，成為全球眾多專業技術協會認可的標準分析軟件。它不僅集成了多個模塊而且還應用到眾多領域,為這些領域的技術交流提供了強有力的平臺。基于此，用戶可以很容易地實現對土木工程熱點問題的處理，例如：預應力施加與計算、徐變、施工過程模擬、預應力筋配置計算、混凝土開裂和壓碎計算等。然而，傳統的ANSYS模擬施加混凝土結構預應力的方法不能合理的考慮鋼筋的剛度貢獻和承載作用，又不能正確的反映鋼筋的實際應力應變狀態以及預應力損失等問題。

基于以上問題，本文提出應用ANSYS提供的二次開發技術對預應力混凝土結構進行精確模擬，并將其成功的應用到確定預應力簡支梁設計應力中，為今后ANSYS在預應力混凝土工程中的廣泛應用奠定良好的基礎，亦為開發和研制大型預應力混凝土結構提供了一種新的方法。

1 ANSYS的二次開發技術

1)用戶界面設計語言(UIDL)。

UIDL(User Interface Design Language)是ANSYS為用戶進行程序界面設計而提供的一種專用語言。它可以客戶化 ANSYS圖形交互界面的許多部件，包括：對話框、菜單項、在線幫助以及在 ANSYS環境中集成自己開發的程序。用UIDL編寫的程序文件稱為控制文件，必須以“*.GRN”為擴展名，它可在ANSYS原有的菜單中添加自己設定的菜單項和控制程序。UIDL控制文件由一個控制文件頭和幾個構造塊構成，一個構造塊對應著GUI的一個元件，每個構造塊是一系列的GUI命令，構造塊分為菜單塊和功能塊兩個類型[1]。

2)參數化設計語言(APDL)。

APDL(Parametric Design Language)是一種用來自動完成某些功能或建模的腳本語言，提供了一般程序語言的功能。它包含三個方面的內容：工具條、參量和宏命令，由類似于FORTRAN的語言部分和1 000多條ANSYS命令組成，有順序、選擇、循環及宏等結構。利用APDL將ANSYS命令組織起來，編寫出參數化的用戶程序，即建立有限元模型、加載和求解、結果后處理和結果查看，全部應用參數化語言完成，從而實現有限元全過程分析的參數化。使用這些特性,可以實現快速操作，數據快速傳遞、更新等功能。

3)用戶可編程特性(UPFs)。

UPFs(User Programmable Features)是ANSYS作為開放結構、允許用戶使用自己的FORTRAN程序的功能。用戶可以根據需要利用UPFs重新編譯連接生成用戶定制版本的ANSYS軟件，例如創建新單元、定義新的材料屬性、定義用戶失效準則等，用戶還可以編寫自己的優化設計算法，甚至可以將整個ANSYS程序作為子程序調用。UPFs是用戶在ANSYS提供的FORTRAN源代碼的基礎上，修改其用戶可編程子程序和函數(稱為用戶子程序),從源代碼層次上對ANSYS進行二次開發的工具。用戶需要在相應的FORTRAN語言編譯器的支持下，將編譯修改后的源代碼與ANSYS庫相連形成用戶版本的ANSYS可執行文件，另外還可以創建自己的外部命令。

2 預應力鋼筋模擬的主要方法

2.1 預應力鋼筋建模方法

1)等效荷載法。

等效荷載法就是用一組“等效”荷載來替代預應力筋的作用施加到結構上。其優點是建模簡單，不需要考慮預應力鋼筋的具體位置，在用梁單元和殼單元進行橋梁總體內力分析的時候，能研究整體的預應力效應。其缺點是沒有考慮力筋對混凝土的作用分布和方向、對張拉過程無法模擬、難以求得結構細部受力反應、在外荷載作用下的共同作用難以考慮、不宜用其進行三維實體單元的詳細應力分析。

2)實體力筋法。

實體力筋法是將預應力鋼筋和混凝土用不同的單元類型各自建立模型，再建立二者之間的位移關系用不同的單元一起考慮。多數情況下，預應力鋼筋用Link系列單元模擬，混凝土則用 Solid 系列單元進行模擬。根據力學模型上的求解方法，可分為節點耦合法、約束方程法和實體切分法三種。

本文的預應力鋼筋建模采用實體切分法，其基本步驟如下：a.建立混凝土實體幾何模型；b.分割體定義力筋線；c.單元劃分，施加預應力、荷載、邊界條件；d.求解。

2.2 預應力鋼筋施加方法[2]

1)降溫法。

該法是通過設置各向異性的溫度應變系數，經過應力—應變關系推算，在給定的溫差下就可以獲得與預應力產生的應變等效的效果。其實質為等效變形的方法，即利用鋼筋的溫度特性為力筋單元設定一個溫降值，使得力筋單元產生一個收縮變形，達到所需要的預加應力。

鋼筋的溫降值公式為：

ΔT=P/EAa

(1)

式中：ΔT——力筋的溫降值；P——鋼筋拉力設計值；E——力筋的彈性模量；A——力筋的截面面積；a——力筋的線性膨脹系數。

2)初始應變法。

通過位移約束進行加載，使結構中產生的應變與預應力加載產生的應變等效。給力筋單元設定一個初始拉力，放松后使力筋單元產生收縮變形生成一個預拉作用。

初始應變的公式為：

ε0=P/EA

(2)

式中：ε0——力筋的初應變；P——鋼筋拉力設計值；E——力筋的彈性模量；A——力筋的截面面積。

該方法可以模擬預應力鋼筋的具體位置，并且能夠得到預應力鋼筋在荷載作用下的應力分布。本文擬采用初始應變法來施加預應力，通過ANSYS二次開發的循環迭代法來求解最終的設計應力值。

3 基于ANSYS二次開發的混凝土結構預應力設計值確定

3.1 混凝土結構預應力設計值的確定方法

目前國內外ANSYS模擬預應力的方法大致有:等效荷載法、降溫法、應變法等等。本文采用通過施加初始應變進而通過應力迭代求解最終應力值的循環迭代法。該方法就是在不斷調初始應變的同時,反復修正鋼筋應力求解值,使其最終滿足設計要求。這時得到的鋼筋應力值即為預應力設計值,該方法能包含各種預應力的損失同時又考慮了鋼筋與混凝土的共同作用。詳細步驟如下:

1)輸入預應力混凝土結構和鋼筋的基本參數；

2)假定設計提供的預應力鋼筋應變值為初始應變{ε0}(ε0=P/AE)，并將此值輸入Link8單元實常數中，初始拉力為{P0}(P0=P)；

3)采用ANSYS求解器進行應力的平衡迭代，求出鋼筋應力值{σn}；

4)檢查‖{Aσn}-{P0}‖/{P0}是否小于設計值，如果小于設計值則打印計算結果，否則用{εn+1}={εn}{P0}/{Aσn}代替{εn}，重復步驟3)，4)，直至條件‖{Aσn}-{P0}‖/{P0}滿足要求為止；

5)打印滿足要求的{σn}值。

3.2 混凝土結構預應力設計值的確定過程

用戶可以結合本專業的學科特點進行ANSYS的二次開發應用，創造出既簡便又實用的開發程序，進而彌補ANSYS在特定學科領域的不足。一方面顯示了ANSYS作為大型CAE軟件的廣泛應用性，另一方面又提高了ANSYS應用于實際的高效性。結合本文混凝土預應力施加特點，即預應力大小如何確定，也就是如何模擬張拉的一個過程。我們最終要的是預應力存留值，需要反復調整初始值來模擬預應力損失情況。

故本文基于ANSYS二次開發的APDL參數化語言設計，通過對預應力的循環迭代編制出可以求得預應力存留值的二次開發程序，以便高效解決預應力施加問題。預應力以初應變的方式加到鋼筋上,詳細實現步驟如下：

1)建立有限元分析模型,定義荷載加上邊界約束條件。

2)定義參數數組存儲按照循環迭代法求解得到的應力和應變值：

*GET,EMAX,ELEM,0,COUNT !單元總數

*DIM,ISTRIN,ARRAY,EMAX，1 !鋼筋應變數組

*DIM,FXX,ARRAY, EMAX，1 !鋼筋應力數組

3)設置ANSYS分析類型，求解單元內力:

ANTYPE,STATIC !進行靜力分析

4)應力迭代。

a.用*do-loop命令循環求解,每求解一次,利用ANSYS命令(*GET)從計算結果中提取鋼筋應力,檢查鋼筋拉力與設計提供的拉力誤差是否小于允許值。

b.如果是小于允許值，則停止計算，否則，將二者比值作為應變擴大系數，令{εn+1}={εn}{P0}/{Aσn}，采用ANSYS命令(RMODIF)修改鋼筋單元的實常數，重復步驟3)，4)進行計算，直至計算應力滿足要求。

4 應用舉例

依照上面介紹的方法,結合一預應力簡支梁實例, 應用APDL語言編制的循環迭代程序成功實現了預應力混凝土結構的應力模擬。預應力混凝土簡支梁如圖1所示，預應力筋為底部受拉縱筋。

已知預應力筋的面積As=140 mm2，其張拉力為P=200 kN,彈性模量Es=2.0×105MPa。混凝土標號為C50，混凝土彈性模量為Ec=4.0×104MPa,質量密度為2 300 kg/m3。分析時混凝土采用Solid95單元模擬，力筋采用Link8單元模擬。

ANSYS計算的鋼筋應力如圖2所示。

由以上計算結果可知ANSYS經過兩次循環迭代后，計算鋼筋應力值ε=1.43×106MPa與設計值ε1=1.428 5×106MPa在誤差允許的范圍之內，所以用該種方法來模擬施加預應力是完全可以的。

5 結語

本文在介紹ANSYS各項二次開發功能的同時重點介紹了APDL參數化語言在預應力混凝土結構設計中的具體應用，詳細分析了精確模擬施加預應力的具體步驟和方法，充分體現了利用ANSYS自身二次開發工具解決工程實際問題的必要性，為有限元軟件在工程領域的專業開發分析起了很好的導向作用，同時為解決復雜的混凝土結構預應力問題奠定了良好 的基礎。

[1] 段志東,張克華.ANSYS圖形用戶界面二次開發[J].蘭州鐵道學院學報,2002,21(1):44-46.

[2] 付永強,張小水,胡 成.預應力混凝土結構施加預應力的Ansys模擬[J].工程與建設,2008,22(6):784-786.

ANSYS secondary development technology and application in the prestressed concrete

QIAO Yi-le1KANG Xiao-liang2YANG Jian1

(1.NorthChinaUniversityofWaterConservancyandHydropower，Zhengzhou450011,China;2.ShijiazhuangHutuoRiverConstructionManagementOffice,Shijiazhuang050800,China)

The paper gives the brief introduction of the ANSYS secondary development technology, adopts the lip iteration of ANSYS secondary development technology to have the accurate simulation of the prestressed concrete structure, reflects the prestress construction and losses, and proves the effectiveness of the method by the experimental analysis.

ANSYS software, secondary development technology, prestress, loop iteration

1009-6825(2014)03-0050-03

2013-11-06

喬一樂(1987- )，男，在讀碩士； 康曉亮(1988- )，男，助理工程師； 楊 建(1989- )，男，在讀碩士

TU378

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