OpenSTAAD在變電架構(gòu)有限元分析中的應(yīng)用

閆素梅，馮瞬凱，王崇宇

（河北省電力勘測設(shè)計研究院，石家莊 050031）

OpenSTAAD在變電架構(gòu)有限元分析中的應(yīng)用

閆素梅，馮瞬凱，王崇宇

（河北省電力勘測設(shè)計研究院，石家莊 050031）

提出了一種運(yùn)用OpenSTAAD有限元分析的二次開發(fā)功能，結(jié)合.net可視化界面，對變電架構(gòu)的創(chuàng)建方法進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。結(jié)果表明，變電架構(gòu)中應(yīng)用OpenSTAAD與.Net結(jié)合的參數(shù)化設(shè)計，可快速建模；滿應(yīng)力迭代以及多線程的優(yōu)化設(shè)計方案可迅速查找內(nèi)力結(jié)果并確定桿件截面，為工程設(shè)計提供方便有效的方法。

變電架構(gòu)；OpenSTAAD；構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計；參數(shù)化模型

隨著變電站架構(gòu)形式多樣化，架構(gòu)形式出現(xiàn)了用鋼管桿代替了水泥桿的架構(gòu)，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)代替了磚混結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致內(nèi)力計算中再采用傳統(tǒng)只有桿單元的計算算法不合適，而STAAD空間結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)力計算采用梁、桿單元相結(jié)合的方式，計算更加精確，結(jié)果更加符合結(jié)構(gòu)的實際受力情況，設(shè)計可靠性能更高。

由于變電站架構(gòu)復(fù)雜、桿件多，采用有限元軟件STAAD、Ansys等進(jìn)行建模，建模過程繁瑣工作量大，其工作效率較低。使用STAAD/CHINA中可定值專用的設(shè)計工具OpenSTAAD與第三方軟件.Net連接，利用.Net開發(fā)平臺的界面操作簡單、穩(wěn)定可靠，可迅速形成變電架構(gòu)模型，采用滿應(yīng)力迭代算法和多線程方法優(yōu)化算法優(yōu)化設(shè)計。

1　OpenSTAAD建模

變電模型的建立和計算過程可分3部分完成：運(yùn)用.Net可快速建立OpenSTAAD模型，運(yùn)行OpenSTAAD進(jìn)行有限元分析計算，從STAAD中讀取數(shù)據(jù)結(jié)果并顯示到界面中。

1.1空間建?？焖賱?chuàng)建

本系統(tǒng)參照變電站鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)范［1］、架空送變電線路鋼管桿設(shè)計技術(shù)規(guī)定等技術(shù)規(guī)范，結(jié)合設(shè)計院多年工作經(jīng)驗，總結(jié)了梁、柱、避雷針、支座等變電構(gòu)件原始模型數(shù)據(jù)，利用.Net的人性化、可視化的設(shè)計工具，形成了可參數(shù)化的數(shù)學(xué)模型，并可自由設(shè)置和修改截面特性、材料特性、約束信息等。

根據(jù)已建單構(gòu)件數(shù)學(xué)模型創(chuàng)建變電站有限元空間模型，可通過.Net界面選定初始坐標(biāo)位置自動生成各種空間模型的幾何信息、幾何特性。系統(tǒng)自動把桿件分為主材和斜材，主材剛度大在STAAD可設(shè)為梁單元、斜材設(shè)為桿單元?？臻g有限元模型將保留原始數(shù)學(xué)構(gòu)件模型的截面特性、材料特性、支座信息［2］等，不用重復(fù)設(shè)置。

1.2OpenSTAAD的運(yùn)行

通過.Net界面取得空間模型的各種信息即可創(chuàng)建STAAD有限元空間模型并進(jìn)行計算分析。計算步驟如圖1所示，根據(jù).Net界面信息生成OpenSTAAD輸入文件（后綴std）；在.Net平臺中可采用CreateInstance創(chuàng)建OpenSTAAD句柄，啟動STAAD軟件；調(diào)用Analyze（）語句對有限元模型進(jìn)行分析計算；STAAD作為大型有限元軟件，在分析過程中需要消耗時間，系統(tǒng)可檢測相應(yīng)的.log文件是否有“END OF ANALYSIS”語句，如果有此語句則表現(xiàn)分析完成可關(guān)閉STAAD分析進(jìn)程“SProStaad”，進(jìn)而讀取分析結(jié)果；對于讀取桿件內(nèi)力和節(jié)點(diǎn)位移的語句可調(diào)用OpenSTAAD的Output函數(shù)即.Output.Get Member End Forces、Output.Get NodeDisplacements。最后關(guān)閉軟件可使用OpenSTAAD.Quit（）。

圖1　OpenSTAAD運(yùn)行流程

1.3分析結(jié)果與顯示

有限元軟件運(yùn)行完成后涉及到如何把STAAD計算結(jié)果傳輸?shù)?Net界面中，為開發(fā)者提供有用的信息。OpenSTAAD的結(jié)果可讀取STAAD的輸出文件（.*ANL）［3］，由于.*ANL文件過于冗雜，解讀起來比較繁瑣工作量大，使用OpenSTAAD的Output類的相應(yīng)函數(shù)讀取桿件內(nèi)容和節(jié)點(diǎn)位移，并將結(jié)果以“*.TXT”文件格式保存在工程目錄中以供查看。

在.Net界面中可通過報表格式顯示計算分析結(jié)果，表格中除需顯示STAAD計算的桿件內(nèi)力和節(jié)點(diǎn)位移外，還需顯示通過桿件內(nèi)力進(jìn)行選材計算出的桿件強(qiáng)度、壓彎構(gòu)件穩(wěn)定、軸心受壓結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計算值以及規(guī)范規(guī)定值。

2　構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計

用有限元軟件STAAD進(jìn)行變電設(shè)計，設(shè)計人員進(jìn)行材質(zhì)截面選擇和設(shè)置的時候，需要大量工作經(jīng)驗或反復(fù)計算，才可最終確定材質(zhì)型號。以下提出了一種在變電結(jié)構(gòu)截面計算采用滿應(yīng)力分析的方法，利用迭代計算算法，確定并優(yōu)化了截面設(shè)計，多線程讀取STAAD結(jié)果節(jié)約了大量時間。

2.1滿應(yīng)力迭代優(yōu)化設(shè)計

由于變電架構(gòu)設(shè)計中工況內(nèi)容多而復(fù)雜，因此在桿件選材截面計算中使用滿應(yīng)力法［4］，得到桿件的內(nèi)力最優(yōu)解。桿件截面型號在STAAD迭代計算中穩(wěn)定生成，即保證工程質(zhì)量、又節(jié)省材料。其流程為：從數(shù)學(xué)模型中選定每根桿件截面型號；遍歷工況中所有工況；取得對應(yīng)工況的STAAD的內(nèi)力計算值；通過內(nèi)力進(jìn)入截面選材計算最優(yōu)的桿件慣性矩Ix；取所有工況中最大的Ix確定此桿件截面型號ID；比較此Ix與初值（或上一次的）Ix1；如果相等則此次ID則為所求桿件的型號；如不等則取較大Ix桿件截面型號ID重新進(jìn)行STAAD分析。

2.2多線程讀取提高效率

變電架構(gòu)桿件多、節(jié)點(diǎn)多，尤其是高電壓變電站如330 k V、500 k V桿件可達(dá)上萬根，從Open-STAAD中讀取桿件內(nèi)力和節(jié)點(diǎn)位移需進(jìn)行大量的查詢工作，工作量較大，處理時間較長，這樣增加了整個程序的整體運(yùn)行時間，為此采用多線程計算方法，按照不同工況，不同桿件節(jié)間段同時讀取分析數(shù)據(jù)，充分利用CPU多核資源，減少整體運(yùn)行時間。

3　應(yīng)用案例

圖2為衡水某500 k V變電架構(gòu)模型整體全景效果，該空間模型是在經(jīng)過軸心網(wǎng)格、模型創(chuàng)建、模型布置及荷載分置后的效果圖，在效果圖形中可直接觀察到模型創(chuàng)建的立體模式、布置是否合理、荷載大學(xué)，并且根據(jù)要求適時進(jìn)行修改。最后可在計算模板中進(jìn)行STAAD的有限元分析計算、并且查看計算結(jié)果。

4　結(jié)論

以上針對變電架構(gòu)模型的

圖2　變電架構(gòu)模型整體全景效果

有限元分析，通過對OpenSTAAD二次開發(fā)的研究，基于.Net顯示平臺，制訂了詳細(xì)的解決方案。通過此方案開發(fā)出了SSD變電架構(gòu)設(shè)計軟件，開發(fā)中充分利用設(shè)計人員的在變電架構(gòu)設(shè)計中的經(jīng)驗與.Net優(yōu)良界面顯示功能實現(xiàn)STAAD有限元快速建模；截面計算中采用滿應(yīng)力迭代優(yōu)化計算，實現(xiàn)工程的最優(yōu)設(shè)計；多線程算法減少了軟件的整體運(yùn)行時間。此軟件為以后的變電工程設(shè)計打下良好的基礎(chǔ)。

［1］ GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］ 潘 登，朱 政.基于STAAD軟件變電架構(gòu)鋼筋混凝土環(huán)形桿設(shè)計的淺析［J］.低碳世界，2014（3）：31-33.

［3］ 魏 亮，陳 延.STAAD二次開發(fā)的經(jīng)驗［J］.鋼結(jié)構(gòu)，2007（6）：88-92.

［4］ 張建文，張 磊.某超靜定衍架滿應(yīng)力法的計算與分析［J］.建筑技術(shù)開發(fā)，2004（1）：1-3.

本文責(zé)任編輯：丁 力

Application of OpenSTAAD in Substation Framework Finite Element Analysis

Yan Sumei，F(xiàn)eng Shunkai，Wang Chongyu
（Hebei Electric Power Survey Design and Research Institute，Shijiazhuang 050031 China）

This system summarizes the design institute of substation architecture work experience for many years，puts forward the optimization design is carried out on the substation of architecture creation method，a finite element analysis of the secondary development of OpenSTAAD function，in combination with Net visual interface.Application results show that the substation architecture OpenSTAAD and Net combination of parametric design，can quickly create modeling；Full stress iteration and optimization design scheme of multithreading can rapidly find the internal force of the results and determine bar section，provides a convenient and effective method for the engineering design.

substation architecture；OpenSTAAD；component optimization design；structural parametric model

TM769

B

1001-9898（2016）02-0005-02

2016-01-07

閆素梅（1984-），女，工程師，主要從事電力系統(tǒng)應(yīng)用軟件研究開發(fā)工作。