OpenSTAAD在變電架構有限元分析中的應用

閆素梅，馮瞬凱，王崇宇

（河北省電力勘測設計研究院，石家莊 050031）

OpenSTAAD在變電架構有限元分析中的應用

閆素梅，馮瞬凱，王崇宇

（河北省電力勘測設計研究院，石家莊 050031）

提出了一種運用OpenSTAAD有限元分析的二次開發功能，結合.net可視化界面，對變電架構的創建方法進行了優化設計。結果表明，變電架構中應用OpenSTAAD與.Net結合的參數化設計，可快速建模；滿應力迭代以及多線程的優化設計方案可迅速查找內力結果并確定桿件截面，為工程設計提供方便有效的方法。

變電架構；OpenSTAAD；構件優化設計；參數化模型

隨著變電站架構形式多樣化，架構形式出現了用鋼管桿代替了水泥桿的架構，鋼筋混凝土框架結構代替了磚混結構，結構的變化導致內力計算中再采用傳統只有桿單元的計算算法不合適，而STAAD空間結構分析的內力計算采用梁、桿單元相結合的方式，計算更加精確，結果更加符合結構的實際受力情況，設計可靠性能更高。

由于變電站架構復雜、桿件多，采用有限元軟件STAAD、Ansys等進行建模，建模過程繁瑣工作量大，其工作效率較低。使用STAAD/CHINA中可定值專用的設計工具OpenSTAAD與第三方軟件.Net連接，利用.Net開發平臺的界面操作簡單、穩定可靠，可迅速形成變電架構模型，采用滿應力迭代算法和多線程方法優化算法優化設計。

1　OpenSTAAD建模

變電模型的建立和計算過程可分3部分完成：運用.Net可快速建立OpenSTAAD模型，運行OpenSTAAD進行有限元分析計算，從STAAD中讀取數據結果并顯示到界面中。

1.1空間建模快速創建

本系統參照變電站鋼結構設計技術規范［1］、架空送變電線路鋼管桿設計技術規定等技術規范，結合設計院多年工作經驗，總結了梁、柱、避雷針、支座等變電構件原始模型數據，利用.Net的人性化、可視化的設計工具，形成了可參數化的數學模型，并可自由設置和修改截面特性、材料特性、約束信息等。

根據已建單構件數學模型創建變電站有限元空間模型，可通過.Net界面選定初始坐標位置自動生成各種空間模型的幾何信息、幾何特性。系統自動把桿件分為主材和斜材，主材剛度大在STAAD可設為梁單元、斜材設為桿單元。空間有限元模型將保留原始數學構件模型的截面特性、材料特性、支座信息［2］等，不用重復設置。

1.2OpenSTAAD的運行

通過.Net界面取得空間模型的各種信息即可創建STAAD有限元空間模型并進行計算分析。計算步驟如圖1所示，根據.Net界面信息生成OpenSTAAD輸入文件（后綴std）；在.Net平臺中可采用CreateInstance創建OpenSTAAD句柄，啟動STAAD軟件；調用Analyze（）語句對有限元模型進行分析計算；STAAD作為大型有限元軟件，在分析過程中需要消耗時間，系統可檢測相應的.log文件是否有“END OF ANALYSIS”語句，如果有此語句則表現分析完成可關閉STAAD分析進程“SProStaad”，進而讀取分析結果；對于讀取桿件內力和節點位移的語句可調用OpenSTAAD的Output函數即.Output.Get Member End Forces、Output.Get NodeDisplacements。最后關閉軟件可使用OpenSTAAD.Quit（）。

圖1　OpenSTAAD運行流程

1.3分析結果與顯示

有限元軟件運行完成后涉及到如何把STAAD計算結果傳輸到.Net界面中，為開發者提供有用的信息。OpenSTAAD的結果可讀取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類的相應函數讀取桿件內容和節點位移，并將結果以“*.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果，表格中除需顯示STAAD計算的桿件內力和節點位移外，還需顯示通過桿件內力進行選材計算出的桿件強度、壓彎構件穩定、軸心受壓結構穩定計算值以及規范規定值。

2　構件優化設計

用有限元軟件STAAD進行變電設計，設計人員進行材質截面選擇和設置的時候，需要大量工作經驗或反復計算，才可最終確定材質型號。以下提出了一種在變電結構截面計算采用滿應力分析的方法，利用迭代計算算法，確定并優化了截面設計，多線程讀取STAAD結果節約了大量時間。

2.1滿應力迭代優化設計

由于變電架構設計中工況內容多而復雜，因此在桿件選材截面計算中使用滿應力法［4］，得到桿件的內力最優解。桿件截面型號在STAAD迭代計算中穩定生成，即保證工程質量、又節省材料。其流程為：從數學模型中選定每根桿件截面型號；遍歷工況中所有工況；取得對應工況的STAAD的內力計算值；通過內力進入截面選材計算最優的桿件慣性矩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重新進行STAAD分析。

2.2多線程讀取提高效率

變電架構桿件多、節點多，尤其是高電壓變電站如330 k V、500 k V桿件可達上萬根，從Open-STAAD中讀取桿件內力和節點位移需進行大量的查詢工作，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，不同桿件節間段同時讀取分析數據，充分利用CPU多核資源，減少整體運行時間。

3　應用案例

圖2為衡水某500 k V變電架構模型整體全景效果，該空間模型是在經過軸心網格、模型創建、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建的立體模式、布置是否合理、荷載大學，并且根據要求適時進行修改。最后可在計算模板中進行STAAD的有限元分析計算、并且查看計算結果。

4　結論

以上針對變電架構模型的

圖2　變電架構模型整體全景效果

有限元分析，通過對OpenSTAAD二次開發的研究，基于.Net顯示平臺，制訂了詳細的解決方案。通過此方案開發出了SSD變電架構設計軟件，開發中充分利用設計人員的在變電架構設計中的經驗與.Net優良界面顯示功能實現STAAD有限元快速建模；截面計算中采用滿應力迭代優化計算，實現工程的最優設計；多線程算法減少了軟件的整體運行時間。此軟件為以后的變電工程設計打下良好的基礎。

［1］ GB 50017-2003，鋼結構設計規范［S］.

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

［3］ 魏 亮，陳 延.STAAD二次開發的經驗［J］.鋼結構，2007（6）：88-92.

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

本文責任編輯：丁 力

Application of OpenSTAAD in Substation Framework Finite Element Analysis

Yan Sumei，Feng 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，主要從事電力系統應用軟件研究開發工作。