基于APDL 和UIDL 的拱壩參數化建模及結果分析

田 羽，張小飛，何飛龍，黃佳敏

（廣西大學土木建筑工程學院，廣西 南寧 530000）

1 引言

在地形和地質條件適宜的情況下，拱壩相較重力壩或土石壩更加經濟，但同時結構也最為復雜[1]，因此對于數值仿真模擬來說難度更高。隨著科技的迅速發展，有限元軟件在水利工程中的應用越來越廣泛[2-3]，ANSYS 因具有兼容性好、計算功能強大等優點成為最常用的有限元軟件之一，其能與Pro/E、UG、CITIA 等軟件進行銜接[4]，利用軟件建模后導入ANSYS進行計算分析，從而減少前處理耗費的時間。但通常情況下導入的模型需要進行修復，若模型中有太多細節需要處理，通過其他軟件進行建模并沒有太大優勢。我國學者提出了各種方法來解決這一難題，宮恩祥[5]利用APDL 語言建立了泵軸模型，但缺點在于缺乏友好的交互界面，不利于初學者的學習使用；周強[6]基于Excel-VBA 與APDL 語言完成拱壩的建模，但針對不同壩型需對Excel 進行重新開發設計，不具有普適性；其他學者[7-9]也提出基于JAVA、VC++ 等與APDL 語言結合使用而開發出的建模子程序，但缺點是其程序孤立于ANSYS 程序之外，需另行打開調用。鑒此，本文以ANSYS 軟件為平臺，基于UIDL 和APDL 語言系統地設計拱壩建模子程序，在保證提高建模效率的同時增強子程序的普適性，方便用戶使用，并以南方某拱壩為實例驗證本文子程序的合理性與可靠性。

2 UIDL 在拱壩建模中的應用

2.1 UIDL 簡介

UIDL（User Interface Design Language）全稱為用戶圖形界面設計語言，該語言可用于修改ANSYS 的圖形界面，例如在主菜單欄添加子級菜單項，其中包括參數輸入的對話框、拾取框等[10]。UIDL 主要完成主菜單系統、對話框和拾取框以及幫助選項圖形界面的設計，用UIDL 編寫的代碼文件稱為控制文件，擴展名為“.GRN”。控制文件一般由一個控制文件頭和至少一個結構塊組成，結構塊是一個UIDL 文件的核心，一般分為命令結構塊、幫助結構塊和菜單結構塊。

2.2 菜單設計

在主菜單欄中添加子菜單的方法主要有三種：一是修改ANSYS 安裝目錄“…ANSYS Incv170ansysguien-usUIDL”文件夾中的UIMENU.GRN 文件，通過在結構塊的適當位置添加自定義的命令結構塊來完成子菜單的創建，但若修改不當，將會導致ANSYS 崩潰；二是將UIDL 文件夾中的相關控制文件復制到一個新的存放位置并進行修改，特別注意對menulist.ans文件中的工作路徑也要進行相應的更改；三是在UIDL 文件夾中建立新的控制文件，并在menulist.ans 文件中添加該文件的路徑。后兩種方法均可避免文件修改錯誤而導致ANSYS 的崩潰，其中第三種方法更為簡便且避免了文件存放的混亂。因此本文用第三種方法創建了名為ArcDammenu.GRN 的控制文件，在該文件的Men_ArcSimulationSystem 結構塊中的適當位置添加了五個以“Fnc_”開頭的自定義命令結構塊鏈接，分別創建了“添加壩體材料”“添加壩基材料”“創建壩體模型”“創建壩基模型”“壩體按拱圈分層”五個子菜單項。具體代碼如下，經更改后ANSYS 中的主菜單界面見圖1。

圖1 修改后的主菜單界面

2.3 對話框設計

ANSYS 的對話框用于接收用戶所輸入的各項數據，本文按上述五個子菜單分別對應創建相應對話框，用于輸入拱壩及壩基的幾何參數和材料參數及拱壩需要切分的層數，方法是在UNIFUNC 文件中添加Fnc_AdddamMaterials、Fnc_AddRockMateria ls、Fnc_CreateDamModel、Fnc_CreateBajiModel、Fnc_Batifenceng 五個自定義命令結構塊。五個結構塊的編制思路類似，由于篇幅原因，僅列出最具代表性的壩體建模結構塊的部分代碼，相應所建立的壩體建模對話框見圖2。

圖2 創建壩體模型對話框

3 APDL 在拱壩建模中的的應用

3.1 APDL 簡介

APDL（ANSYS Parameter Design Language）全稱為ANSYS參數化設計語言[11]，該語言可用于批量完成用戶的某些特定操作，其優勢在于不僅可以完成大部分GUI 的操作任務，甚至可以實現某些GUI 所不能實現的功能，APDL 語言中包含了DO循環語句、IF-ELSE 判斷語句、宏語言等，通過這些語句的合理運用，可極大節省用戶時間，提升工作效率。

3.2 拱壩及壩基建模宏文件的設計

在利用UIDL 完成子程序菜單及對話框的建立之后，利用APDL 語言分別編制上述五個結構塊需要執行的宏文件，并封裝保存于“ANSYS Incv170ansysapdl”文件夾中，通過所建立的對話框完成相應參數的輸入后，即可調用相應的宏文件，完成參數化建模，由于篇幅原因，僅將壩體與壩基建模宏文件的編程思路列入圖3。

圖3 建模流程圖

至此已完成子程序的編制，相較于引言中所介紹的其它建模方法而言，本文所開發的建模子程序適用壩型范圍更廣，同時在ANSYS 軟件中開發出友好的人機交互界面，將復雜的代碼封裝于“幕后”，大大提高了建模效率，更易于用戶理解和操作。利用子程序分別建立壩高均為69 m 的雙曲、單曲及雙曲重力拱壩（厚高比約為0.49）模型，見圖4。由此可見本子程序對于單圓心拱壩的各種壩型均可適用。

圖4 三種類型的拱壩模型

4 實例分析

4.1 基本資料

南方某水電站工程是一座以發電為主，兼有旅游綜合效益的水力發電工程。壩型采用碾壓混凝土單圓心雙曲拱壩，壩頂高程455.0 m，壩頂寬6 m，壩底高程386.0 m，最大壩高69.0 m，溢流堰頂高程443.5 m，正常蓄水位為453.0 m。壩體的拱冠梁剖面圖及平面布置圖見圖5，壩體各層幾何參數見表1，壩體與周圍基巖的材料參數見表2。

圖5 拱壩平面圖及拱冠梁剖面圖

表1 拱壩體形參數

表2 拱壩與基巖材料參數

4.2 壩體-壩基模型的建立

本文擬建拱壩壩型為雙曲拱壩，近基面的壩基簡化為壩體向上下游及左右岸拉伸2 倍壩高，為進一步證明開發建模程序的高效性及可靠性，采用建模子程序和僅利用APDL 語言兩種方法（下文簡稱為“方法一”與“方法二”）進行建模效率及計算結果對比。其中，所采用APDL 語言（已預先完成APDL 命令流的編制，僅修改相應幾何參數）完成拱壩建模耗時4 分54 秒，按劃分單元計算的壩體總體積約為約為125626.4 m3；采用建模子程序建模僅耗時2 分50 秒，按劃分單元計算的壩體總體積為125557.2 m3。而根據設計參數所計算出的標準壩體總體積為123684.3 m3，方法一和方法二所建模型單元總體積與按設計參數計算的總體積間的誤差分別為1.51%和1.57%，由此可見，采用本文子程序建模更加高效且模型精確度更高。為了更接近實際情況，在完成上述建模后，添加了簡化的溢流堰。在網格劃分時，壩體和壩基單元均采用SOLID185 單元，采用本文建模子程序生成模型的壩體單元數為14640 個，節點數為19095 個，巖基單元數為180990 個，節點數為194928 個，最終所建模型見圖6 和圖7。

圖6 壩體模型

圖7 整體模型

4.3 拱壩位移與應力分析

4.3.1 壩體位移對比分析

以“正常蓄水位+溫降”工況為例進行位移和應力計算分析，該工況的荷載組合情況為：壩體自重+正常蓄水位上游453 m+下游397.3 m+泥沙壓力+揚壓力+溫降。

在上述荷載組合下，采用4.2 節所述的兩種方法計算拱壩的位移。兩種方法所計算最大位移值及其發生位置基本一致，具體數據見表3，壩體變形均符合一般規律，大致以拱冠梁為軸左右對稱，主要產生順河向位移，橫河向和豎直方向的位移很小，順河向最大位移出現在溢流壩中墩頂部，橫河向最大位移出現在溢流壩左右邊墩的上游側頂部，分別向左右岸變形，豎直方向最大位移發生在壩體下游面。

表3 壩體最大位移值

圖8 順河向位移對比

圖8 采集了“正常蓄水位+溫降”工況下兩種方法計算各層拱圈拱冠梁部位的順河向位移結果，由圖8 可知，兩種方法所計算的位移結果均符合一般規律且數值相近，除了在430 m高程處采用方法二所得順河向位移略大于方法一所得順河向位移外，其余高程均小于后者，并且隨著高程的增加，兩者位移差有略微增長的趨勢。

4.3.2 壩體應力對比分析

經施加相應荷載進行計算后，兩種方法所得應力結果見表4，由表4 可知采用方法一與方法二所計算的最大主拉應力均出現在上游面的壩踵附近，其中方法一計算的最大主拉應力略大一點；兩種方法所計算的最大主壓應力分布規律也基本一致，應力分布大致以拱冠梁為軸左右對稱，方法一所計算最大主壓應力出現在右岸邊墩的墩底附近，最大值為-5.67 MPa，方法二的最大主壓應力出現在左岸邊墩的墩底附近，最大值為-6.12 MPa。

表4 壩體最大應力值

5 結論

1）在ANSYS 軟件中開發出了一種基于APDL 和UIDL 編制的拱壩參數化建模子程序，應用該方法建模相較目前常用的“僅采用APDL 語言參數化建模”的方法而言更便于操作，且大大提升了建模效率。

2）以南方某拱壩為例，采用本文研發的的建模子程序及僅使用APDL 語言兩種方法進行建模，并對其位移與應力結果對比分析，結果表明兩種方法所計算的位移與應力無論是產生位置還是數值都基本一致，從而印證了本文建模子程序的合理性與可靠性。

3）本文所開發的建模程序僅適用于單圓心拱壩，對于多圓心、拋物線等類型的拱壩建模程序在未來需進一步研究。