Tcl/Tk與APDL混合編程的實現(xiàn)方法及應用

周泉吉 許建聰

1. 上海建工集團工程研究總院 上海 201114；2. 同濟大學 上海 200092

“數(shù)字化建造”已成為建筑行業(yè)的發(fā)展趨勢。有限元虛擬仿真分析作為建筑結(jié)構(gòu)“數(shù)字化建造”的重要基石之一，近年來在科研工作以及重大工程中得到了普遍的應用。但先進仿真技術(shù)的理論性較強，難以為工程人員所普遍掌握及正確使用，這也大大地限制了其在建筑行業(yè)中的實質(zhì)性推廣。利用通用有限元軟件所提供的二次開發(fā)工具，對其進行專業(yè)化、功能化、標準化、輕量化定制，從而提高軟件工程性，降低學習成本，并有利于軟件的規(guī)范正確使用。

ANSYS因其強大的結(jié)構(gòu)力學分析功能而在結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域備受青睞，并提供了較友好、系統(tǒng)的二次開發(fā)環(huán)境[1]。針對其在專業(yè)化定制、工程化應用、跨系統(tǒng)平臺、多版本兼容等方面的需求[2-5]，同時為規(guī)避因ANSYS版權(quán)限制而導致的研究成果發(fā)布問題，有必要對其二次開發(fā)的新方法、新模式展開研究。

1 Tcl/Tk、APDL混合編程實現(xiàn)方法

區(qū)別于常規(guī)在ANSYS平臺直接進行的嵌入式二次開發(fā)，采用非嵌入式的Tcl/Tk、APDL混合編程方法所開發(fā)的軟件具備獨立性，使得開發(fā)人員能夠規(guī)避ANSYS版權(quán)問題，同時具有跨系統(tǒng)平臺、多ANSYS版本兼容特性。該方法的實現(xiàn)機制如圖1所示。

Tcl/Tk、APDL混合編程開發(fā)過程的一般步驟如下：

1）利用APDL的參數(shù)化分析功能，實現(xiàn)對某類具體問題整個分析過程的參數(shù)化、程序化描述，結(jié)合面向?qū)ο缶幊谭椒ǎ瑢φ麄€分析過程逐步建立模塊化的分析宏文件，在確保輸入?yún)?shù)（ParsInput list）的工程化特性前提下，最終建立完備的APDL標準程序宏文件庫。宏文件庫的質(zhì)量以及運行效率是整個二次開發(fā)的核心及關(guān)鍵。

圖1 Tcl/Tk、APDL混合編程的實現(xiàn)機制

2）采用Tcl/Tk編寫獨立于ANSYS平臺的第三方軟件，通過提供配置選項，保證用戶可自行將其與所購置的ANSYS軟件進行連接。

3）根據(jù)步驟1中所形成的輸入?yún)?shù)列表（ParsInput list）設(shè)計并開發(fā)GUI，將APDL標準程序宏文件庫加密并分布嵌入到軟件內(nèi)部。

4）用戶通過GUI完成參數(shù)輸入，在運行計算過程中逐步釋放APDL宏片段，并在后臺逐步調(diào)用ANSYS，對宏片段進行逐個運行并回收，最終完成整個分析過程并將結(jié)果同樣以指定數(shù)據(jù)格式的文件輸出。

5）采用Tcl/Tk建立結(jié)果查看GUI，實現(xiàn)對步驟4計算結(jié)果的可視化以及列表打印。

多跨梁靜力分析作為結(jié)構(gòu)力學分析中的典型問題，一般可采用手冊所提供的計算公式及圖表進行手工計算[6]。以此為例，采用上述混合編程方法，介紹其實現(xiàn)機制，并驗證其適用性。

2 基于APDL的多跨梁結(jié)構(gòu)參數(shù)化

根據(jù)第1章中步驟1所述，首先對多跨梁結(jié)構(gòu)靜力分析問題進行參數(shù)分析，并建立APDL參數(shù)化分析程序，形成具有工程化特性的參數(shù)輸入列表。

2.1 多跨梁結(jié)構(gòu)參數(shù)化

多跨梁結(jié)構(gòu)的參數(shù)化描述如圖2所示，參數(shù)列表包括：跨數(shù)（N）、各跨對應的長度（Li）。

圖2 多跨梁結(jié)構(gòu)的參數(shù)化描述

對多跨梁的結(jié)構(gòu)特征及荷載特征加以分析，建立參數(shù)化模型。常規(guī)建模流程為：全長建立梁模型→指定位置施加支座→逐一添加荷載。本文基于裝配化建模的思想，對各單跨梁逐個進行模型建立，最后進行組裝，從而更有利于程序的標準化實現(xiàn)。

2000年以來，黔東南州積極貫徹國家關(guān)于鼓勵民間資本參與水土保持生態(tài)建設(shè)的相關(guān)政策及精神，引導、扶持、鼓勵民間資本參與開發(fā)性治理，加速了項目區(qū)水土流失、石漠化治理速度及群眾脫貧致富步伐，較好地破解了地方財力不足對水土保持生態(tài)建設(shè)制約的難題。2000年以來，黔東南州民間投資43 454.13萬元，治理水土流失面積174.67km2，分別占全州水土流失治理總投資和總面積的27.58%、5.80%。

2.2 梁截面參數(shù)化

有限元軟件內(nèi)置的截面簡化模型與實際截面精確模型存在一定的差異，以I20a型鋼截面為例，其截面尺寸參數(shù)及有限元模型如圖3所示。

圖3 I20a型鋼截面尺寸參數(shù)及有限元模型示意

I20a型鋼截面特性計算值誤差分析如表1所示。采用自定義方式建立精確模型的計算值與理論值誤差完全可以忽略，而內(nèi)置截面簡化模型所帶來的誤差已相當可觀，尤其是對于弱軸方向慣性矩的誤差高達20.65%，容易導致三維結(jié)構(gòu)受力分析的錯誤結(jié)果。

表1 I20a型鋼截面特性計算值誤差分析

混凝土結(jié)構(gòu)的截面形式簡單，通常為矩形；而型鋼截面形式復雜，參數(shù)較多，手動輸入相對繁瑣，且易出錯。根據(jù)我國現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)手冊及規(guī)范[7]，對其中典型的截面形式編制精細化模型自動化生成的APDL程序，用戶只需指定截面型號程序，即可自動生成精細化截面模型數(shù)據(jù)文件。典型截面形式及其參數(shù)如表2所示。

表2 常規(guī)鋼材的規(guī)格及截面尺寸參數(shù)

2.3 荷載模式及其參數(shù)化

結(jié)構(gòu)分析中常見的荷載模式有集中荷載、均布荷載、三角形荷載、梯形荷載等幾種。各種模式的參數(shù)化描述如圖4所示。

圖4 常見荷載模式及其參數(shù)化

對于分布荷載，可以統(tǒng)一采用函數(shù)表達形式，如圖5所示。本文采用最為一般的荷載函數(shù)描述對3種分布荷載進行參數(shù)化實現(xiàn)，部分提高了程序?qū)崿F(xiàn)上的難度，但程序?qū)⒁虼硕麧崱⒁?guī)范，調(diào)試方便且更具通用性。

圖5 梯形荷載采用荷載函數(shù)描述

3 Multi-Span Beam Cal v1.0的開發(fā)

根據(jù)第1章中步驟3所述方法，基于上述多跨梁參數(shù)化分析模型，設(shè)計開發(fā)圖形交互界面（GUI），將APDL標準程序宏文件庫進行加密并分布嵌入到源碼內(nèi)部進行編譯。Multi-Span Beam Cal v1.0主界面如圖6所示，分別包括Settings（設(shè)置）、Run（運行）、RstViewer（結(jié)果查看）、Exit（退出）四個選項。

圖6 Multi-Span Beam Cal v1.0主界面

進入Settings界面，如圖7所示。用戶首先需對連續(xù)梁跨數(shù)（Span Count）進行指定，點擊右側(cè)的Apply后下方表單欄，即根據(jù)跨數(shù)進行自動更新。右側(cè)提示窗口提供了一些有關(guān)當前設(shè)置的信息。隨后用戶對各跨梁的跨度（Span）進行輸入，并對各跨所用材料（MatProps）進行選擇（Steel/Concrete）。

圖7 參數(shù)設(shè)定窗口

用戶還需對各跨梁截面型號（SectProps）從截面特性庫中進行選擇，如圖8所示。指定截面具體型號后點擊Apply，程序?qū)⒆詣由稍撔吞柦孛娴木_模型數(shù)據(jù)文件（.sect）以供后續(xù)分析使用。左下側(cè)提示窗實時給出了一些輸出提示信息以及當前選中的截面特性參數(shù)，右側(cè)圖形框給出了截面型號的典型尺寸圖。

圖8 截面選取窗口

用戶需事先對各跨梁上存在的荷載模式進行分解，并對各荷載分解項的分布位置及大小進行指定，如圖9所示。程序還提供了任意自定義的荷載函數(shù)qx施加。

圖9 荷載定義窗口

回到主界面點擊Run等待計算完成后，用戶可以通過RstViewer界面對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、應力及變形云圖進行查看，如圖10所示。同時對連續(xù)梁的主要內(nèi)力、撓度計算結(jié)果進行完整的列表輸出，便于用戶查看和編輯。

圖10 結(jié)果查看界面

4 算例及測試

采用建筑結(jié)構(gòu)靜力計算實用手冊[7]中的多跨梁計算公式，分別對集中力、分布力兩類荷載模式下的程序操作性能以及結(jié)果的準確性進行測試，2個算例的具體參數(shù)如圖11所示。

圖11 多跨梁測試算例計算參數(shù)示意

分別采用手冊方法計算以及程序自動計算，對其相關(guān)計算結(jié)果進行比較，如表3所示。

表3 算例計算結(jié)果對比

由表3可以得出，兩者有關(guān)內(nèi)力的計算結(jié)果均相差不大，而撓度計算結(jié)果卻存在較大偏差。分析其原因在于本程序采用了Timoshenko梁單元，該單元能夠考慮桿件橫向剪切變形的影響，同時工字鋼梁屬于薄壁結(jié)構(gòu)，其截面翹曲變形不可忽略，而手冊計算公式是基于經(jīng)典梁理論的，對剪切變形、翹曲變形均未作考慮。因此，如果采用一般Euler-Bernoulli梁單元，對截面特性參數(shù)進行直接指定而非定義其實際幾何形狀，則此時的撓度計算結(jié)果必然與手冊方法的計算結(jié)果完全符合。

5 結(jié)語

本文研究了一種非嵌入式的Tcl/Tk、APDL混合編程的實現(xiàn)方法。通過非嵌入式開發(fā)，軟件開發(fā)人員可以規(guī)避ANSYS版權(quán)問題，而軟件用戶則需承擔相應的ANSYS版權(quán)費用；通過混合編程中的代碼加密內(nèi)嵌、分段釋放回收等機制，可有效保護開發(fā)人員的知識產(chǎn)權(quán)；軟件自身將滿足多系統(tǒng)平臺、多ANSYS版本兼容等需求。本文的研究可推動ANSYS二次開發(fā)社區(qū)的活躍度提升以及有限元軟件的實質(zhì)性推廣。

采用上述非嵌入式的混合編程方法，結(jié)合多跨梁這一典型結(jié)構(gòu)靜力分析問題，實現(xiàn)了Multi-Span Beam Cal v1.0的設(shè)計開發(fā)，對所提出的混合編程方法的可行性、一般性及實際應用效果進行了驗證，為后續(xù)復雜軟件的開發(fā)積累了經(jīng)驗。