基于APDL 的ANSYS 梁單元劃分插件開發

張發榮

（中國鐵建高新裝備股份有限公司，云南 昆明 650215）

0 引言

APDL 是ANSYS Parametric Design Language 的縮寫，即ANSYS 參數化設計語言。 在參數化的分析過程中，APDL 可以簡單地修改其中的參數達到反復分析各種尺寸、不同載荷大小的多種設計方案或者序列性產品，極大地提高分析效率，減少分析成本。

在鐵路大型養路機械（以下簡稱“大機”）的車體結構設計中， 利用APDL 對車體進行參數化建模，修改起來非常方便，省去了反反復復的模型錢，有效地縮短了靜強度計算時間，提高了設計效率。

1 AP DL 劃分梁單元面臨的問題

APDL 也不是盡善盡美的， 在用APDL 進行大機車體的靜強度分析時，為保證計算規模和計算精度之間的平衡，筆者一般會選用殼單元shell181 與梁單元beam188 結合的方式進行， 力求在最小的計算規模下，最大限度地還原車體的三維結構，以保證計算的準確性。

就筆者常用的beam188 單元來說，其單元幾何如圖1 所示。 該單元由整體坐標系中節點I、J、K 定義，單元x 軸的方向由I 節點指向J 節點。 用戶可通過定義節點K 控制單元的方向，此時單元x 軸和x 軸位于由I、J、K 三點確定的平面之內。

圖1 beam188 的單元幾何

通過APDL 劃分梁單元時，最麻煩的是定義方向節點K。

要對一組同一截面號、同一單元號和材料號的線段進行劃分梁單元時，只有這組線段共線（此處為狹義的共線，表示在同一直線上，下同）且方向相同，才能批量劃分；否則，就得為它們分別指定方向節點。 如不這樣操作，生成的梁單元的截面和偏置方向就會發生旋轉或反向，無法滿足預期。 就算是方向相反的共線線段，也不行。

大機的車體模型本就復雜，加之建模過程中的布爾操作， 讓原本就幾百上千根要劃分梁單元的線段在數量至少又上升一個量級。 如果手動為每條線指定方向節點，不但操作起來極其煩瑣，而且大量的重復代碼，寫起來費時費力，執行起來也效率低下，實在不可取。

幾經思考， 筆者開發了批量劃分梁單元的插件Beamit， 一勞永逸地解決了用APDL 劃分梁單元的難題。 為了進一步提高效率，筆者又開發了批量調整線的方向的插件Frontit，與beamit 配合使用，實現效率翻番。

2 插件的實現邏輯及部分代碼

Frontit 的實現邏輯如圖2 所示。 該插件有一個參數，用于指定要調整的方向，其有效值為1，2，3，分別表示調整所選線的方向為X，Y，Z 軸的正向。

圖2 調整線的方向的實現邏輯

Beamit 的實現邏輯如圖3 所示。 Beamit 帶三個參數，依次表示：梁單元參考方向，材料號，單元號。

圖3 劃分梁單元的實現邏輯

（1）1 號參數為必填參數，其有效值為±1，±2，±3，分別對應X，Y，Z 軸的正負向。

（2）2、3 號參數為選填參數， 預置默認值均為2。未輸入時自動調用默認值。 當梁單元的材料號和單元號不為2 時，必須輸入。

下面列出Beamit 中部分功能的代碼實現。

a）獲取線的數量和最小線號的代碼如下：

*get，ar21，line，，COUNT

*get，ar22，line，，num，MIN

b）為最小線號定義方向節點及劃分網格的代碼如下所示：

*get，ar23，LINE，ar22，kp，1

*get，ar24，kp，，num，MAXD

k，ar24+1，kx（ar23）+ar31，ky（ar23）+ar32，kz（ar23）+ar33

latt，ar25，，ar26，，，ar24+1

lmesh，ar22

兩個插件都加入了報錯提示功能。

a）選擇集中沒有線段時，會提示：“HAS NO LINE SELECTED”；

b）方向參數非法時，會提示：“Wrong direction”。

其效果如圖4 所示。 報錯功能的加入，不但增強了互動性，而且降低了命令流運行出錯時排查錯誤的成本，極大地增加了兩個插件的實用性。

圖4 插件報錯提示

3 插件使用示例

圖5 為使用兩個插件進行梁單元劃分的某大機車體骨架有限元模型。

圖5 某大機車體骨架梁單元模型

除了批量劃分梁單元外，Beamit 還能通過簡單的循環，快速實現一些規律梁單元的劃分。

Fini$/CLEAR$/PREP7

k，，60$k，，60，，150$l，1，2

/PSYMB，LDIR，1$LPLOT

et，1，188 $keyopt，1，3，2 $mp，ex，1，2.06e5 $mp，prxy，1，0.3

CSYS，1$a=18$LGEN，a，ALL，，，，360/a$CSYS，4

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

! WPROTA，45

! WPROTA，90

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

sectype，1，BEAM，HREC$SECDATA，6，4，0.5，0.5，0.5，0.5$SECOFFSET，CENT

SECNUM，1$lsel，ALL$LESIZE，all，2

*DO，i，1，a$lsel，s，，，i$beamit，1，1，1$WPROTA，360/a$*ENDDO

/eshap，1$EPLOT

直接運行和去掉兩句注釋中的一句，分別可以得到圖6 中的三種效果。

圖6 示例

4 結語

APDL 是一種高效率、低成本的參數化建模方式，但是對于梁單元的劃分較為煩瑣、低效。 經筆者開發的兩個插件Beamit 和Frontit，不但可以高效、快速地完成梁單元的批量劃分，而且可以簡單、快速地實現一些規律梁單元的劃分， 從而一勞永逸地解決了APDL 梁單元劃分的難題，實現效率翻番。