试验边界条件的APDL二次开发

杨智硕,陈明霞

(1.中南大学土木建筑学院,湖南长沙410075;2.莆田学院土木建筑学系,福建莆田351100)

随着电子计算机技术的发展,应用有限元等数值计算方法,使结构应力分析工作得到很大的提高,几乎对所有的计算问题均能求解。但是,运用数值方法计算时,必须在建立正确数学模型的前提下,才能得出精确结果。能否真实的反映试验构件的边界条件也是数值模拟成功与否的关键。如图1所示,在做试验的时,需要加载均布荷载或是需要放置加载梁,往往直接把加载梁放置试件的上面,或通过垫板把加载梁放在试件的上面。由于作用在试件上的加载梁刚度超过试件本身刚度或局部刚度情况下,如果在模拟仿真过程中,没有考虑到加载梁的影响,直接把荷载直接加到试件上,显然与实际的情况不符。计算出的结果肯定与实际的情况有偏差。针对这种情况,本文应用ANSYS的APDL对加载梁进行模拟仿真,对解决类似边界问题具有较好的通用性。

图1 加载装置照片

1 ANSYS的二次开发技术[1-4]

ANSYS公司是由美国著名力学专家、美国匹兹堡大学力学系教授John Swanson博士于1970年创建发展起来的,总部位于美国宾西法尼亚州的匹兹堡,ANSYS软件是该公司的主要产品。ANSYS软件是集结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件,可广泛地应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、生物医学、轻工、水利、日用家电等一般工业及科学研究。

ANSYS不仅为用户提供了通用的有限元分析的平台,而且还为用户的特殊需求提供友好的二次开发环境,使ANSYS的功能得以进一步扩展。ANSYS提供的二次开发工具有3个:即参数化设计语言APDL(ANSYS Parametric Design Language),用户界面设计语言UIDL(User Interface Design Language)以及用户可编程特性UPFs(User Programmable Features)。其中,前2个可归类为标准使用特性,后一种为非标准使用特性。

参数化程序设计技术语言APDL(ANSYS Parametric Design Language)以更方便的方式进行程序编辑,ANSYS参数化程序设计技术语言APDL是一种解释性语言,可以用来自动完成一些通用性很强的任务,也可以根据参数建立与修改模型。此外,APDL还包括其他许多特性,如重复某条命令宏、条件语句、DO循环以及标量、矢量和矩阵运算等。其中特别值得一提的是用APDL作为命令式语言创建宏给用户带来了极大的方便。

2 利用APDL对加载梁模拟以及具体步骤[5-6]

有限元建模中,加载梁与试件之间接触关系用弹簧或杆件单元来模拟(本文用COMBIN14单元)。由于计算结果中接触单元会出现受拉的杆件,与事实有矛盾。所以在建模计算需要剔除接触单元中受拉的单元。具体做法有两种:①是在APDL中编写循环命令流。②把接触单元的轴向应力和单元号导出来,人为剔除(edele)受拉的单元。本文采用第二种方法。具体APDL的命令流和计算流程如图2。

图2 编程流程

3 二次开发的应用算例

如图3所标示的尺寸,应用APDL对其进行模拟仿真。采用ANSYS11.0建模计算,模型的各构件都用板壳元shell63单元模拟,模型采用的钢材的弹性模量E=210 GPa,泊松比 μ=0.3。试件试验时,试件两端铰支,盖板中间垂直U肋方向放一根600 mm×200 mm×200 mm加载梁。加载到加载梁上的荷载为250 kN(面积为200 mm×200 mm)。

图3 试件尺寸(单位:mm)

图4 有限元模型

图5 竖向位移

图6 应力云图

图4为有限元模型、图5为竖向挠度图、图6为主拉应力云图。其中(a)是考虑加载梁影响,(b)是没有考虑加载梁的影响。从上述几个图中可以得到:加载梁对试验的结果影响很大,如果没有考虑加载梁的影响,有限元建模计算不能得到合理的答案的,从而影响有限元模型计算结果的可靠性和真实性。同时文献[7]的类似的试验也证明了本文提出的有限元模型应该考虑加载梁的影响以及所编写的APDL程序的正确性和实用性。

4 结 语

在试验中,往往出现加载梁的刚度大于或局部大于试件的刚度,为此,有限元建模应该考虑加载梁对试件的影响。本文编写相关APDL的命令流,并通过两个算例(有考虑加载梁和没有考虑加载梁)的比较,发现加载梁确实对试件有明显的影响。同时,通过试验证明了本文提出的有限元模型时应该考虑加载梁的影响,也证明了所编写的程序的正确性和实用性,对解决类似边界问题具有较好的通用性。

[1] 博弈创作室.APDL参数化有限元分析技术及其应用实例[M].北京:中国水利水电出版社,2004.

[2] 尚晓江,邱峰,赵海峰.ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用[M].北京:中国水利水电出版社,2006.

[3] 龚曙光,黄云清.有限元分析与ANSYS APDL编程及高级应用[M].北京:机械工业出版社,2009.

[4] 葛俊颖.基于ANSYS的桥梁结构分析[M].北京:中国铁道出版社,2007.

[5] 刘明.土木工程结构试验与检测[M].北京:高等教育出版社,2008.

[6] 姚谦峰.土木工程结构试验[M].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[7] 张敏.南京大胜关长江大桥受力特性、计算方法、桥面疲劳和防腐问题研究[D].长沙:中南大学,2010.