基于APDL与MATLAB的桥梁结构混合建模方法

王立峰，尹传军，肖子旺，陈新培

(东北林业大学土木工程学院)

基于APDL与MATLAB的桥梁结构混合建模方法

王立峰，尹传军，肖子旺，陈新培

(东北林业大学土木工程学院)

摘 要:APDL与MATLAB混合建模方法的研究，实现了APDL与其他高级语言的数据共享与数据交换，弥补了ANSYS有限元分析软件在建立复杂空间模型功能上的不足。此方法的研究能够为桥梁工程技术人员提供更精确、更简单的建模途径，可减少建模和计算过程中的大量重复工作，大幅度节省了时间，提高工作效率，使ANSYS与MATLAB在有限元分析方面优势更明显，更接近实际工程。

关键词:ANSYS;APDL;MATLAB;混合建模;有限元

1 传统的有限元建模方法

1.1 直接建立模型

直接建立模型，是根据桥梁结构的几何外形、材料性质、受力特点等划分节点和单元，实现对实际结构的模拟。此方法对于小型或简单模型的生成比较方便，利于用户控制几何形状及每个节点和单元的编号。

但是，直接建模法面对复杂桥型的建模，需处理大量的数据，效率极低。而且不能用自适应网格划分，不利于优化设计。需要使用者留意划分的每一个细节，来改进网格的划分，十分乏味而且容易出错。

1.2 创建实体模型

首先，通过关键点、线、面、体等要素建立桥梁结构的几何外型;其次，对结构的实体模型进行网格划分，建立有限元模型。

实体建模的方法适用于较复杂的三维模型，支持面、体以及布尔操作，需要处理的数据相对较少，几何模型、单元类型、材料性质的修改比较容易，不受分析模型的限制。实体建模的方法可以实现ANSYS程序的优化设计和自适用网格的划分，而且施加载荷之后，便于局部网格的细化。但实体建模的处理速度极慢，对于小型、简单的桥梁模型有时很繁琐，优势并不明显。

1.3 与CAD系统交互创建模型

CAD是专业的绘图软件，具有完善的绘图与图形编辑功能，建模高效、精准，在土木工程中被广泛应用。此外，CAD可以进行多种图形格式的转换，具有较强的数据交换能力以及通用性、易用性，是有限元软件进行模型交互的首选。

但是，复杂的桥梁模型在CAD与有限元软件之间的通用性还有待完善。首先，在复杂模型导入过程中，经常发生部分模型数据丢失的情况。其次，完整的几何信息的提取和模型重建过程比较繁杂，从CAD系统中输入的模型若不适用网格划分，则需要大量的几何修补、简化等工作，反而失去了模型交互的意义。

2 混合建模解析

2.1 APDL语言的应用

APDL(ANSYS Parametric Design Language)，即 ANSYS参数化设计语言，可以自动完成有限元常规分析的操作，以及通过参数化变量方式建立分析模型。APDL提供了一般程序语言的功能，程序的输入可设定为根据指定的函数、变量以及选用的分析类型来做决定。APDL是一种解释性语言并允许复杂数据的输入，可以利用参数来建立模型，但要建立特定的复杂桥梁结构的模型，还是比较困难的，而且速度慢、效率低。

2.2 MATLAB的功能优势

复杂的纯数字化计算正是MATLAB的强项，MATLAB是一个包含大量计算算法的集合，拥有600多个工程中可用到的数学运算函数，能够方便的实现用户所需的各种计算功能。MATLAB具有方便的数据可视化功能，可将向量和矩阵用图形表现出来，实现复杂数据的图像化，适用于科学计算和工程绘图等领域。

MATLAB应用高级矩阵语言，包含控制语句、函数、数据结构、输入输出和面向对象编程等特点，更加贴近实际数学表达式的书写格式，便于表达复杂桥型的数字方程，有利于非计算机专业人员的使用。而且，MATLAB语言的可移植性好、可拓展性极强，这是MATLAB能够与ANSYS进行数据交互的重要原因。

2.3 ADPL与MATLAB语言的对比分析

利用ANSYS系统自带的二次开发工具ANSYS Parametric Design Language(APDL)，即ANSYS参数设计语言绘制的一条(0—2π)的正弦曲线。

其APDL命令流为:

利用MATLAB的函数语言生成的(0—2π)的正弦曲线，其函数语言为:

通过对比，可以很直观的看到MATLAB数字化建模功能的方便、快捷，仅三句函数语言就可替换APDL的数行命令。对于不可展的空间曲面结构的建模以及通过复杂曲面的数学表达式建模的情况下，这种优势将更加明显。

2.4 混合建模的优势

APDL与MATLAB混合建模的思路，就是借助MATLAB，将任意复杂的桥梁结构模型数字化，并导入到ANSYS的方法，为ANSYS的数字化复杂模型的快速建立提供一个有效的途径。

混合建模不仅可以改进ANSYS的APDL语言在纯数字化建模中的不足，而且在完善ANSYS的计算功能上，也具有一定的作用。

具体方法是ANSYS做计算引擎，利用MATLAB强大的数据处理及可视化功能，以数据信息作为MATLAB与ANSYS之间的纽带。在MATLAB中处理数据并传递至ANSYS进行桥梁材料信息的模拟、空间网格的划分等计算，之后反馈至MATLAB进行分析处理，以弥补APDL在复杂模型建立方面的不足，改善ANSYS的数字化计算功能，实现联合ANSYS和MATLAB进行复杂工程问题的数值仿真及优化。

针对超静定次数较高的大跨度桥梁结构体系的内力设计、分析，采用APDL语言与MATLAB混合建模，实现对其数字化计算，可避免界面操作的重复性，而且可以推广应用于其他类似结构，从而提高设计效率与精度。

利用MATLAB进行复杂的纯数字化模型的建立，将模型数据信息导入到ANSYS是一项很有意义的研究工作，对提高有限元的前处理效率有着重要的意义。本方法对表面由数学表达式给出的复杂模型，比如异形桥塔、异形桥墩、异形拱等桥梁结构，结合ANSYS命令流文件，能够快速的建立异形结构的有限元模型。为工程技术人员提供一条纯数字化建立空间有限元模型的快车道。

3 ANSYS与MATLAB的其他交互功能

ANSYS与MATLAB的交互功能不仅仅限于复杂模型的建立，设计与施工过程的联合仿真也是重要方面。MATLAB具有调用外部程序的功能，且ANSYS与MATLAB均可从外部文件读写数据，因此，可将外部数据文件作为联系MATLAB和ANSYS的桥梁，从而实现联合ANSYS与MATLAB进行桥梁结构有限元的数值仿真。若ANSYS作为子程序在MATLAB中调用，可采用如下命令:

System(“C:ProgramFilesAnsysIncv100ANSYSinintelANSYS100.exe”-b-iD:inp.vmlmac-o“D:out.txt”);

“C:ProgramFilesAnsysIncv90ANSYSinintelANSYS90”为ANSYS程序路径;D:in.txt为ANSYS从外部文件读入APDL命令流;D:out.txt为向外部文件输出ANSYS程序运行信息。

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［1］刘桂荣.有限元实用教程［M］.湖南大学出版社，2004.

［2］周金萍，王冉，吴斌.MATLAB实践与提高［M］.中国电力出版社，2002.

［3］李传习，王俊，等.联合ANSYS与MATLAB进行钢箱梁顶推施工过程仿真优化［J］.交通与计算机，2008，(6).

［4］谢刚，王小林.MATLAB与ANSYS数据接口的开发研究及应用［J］.机械工程与自动化，2005，(2):52-54.

中图分类号:U448.2

C

1008-3383(2011)06-0187-01

收稿日期:2011-02-24

作者简介:王立峰(1971-)，男，哈尔滨人，博士研究生，副教授，主要从事大跨度桥梁的健康监测与诊断的教学与研究。