变截面箱梁ANSYS前处理程序开发与应用

王韬杰

(天津大学建筑工程学院　天津　300072)

变截面箱梁ANSYS前处理程序开发与应用

王韬杰

(天津大学建筑工程学院天津300072)

摘要基于通用有限元分析平台ANSYS，利用计算机辅助设计软件AutoCAD，以及Fortran程序，设计了将变截面箱梁几何信息转换为ANSYS前处理命令流，从而进行快速网格剖分的程序。该程序具有生成高质量六面体网格，以及根据用户需要随意调整网格密度的功能，在保证网格精度的前提下节约了有限元建模时间，提高了计算效率。运用该程序对某大型连续刚构拱桥进行了局部有限元分析。

关键词程序设计有限单元法网格划分

混凝土箱梁广泛应用于简支梁、悬臂梁、连续梁、连续刚构、斜拉桥等各种桥梁结构中。当有三向预应力，以及偏心荷载作用下，箱梁结构受力复杂，表现出明显的空间效应[1-2]，此时，一般的平面杆系程序已经很难正确反应桥梁的受力状况，需采用实体单元进行分析[3-4]。然而采用通用有限元软件建模分析时，往往大部分时间都消耗在几何建模，以及有限元网格的划分上[5-6]，特别是对于变截面箱梁而言，截面高度及腹板厚度等在纵桥向都是变化的，建立几何模型，以及划分高质量的网格的复杂程度较高。针对上述问题，基于业内被广泛接受的通用有限元分析平台ANSYS，通过分析AutoCAD的文件储存结构，并借助Fortran程序，设计了将变截面箱梁几何信息快速转换为前处理命令流，从而进行快速网格剖分的程序，最大程度地提高变截面箱梁的实体分析效率。

1CAD数据文件分析

AutoCAD是一款应用最为广泛的计算机辅助设计软件，它提供了图形输入、编辑和输出的一个完整的工作环境，国内大部分的桥梁结构设计制图都是基于该平台完成的。AutoCAD文件最终可储存为DWG与DXF 2种常用格式。其中，DWG文件格式是以二进制格式储存的，如果想要直接读取文件数据难度较大，除非借助于授权的兼容技术。而且由于版本的更新问题，使其中的信息存储对于外界来讲处于一种相对无序状态，难以实现图形数据的高效利用。而DXF文件是一种开放的矢量数据格式，由很多的“代码”和“值”组成的“数据对”构造而成的，结构清晰，数据无失真，因此可以使用Fortran程序直接读取相应连续箱梁截面的DXF文件来储存关键点数据[7]。

2基于Fortran的程序实现

通过DXF文件几何信息来生成模型的过程主要包括以下几个步骤：横截面定义，横截面单元密度控制，纵桥向单元密度控制，横隔板选择，单元生成。可生成的箱梁类型包括：等截面箱梁，变截面箱梁以及等截面、变截面带横隔板箱梁。

2.1　横截面定义以及横截面单元密度控制

箱梁截面的外形基本上由顶板、底板、腹板以及梗腋这几部分组成[8]，箱室可以是单箱单室的，也可以是单箱多室的。考虑到上述箱形截面组成的特点，综合在有限元分析中六面体单元的形成方法，在AutoCAD中对箱形断面进行预处理，把截面分成如图1所示的多个四边形。通过与DXF文件数据的交互，读入每个四边形的特征点从而确定整个截面的形状。

图1　通过特征点定义截面尺寸

在进行过截面与处理之后，定义每一个相互独立、互不关联四边形边线，称之为特征边，将其定义为竖向特征边h1~h3及横向特征边b1~b13，如图1所示。同时，需指定各特征边的单元划分份数，即定义单元密度，类似在ANSYS前处理网格划分中的指定线的划分份数。这里需要说明的是，通常的箱型截面均可按照图1的方式定义特征边，得到的网格质量与在ANSYS前处理中采用几何实体切割与映射网格划分的质量基本一致，可最大程度地保证有限元计算精度。但也有部分截面由于其特殊的几何尺寸，尤其是边腹板倾角的差异，会导致部分网格偏斜度(skew)太大，严重影响Jacobian矩阵性质从而使求解精度降低，此时可以通过细分特征边个数来解决。例如由边腹板倾角引起时，可将竖向特征边h2细分为3份，从而实现网格形状的过渡。

获得了上述特征点的坐标值以及特征边的单元划分份数后，可以在每个四边形内进行线性插值，得到四边形内的各节点的坐标值，至此，关于箱形截面‘面单元’的节点坐标已经全部得到了。

2.2　纵桥向单元密度与横隔板选择

由于变截面箱梁在纵桥向梁高、顶底板厚度及腹板厚度都是变化的，且梁底曲线按二次抛物线变化，建模难度大。本程序采用分段以直代曲的处理方法，以分段浇筑中的箱梁节段为单位，将对应节段的两端断面指定为控制断面，于是，在获得了前后2个控制断面‘面单元’的节点坐标之后，进行“拉伸”、“放样”操作，即由控制断面的面单元坐标点生成6面体单元的8个节点坐标。此时，节点纵坐标的生成方法可分为有横隔板与无横隔板2种。

当箱梁断面不设横隔板时，程序采取在2个控制断面之间等距差值生成节点纵向坐标的方法。这种处理方法不但程序实现简单，而且可以方便地控制纵桥向划分份数，使得六面体单元3个方向的尺寸差距不至于太大而生成畸形的单元，从而保证了求解的精度。

当箱梁带有横隔板时，由于横隔板的存在，在节点纵坐标生成时采取不同的插值方法。如图2。

图2　由控制断面生成中间节点

假设在c，d点之间结构有横隔板存在，则在2个控制断面间应预先定出横隔板距离两端的尺寸，可采取输入坐标相对值或者绝对值的方法。实际上，由于在通常桥梁设计中，大多数的横隔板分布都是等间距的，因此只需在主程序中引入横隔板与第一控制断面距离比的全局变量即可，这在一定程度上简化了计算。横隔板网格的划分同样按照上述特征边的划分原则进行，在此不再赘述。

2.3　单元的生成

依照上述步骤，在执行AutoCAD箱梁控制截面文件的预处理、几何信息读入以及纵桥向参数设定以后，程序将自动算得所有节点的三维坐标值。随后，按有限单元法约定的顺序，逆时针或顺时针给节点进行编号，遵循ANSYS命令流的数据格式自动生成命令行，最后运行该命令即可生成结构分析所需的三维实体单元。整个过程避免了几何模型建立以及为追求高质量六面体网格而进行的实体剖分的繁琐步骤，程序流程图见图3。

图3　程序流程图

3程序应用实例

3.1　结构概况及网格划分

襄阳汉江五桥为一大型连续刚构拱桥，其立面示意见图4，结构构造复杂，特别是拱脚和0号块是结构设计的关键部位，其受力性能对全桥承载能力和跨越能力至关重要，因此要对拱脚处进行局部有限元分析。利用圣维南原理以及对称边界条件，从远离拱脚处的4号块开始向0号块建立混凝土箱梁部分的1/4模型。

图4　襄阳汉江五桥立面图 (单位：m)

主梁采用变高度预应力混凝土连续箱梁，大悬臂斜腹板单箱三室截面。箱梁整体宽度为36.5 m，4号块截面高度为5.743 m，箱梁根部高7.7 m，梁底曲线按二次抛物线变化，箱梁底宽随梁高变化，由4号块的18.646 m渐变至根部的17.746 m；箱梁外侧大悬臂长7 m，沿纵向每3 m设1道加劲横梁，横梁腹板厚30 cm，仅在吊索锚固中室处横梁腹板局部加厚至45 cm；箱梁顶板厚25 cm，底板厚度由4号块的85.5 cm变厚至120 cm；在此区段内，边腹板厚度为120 cm，中腹板厚度为100 cm。

根据上述变截面箱梁的几何信息，利用本文的程序，将1/2箱梁截面分割为21个控制断面，见图5。输入断面的空间竖曲线坐标、平面单元密度信息、纵桥向单元密度等，即可输出所有节点以及单元的命令流文件。将结果文件导入ANSYS，即可快速生成局部三维的实体模型，经由本文程序所划分的网格整体质量较好，大多数的网格均是形状规整的六面体，对于带横隔板的情况处理也较为理想。

图5　箱梁控制断面的划分

3.2　计算结果

分析对象主要由预应力钢筋、钢拱肋及混凝土箱梁3部分组成。预应力钢筋及钢拱肋部分几何构造较为复杂，因此采用的是传统的手工建模方法，剩余混凝土箱梁部分采用的上述由本文程序所建立的有限元模型，两者通过约束方程实现自由度协调，最终计算结果见图6、图7。

图6结构竖向位移云图图7零号块第一主应力云图

结构整体竖向位移见图6，成桥状态下，混凝土箱梁部分最大位移在向下4.4~6.6 mm之间，位移绝对值较小。箱梁零号块第一主应力结果如图7所示，在剔除因预应力节点耦合等产生的应力集中结果之后，第一主应力整体处于-3.79~1.92 MPa之间，零号块中室顶板、箱梁与横隔板交界处第一主应力值较高。因主梁，墩身均采用C55混凝土，抗拉设计强度为1.89 MPa，故局部超出设计混凝土设计抗拉强度，需引起重视。

4结语

根据变截面箱梁有限元实体分析的特点，有针对性地设计了一套网格划分程序，实际运用效果表明，该程序可大大提高变截面箱梁分析的前处理效率，并且划分的网格质量较好，适合类似混凝土箱梁的有限元分析。下一步，计划重点研究预应力钢筋的快速建模及自由度协调，以及荷载和边界条件施加集成这两方面的工作，使程序能面向更一般的预应力混凝土箱梁的实体分析工作。

参考文献

[1]吴姗姗.宽箱梁空间力学行为分析及试验研究[D].重庆:重庆交通学院,2011.

[2]董晓梅,马强.高墩大跨径连续刚构桥墩身稳定分析[J].交通科技,2009(2):4-7.

[3]曹志强.异型矮塔斜拉桥塔墩梁固结部位应力分析[J].交通科技,2010(3):41-44.

[4]丁志威,张峻峰,武修雄,等.斜拉桥索塔与索梁锚固区局部应力分析[J].交通科技,2011(5):4-6.

[5]程龙,胡剑.瓯江大桥钢混结合段局部受力分析[J].交通科技,2011(5):16-19.

[6]刘艳萍.桥梁预应力钢筋混凝土结构局部有限元分析的ANSYS二次开发[D].武汉:华中科技大学,2005.

[7]王祎,谢步瀛.基于Java的平台中导入DXF文件的关键技巧[J].工程图学学报,2002(2):48-53.

[8]梁柱.预应力混凝土箱梁三维实体单元分析前处理程序开发与应用[D].杭州:浙江大学,2005.

Development and Application of ANSYS

Preprocess Program of Box Girder with Varying Depth

WangTaojie

(School of Architectural Engineering,Tianjin University, Tianjin 300072, China)

Abstract：A program is developed which can turn the geometric information of box girder with varying depth into ANSYS preprocess command flow, using AutoCAD and Visual Fortran program. This program can produce the high quality hexahedron mesh and adjust the grid density according to user's needs well. This program will save the time of finite element modeling and improve the design calculation efficiency in the premise of the calculation accuracy. Finally, a detailed finite element analysis of a large continuous rigid frame arch bridge is presented with the help of this program.

Key words:program design; finite element method; meshing

收稿日期：2015-09-21

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.06.008