基于C#与Ansys的索道桁架有限元计算程序的二次开发

张喻捷

北京起重运输机械设计研究院有限公司 北京 100007

0 引言

随着设计理论的完善与施工水平的提高，现代客运索道在高山、沙漠、海滩等各种复杂地形中得到了越来越广泛的应用。对于复杂地形下的索道设计，线路中支架的受力性能则有着更加严苛的要求。因此，桁架形式的支架结构以其刚度大、强度高、抗扭转能力强等特点得到了更多的运用。对超过20 m的高支架，目前一般采用桁架结构[1]。图1 为客运索道线路中常见的采用桁架结构的支架。

图1 索道桁架

桁架结构体型复杂、构件多样、受荷工况多变。因此在涉及到桁架的设计时，不仅需要对不同高度、不同形式的桁架进行对比分析，对同一桁架，也需要进行各个不同工况下的受力计算。目前主要采用有限元法进行复杂结构的分析与计算。对桁架结构，采用传统的有限元计算方法进行结构分析，每次均需要进行模型建立、网格划分、荷载施加、程序求解及后处理等复杂操作。这种重复性的工作，严重地降低了设计者的工作效率。作为在全球得到广泛使用的通用有限元软件，尽管Ansys 为设计者提供了APDL 这一参数化设计语言用以完成一些通用性的工作[2]，但其仍然存在着非可视化、语言繁琐、学习成本高等缺点。

因此，本文利用C#高级编程语言，基于Ansys 经典提供的APDL 脚本，开发了参数化有限元分析的设计工具。通过专用的可视化用户交互界面，设计人员只需输入不同的设计参数，程序即可自动生成封装好的APDL 命令流模板，并在后台启动Ansys，导入命令流模板，实现桁架的参数化建模及分析。

1 二次开发工具

1.1 APDL 设计语言

APDL(Ansys Parametric Design Language)是通用有限元软件Ansys 提供的一种参数化设计语言[3]，用户可通过编写命令流的方式实现参数化的模型建立、结构分析、后处理显示等功能，该方式解决了Ansys GUI(用户界面)交互模式下建立大型模型时遇到的界面复杂、步骤繁琐等问题，大大提高了复杂结构的建模效率。同时，APDL 语言编写的脚本模板可以适用于各个版本的Ansys，方便用户开发一些基本的建模命令或标准零件库。因此APDL 被广泛运用于各种计算程序的二次开发工作。但APDL 本身作为一种脚本语言，对于普通设计者来说，具有一定的学习成本。

1.2 C#高级编程语言

C#(C Sharp)是微软公司发布的一种由C 和C++衍生出来的、全新的、面向对象的高级程序设计语言。其主要运行于.NET 开发框架之上，在继承C 和C++强大功能的同时去除掉了一些固有的复杂特性，同时还综合了VB的简单可视化操作和Java 中类库的设计理念。具有安全、稳定、简单、规范等特点，尤其适用于桌面端程序的开发。借助于微软公司优秀的IDE(集成开发环境)—Visual Studio，设计者可以快速地搭建具有良好界面的桌面端软件[4]。因此，选择C#编程语言进行可视化交互界面的构建。

2 参数化有限元分析的流程

索道桁架的参数化有限元分析工作，需要终端程序具有精准性、高效性、开放性、实用性等特点。因此，二次开发工具的参数化建模分析主要实现过程如下：第一步，通过C#编程语言构建可视化的用户输入界面；第二步，根据用户输入的结构尺寸、荷载信息、约束条件等参数生成各个工况下的APDL 命令流模板；第三步，程序启动Ansys，导入APDL 命令流模板文件进行结构分析。图2 为桁架结构参数化有限元分析的具体流程图。

图2 参数化有限元分析的流程图

3 参数化有限元分析的程序实现

3.1 参数输入可视化用户界面设计

WinForm(Windows Form)，是一种基于.NET Framework平台的客户端（PC 软件）开发技术，设计者可以轻易地创建Windows 窗体应用程序。它是C#语言的一个重要应用，也是C#最常见的应用[5]。WinForm 窗体提供了一套丰富的、封装好的控件，开发人员可以通过拖动控件的方式灵活地创建各种命令窗口、按钮、菜单等屏幕元素。

在本套参数化有限元分析工具信息交互可视化界面的实现过程中，主要利用WinForm 自带的TextBox 和ComboBox 控件进行尺寸信息、荷载参数、基本风压等基础信息的录入。同时，为了便于多工况下复杂荷载的快速录入，在本套程序界面中增加了DataGridView 控件用于显示荷载信息，通过点击相应的Button 按钮，程序可打开资源浏览器，在用户选择相应的荷载计算文件后，自动读取桁架荷载，并在用户界面显示。整个可视化用户界面如图3 所示。

图3 参数化有限元分析二次开发工具用户界面

3.2 设计参数的传递

桁架结构的参数化建模，关键点在于如何将分析模型的主要参数信息由用户界面传递给Ansys。即将用户界面的信息转换成可被Ansys 识别读取的APDL 语言。

本套参数化有限元分析二次开发工具主要运用C#中的StreamWrite 和StreamReader 类进行参数文件的控制和输出。StreamWrite 和StreamReader 类是.NET 框架提供给开发者封装好的用于文件流读写的类库。运用StreamReader 类中的WriteLine()方法，可快速输出APDL 语言，实现对APDL 命令流的封装。最后，通过FileStream 类，实现在指定路径文件夹下各工况下Txt格式APDL 文档的输出，如图4 所示。其核心代码为：

图4 APDL 文件模板输出窗口示意图

3.3 参数化建模

单个桁架模型最主要的结构尺寸参数包括桁架高度、柱脚间距、各截圆管直径、支撑件截面尺寸等。对不同高度的桁架，将桁架高度作为主参数，通过桁架构件间的固定角度，制定相应标准化规则，通过尺寸驱动，即可实现不同高度桁架结构的参数化建模。在具体的建模指令中，可简化部分对分析影响较小的模型特征，减少建模的工作量。

对桁架结构，在Ansys 中主要通过定义关键点KeyPpoint，生成相应的线Line，最后生成实体模型，如图5 所示。

图5 桁架实体模型图

APDL 示例语句如下：

3.4 单元选择和网格划分

有限元模型分析的重要前提是单元的选择及网格的划分。桁架结构中的主要构件均属于长度大、截面小的狭长形构件，其横截面的尺寸远远小于杆件的长度。因此，本二次开发程序在对APDL的封装中，主要选择Beam 188 梁单元进行模拟。同时，如果用户采用梁单元进行有限元分析，就可以通过SECTYPE,SECID,Beam,Subtype,,0 命令方便地定义各个构件截面。再通过MPDATA 命令定义材料弹性模量、泊松比、密度等参数，完成以上工作后，即可以进行网格的划分工作。

本程序选择Smartsize 方式进行网格智能控制。其主要APDL 语句如下：

3.5 约束和荷载

桁架结构中的4 个支腿法兰通过地脚螺栓同基础预埋件进行紧固连接，故可将4 个支腿设定为固定约束；桁架本身主要承受风荷载以及塔柱顶部传来的集中荷载。这两个步骤的设置同样可以通过APDL的赋值命令完成。其主要APDL 语句为：

3.6 求解

在完成上述步骤后，Ansys 导入APDL 命令流模板，通过Slove 命令，即可进行结构分析。本二次开发工具可以自动调用打开Ansys 软件，并且在APDL 模板的封装中同样嵌入了求解命令。因此在点击生成命令流命令后，再点击打开Ansys 即可以自动进行求解。

4 工程实例

以参与设计的某脱挂索道线路支架为例，运用参数化有限元分析二次开发工具，进行桁架的有限元分析。

该桁架为某景区脱挂索道项目线路中的3 号支架。该索道线路全长3 430 m，上下站高差440 m，共设23个支架。同时整个线路中存在多个大跨。线路中多个支架采用了桁架形式。其中3 号支架高为27 m，且为索轮组为压索，受力较大，故以该桁架为例进行二次开发工具的校核。

索道支架受力工况多样，仅单一桁架，就需要进行重上重下、重上空下、空上重下、空上空下、施工工况共6 种工况的分析计算。首先通过传统的Ansys GUI 界面对该桁架进行了建模计算，再通过二次开发工具进行计算，两者建模及计算结果完全相同，进一步验证了二次开发工具的准确性。解决了传统Ansys GUI 界面建模易出错，且浪费时间的问题。

该脱挂索道项目涉及5 个桁架，共计30 种工况，因此对该项目，均采用了二次开发工具对桁架进行了参数化设计。图6 为通过参数化二次开发工具进行有限元分析的3 号桁架重上重下工况下的受力变形云图。

图6 某桁架重上重下工况有限元变形受力云图

5 结语

基于C#编程语言，通过建立可视化的输入界面，结合对APDL 语言的封装和文本快速生成，实现了索道桁架结构的参数化建模及分析。桁架结构参数化有限元分析二次开发工具操作简单、界面友好、使用可靠。对体型复杂的桁架结构，设计者只需输入相应参数，就可以自动完成结构的有限元分析工作。这不仅给不熟悉Ansys的设计者提供了一种简便的分析手段，更大大减少了桁架设计过程中的重复性劳动，提高了工作效率，使得设计者可以把更多地精力专注于线路方案的调整和结构本身的优化中。