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2013-08-11 by:廣州CAE有限元應(yīng)用中心 來(lái)源:仿真在線
ANSYS軟件平臺(tái)的筏板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)程序開(kāi)發(fā)技術(shù)
1 前言
大型筏板基礎(chǔ)業(yè)已成為高層建筑的主要基礎(chǔ)形式之一,但對(duì)于其理論的研究仍有待完善。目前,筏板基礎(chǔ)的研究手段主要有:原型試驗(yàn)、模型試驗(yàn)和有限元分析方法。因地基土的物理力學(xué)性質(zhì)離散性大,地基、基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)的作用復(fù)雜,原型試驗(yàn)和模型試驗(yàn)針對(duì)性較強(qiáng),費(fèi)用也較高,而有限元方法對(duì)筏板基礎(chǔ)的整體分析卻十分方便,大量的應(yīng)用顯示,有限元方法能較好的擬合實(shí)際工程試驗(yàn)情況。
筏板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)向?qū)С绦?Raft Foundation Design Guide簡(jiǎn)稱RFDG)是以ANSYS為基礎(chǔ)進(jìn)行的二次開(kāi)發(fā)程序。ANSYS的二次開(kāi)發(fā)語(yǔ)言有很多,比如UIDL、APDL、TCL/TK、VC++、VB等等,均可以進(jìn)行ANSYS的二次開(kāi)發(fā),并有自己的特點(diǎn)和適用范圍。本程序選用APDL、TCL/TK、UIDL三種二次開(kāi)發(fā)語(yǔ)言進(jìn)行了筏板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)向?qū)С绦虻拈_(kāi)發(fā)。應(yīng)用ANSYS提供的前后處理,以及求解功能,用其二次開(kāi)發(fā)語(yǔ)言APDL編寫建模、運(yùn)算和后處理等功能。同時(shí)用TCL/TK界面設(shè)計(jì)語(yǔ)言編寫RFDG的程序界面。并用UIDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)ANSYS的Main Menu菜單。
TCL/TK是工具命令語(yǔ)言(Tool Command Language)的縮寫,是常用的操作界面設(shè)計(jì)語(yǔ)言,而且簡(jiǎn)單易學(xué),上手容易,是ANSYS界面開(kāi)發(fā)的理想工具,該語(yǔ)言提供了與ANSYS的數(shù)據(jù)傳遞接口,同時(shí)他還能與其他應(yīng)用軟件接口,支持COM技術(shù),比如可以將ANSYS的計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)到Excel,方便數(shù)據(jù)處理[1]。
APDL是ANSYS Parametric Design Language的縮寫,即ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言,是ANSYS的二次開(kāi)發(fā)語(yǔ)言之一。利用APDL的程序語(yǔ)言與宏技術(shù)組織管理ANSYS的有限元分析命令,就可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模、施加參數(shù)化荷載與求解以及參數(shù)化后處理結(jié)果的顯示,從而實(shí)現(xiàn)參數(shù)化有限元分析的全過(guò)程[2,3,4]。
UIDL的全名是User Interface Design Language。用戶圖形界面設(shè)計(jì)語(yǔ)言(UIDL)就是編寫或改造ANSYS圖形界面的專用設(shè)計(jì)語(yǔ)言,主要完成以下三種圖形界面的設(shè)計(jì):主菜單系統(tǒng)及菜單項(xiàng)、對(duì)話框、拾取對(duì)話框和幫助系統(tǒng)[5]。
2 筏板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)向?qū)С绦蜓芯?
2.1 筏板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)向?qū)С绦虻娜蝿?wù)
RFDG程序是針對(duì)平板式筏板基礎(chǔ)礎(chǔ)[6](或者可以簡(jiǎn)化成平板式筏板基礎(chǔ))開(kāi)發(fā)的一個(gè)分析程序。該程序的主要功能是針對(duì)兩排柱之間可以簡(jiǎn)化成對(duì)稱結(jié)構(gòu)的板帶,進(jìn)行基底的應(yīng)力、應(yīng)變和位移,以及整個(gè)地基在該剖面的應(yīng)力、應(yīng)變和位移場(chǎng)的分析。
2.2 筏板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)向?qū)С绦虻墓δ?
RFDG程序主要完成了一下五項(xiàng)功能:
(1)參數(shù)化建模
RFDG程序建立模型過(guò)程只須輸入一些參數(shù),而后就可以由程序自動(dòng)生成ANSYS模型。由TCL/TK編寫的界面給用戶提供了一個(gè)良好的交互環(huán)境,方便參數(shù)的輸入,同時(shí)對(duì)于輸入的基本參數(shù),RFDG程序會(huì)輸出到指定的文件中方便用戶檢查及管理。
(2)地基土的分層處理
RFDG程序支持多層地基土材料的輸入,但是由于實(shí)際地基土層數(shù)量是有限的,計(jì)算深度也是有限,所以控制了地基土的分層數(shù)量最大為12層。在這里,RFDG程序除了可以手工輸入?yún)?shù)外,還支持從指定文件中導(dǎo)入?yún)?shù)。這樣用戶可以編寫土層的力學(xué)參數(shù)文件,然后一次性輸入到RFDG程序中。
(3)計(jì)算結(jié)果的輸出
RFDG程序可以將預(yù)先定制的控制點(diǎn)的位移、應(yīng)力和應(yīng)變輸出到固定的文本文件中,并且還可以將計(jì)算結(jié)果輸入到Excel中,方便數(shù)據(jù)處理。對(duì)于圖形輸出方面,RFDG程序提供了一個(gè)快捷的功能,就是它可以將當(dāng)前視圖的等色圖和等直線圖一次輸出,分別存為jpg和png兩種格式。
(4)多步求解
在求解方面RFDG使用多荷載步求解,只須執(zhí)行程序中的多步求解就可以自動(dòng)完成求解過(guò)程。各步求解分別實(shí)現(xiàn)了自重作用下的計(jì)算及自重和外荷載同時(shí)作用下的計(jì)算,根據(jù)程序提供的后處理命令可以方便的求得荷載作用下的計(jì)算結(jié)果。
(5)子模型分析
除了上述功能外,RFDG程序還提供了子摸型的分析功能。
由上述五項(xiàng)功能的需求,將RFDG程序分成五個(gè)功能模塊,即:RFDG前處理模塊、RFDG求解模塊、RFDG后處理模塊、RFDG子模型分析模塊和RFDG視圖控制模塊。
3 筏板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)向?qū)С绦蚺cANSYS二次開(kāi)發(fā)
3.1 應(yīng)用TCL/TK、APDL、UIDL進(jìn)行ANSYS二次開(kāi)發(fā)的基本過(guò)程
在調(diào)用TCL/TK編寫的用戶界面腳本文件時(shí)候,ANSYS將根據(jù)tclIndex文件中的內(nèi)容搜索C:\Program Files \Ansys Inc\v80\ANSYS\gui\scripts目錄下的腳本文件(假設(shè)安裝目錄在C盤),所以需要將用戶自己編寫的腳本文件拷貝到該目錄下,同時(shí)更新tclIndex中的內(nèi)容。
為了更新Main Menu中的內(nèi)容,需要將相關(guān)的UIDL文件拷貝到C:\Program Files\Ansys Inc\v80\ANSYS\gui\en-us\UIDL目錄中,ANSYS將根據(jù)mnulist80.ans中的內(nèi)容搜索需要的命令。
ANSYS在執(zhí)行宏文件時(shí),將搜索目錄C:\Program Files\Ansys Inc\v80\ANSYS\apdl和工作目錄以及用戶特殊指定的目錄,為了使所有用戶都能方便的使用RFDG程序的宏文件,所以將所有相關(guān)的宏文件均放到第一個(gè)目錄下。
這樣ANSYS就可以執(zhí)行菜單、對(duì)話框以及APDL命令宏。
3.2 應(yīng)用TCL/TK實(shí)現(xiàn)筏板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)向?qū)У慕缑婕安藛卧O(shè)計(jì)
在RFDG程序中所有由TCL/TK語(yǔ)言編寫的界面及菜單代碼均寫入rfdg.tcl文件中。其中的30個(gè)過(guò)程均在RFDG一個(gè)名字空間下。分別完成了前述的5個(gè)模塊中的各項(xiàng)功能,同時(shí)將ANSYS命令送出。
3.3 應(yīng)用APDL實(shí)現(xiàn)筏板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)向?qū)У哪K功能
對(duì)于由APDL語(yǔ)言完成的功能,是將每個(gè)功能創(chuàng)建一個(gè)ANSYS宏文件,這樣就可以通過(guò)使用調(diào)用ANSYS命令的方式來(lái)調(diào)用宏。并且每個(gè)宏文件只完成一個(gè)預(yù)定的功能。而對(duì)于一些簡(jiǎn)單的ANSYS功能則在TCL/TK中使用ans_sendcommand等命令來(lái)實(shí)現(xiàn),并不建立單獨(dú)的宏文件。RFDG程序共有13個(gè)宏文件,分別完成以下13個(gè)功能:創(chuàng)建地形塊(rf_bc.mac)、創(chuàng)建土層(rf_tc.mac)、創(chuàng)建筏板(rf_rc.mac)、主要控制(rf_mc.mac)、多部求解(rf_sl.mac)、結(jié)果輸出設(shè)定(rf_rost.mac)、結(jié)果輸出1(rf_ro1.mac)、結(jié)果輸出2(rf_ro2.mac)、結(jié)果輸出3(rf_ro3.mac)、定義路徑(rf_pd.mac)、子模型生產(chǎn)(sub_cut.mac)、子模型邊界條件設(shè)定(sub_bs.mac)和子模型主要控制(sub_mc.mac)。
3.4 應(yīng)用UIDL實(shí)現(xiàn)筏板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)向?qū)У腗ain Menu設(shè)計(jì)
Main Menu下的由UIDL語(yǔ)言編寫的菜單代碼寫入uimenu_rf.grn和uifunc_rf.grn兩文件中。將RFDG菜單添加到原來(lái)的Main Menu下,如圖2所示。通過(guò)其中的Activate RFDG Menu命令可以打開(kāi)由TCL/TK編寫的菜單。
4 用RFDG程序?qū)δ彻こ踢M(jìn)行分析
某工程的筏板物理力學(xué)參數(shù)如表1,所受均布荷載為100kN/m2;地質(zhì)資料如表2,選用D-P模型,基礎(chǔ)計(jì)算寬度50米,計(jì)算深度45米。
表1 筏板的物理力學(xué)參數(shù)
|
厚度 (m) |
埋深 (m) |
寬度 (m) |
彈性模量 (MPa) |
泊松比 |
容重 (kN/m3) |
|
2.5 |
10 |
20 |
2.8×104 |
0.2 |
25 |
表2 某工程土層的物理力學(xué)參數(shù)
|
層號(hào) |
層厚 (m) |
變形模量 (MPa) |
泊松比 |
容重 (kN/m3) |
內(nèi)聚力 (KPa) |
內(nèi)摩擦角 (o) |
|
1 |
2 |
5.5 |
0.3 |
18 |
10 |
15 |
|
2 |
1.5 |
6.0 |
0.39 |
19.5 |
50 |
24 |
|
3 |
2 |
21.0 |
0.3 |
19 |
0 |
35 |
|
4 |
13.5 |
30.0 |
0.3 |
19 |
0 |
40 |
|
5 |
1 |
6.2 |
0.39 |
19.5 |
50 |
22 |
|
6 |
1.5 |
23.0 |
0.3 |
19 |
0 |
36 |
|
7 |
23.5 |
35.0 |
0.3 |
19 |
0 |
40 |
應(yīng)用RFDG程序?qū)υ摴こ踢M(jìn)行分析計(jì)算,各步驟的計(jì)算結(jié)果如圖9所示?？梢院芊奖愕牡贸稣麄€(gè)基礎(chǔ)的應(yīng)力、應(yīng)變和位移的等色圖,以及基礎(chǔ)底面的位移、應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù),且所有由RFDG程序輸出的數(shù)據(jù)均可以快速的導(dǎo)入到Excel中。從計(jì)算的結(jié)果可以看出,在筏板板底邊緣處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,并且該處剪應(yīng)力最大,筏板跨中下的地基垂直方向應(yīng)力向下逐漸減小,垂直方向位移的最大值出現(xiàn)在跨中?？梢?jiàn)其計(jì)算結(jié)果與傳統(tǒng)的分析相吻合。
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