ANSYS二次开发技术及在预应力混凝土中的应用

乔一乐 康晓亮 杨 建

(1.华北水利水电大学，河南 郑州 450011； 2.石家庄市滹沱河建设管理处，河北 石家庄 050800)

ANSYS二次开发技术及在预应力混凝土中的应用

乔一乐1康晓亮2杨 建1

(1.华北水利水电大学，河南 郑州 450011； 2.石家庄市滹沱河建设管理处，河北 石家庄 050800)

对ANSYS的二次开发技术作了简要介绍，采用ANSYS二次开发的循环迭代法对预应力混凝土结构进行精确模拟，正确的反映了预应力的施加和损失问题，并通过实例分析验证了该方法的有效性。

ANSYS软件，二次开发技术，预应力，循环迭代

0 引言

ANSYS作为一款大型CAE有限元分析软件，能够进行应力场、温度场、流场和电磁场的分析,具有完备的前、后处理功能,强大的求解器以及针对专业分析的二次开发技术,是解决庞大、复杂工程的一个十分有效的工具。经过几十年的发展,ANSYS在有限元软件领域占据了举足轻重的地位，被世界各工业领域广泛接受，成为全球众多专业技术协会认可的标准分析软件。它不仅集成了多个模块而且还应用到众多领域,为这些领域的技术交流提供了强有力的平台。基于此，用户可以很容易地实现对土木工程热点问题的处理，例如：预应力施加与计算、徐变、施工过程模拟、预应力筋配置计算、混凝土开裂和压碎计算等。然而，传统的ANSYS模拟施加混凝土结构预应力的方法不能合理的考虑钢筋的刚度贡献和承载作用，又不能正确的反映钢筋的实际应力应变状态以及预应力损失等问题。

基于以上问题，本文提出应用ANSYS提供的二次开发技术对预应力混凝土结构进行精确模拟，并将其成功的应用到确定预应力简支梁设计应力中，为今后ANSYS在预应力混凝土工程中的广泛应用奠定良好的基础，亦为开发和研制大型预应力混凝土结构提供了一种新的方法。

1 ANSYS的二次开发技术

1)用户界面设计语言(UIDL)。

UIDL(User Interface Design Language)是ANSYS为用户进行程序界面设计而提供的一种专用语言。它可以客户化 ANSYS图形交互界面的许多部件，包括：对话框、菜单项、在线帮助以及在 ANSYS环境中集成自己开发的程序。用UIDL编写的程序文件称为控制文件，必须以“*.GRN”为扩展名，它可在ANSYS原有的菜单中添加自己设定的菜单项和控制程序。UIDL控制文件由一个控制文件头和几个构造块构成，一个构造块对应着GUI的一个元件，每个构造块是一系列的GUI命令，构造块分为菜单块和功能块两个类型[1]。

2)参数化设计语言(APDL)。

APDL(Parametric Design Language)是一种用来自动完成某些功能或建模的脚本语言，提供了一般程序语言的功能。它包含三个方面的内容：工具条、参量和宏命令，由类似于FORTRAN的语言部分和1 000多条ANSYS命令组成，有顺序、选择、循环及宏等结构。利用APDL将ANSYS命令组织起来，编写出参数化的用户程序，即建立有限元模型、加载和求解、结果后处理和结果查看，全部应用参数化语言完成，从而实现有限元全过程分析的参数化。使用这些特性,可以实现快速操作，数据快速传递、更新等功能。

3)用户可编程特性(UPFs)。

UPFs(User Programmable Features)是ANSYS作为开放结构、允许用户使用自己的FORTRAN程序的功能。用户可以根据需要利用UPFs重新编译连接生成用户定制版本的ANSYS软件，例如创建新单元、定义新的材料属性、定义用户失效准则等，用户还可以编写自己的优化设计算法，甚至可以将整个ANSYS程序作为子程序调用。UPFs是用户在ANSYS提供的FORTRAN源代码的基础上，修改其用户可编程子程序和函数(称为用户子程序),从源代码层次上对ANSYS进行二次开发的工具。用户需要在相应的FORTRAN语言编译器的支持下，将编译修改后的源代码与ANSYS库相连形成用户版本的ANSYS可执行文件，另外还可以创建自己的外部命令。

2 预应力钢筋模拟的主要方法

2.1 预应力钢筋建模方法

1)等效荷载法。

等效荷载法就是用一组“等效”荷载来替代预应力筋的作用施加到结构上。其优点是建模简单，不需要考虑预应力钢筋的具体位置，在用梁单元和壳单元进行桥梁总体内力分析的时候，能研究整体的预应力效应。其缺点是没有考虑力筋对混凝土的作用分布和方向、对张拉过程无法模拟、难以求得结构细部受力反应、在外荷载作用下的共同作用难以考虑、不宜用其进行三维实体单元的详细应力分析。

2)实体力筋法。

实体力筋法是将预应力钢筋和混凝土用不同的单元类型各自建立模型，再建立二者之间的位移关系用不同的单元一起考虑。多数情况下，预应力钢筋用Link系列单元模拟，混凝土则用 Solid 系列单元进行模拟。根据力学模型上的求解方法，可分为节点耦合法、约束方程法和实体切分法三种。

本文的预应力钢筋建模采用实体切分法，其基本步骤如下：a.建立混凝土实体几何模型；b.分割体定义力筋线；c.单元划分，施加预应力、荷载、边界条件；d.求解。

2.2 预应力钢筋施加方法[2]

1)降温法。

该法是通过设置各向异性的温度应变系数，经过应力—应变关系推算，在给定的温差下就可以获得与预应力产生的应变等效的效果。其实质为等效变形的方法，即利用钢筋的温度特性为力筋单元设定一个温降值，使得力筋单元产生一个收缩变形，达到所需要的预加应力。

钢筋的温降值公式为：

ΔT=P/EAa

(1)

式中：ΔT——力筋的温降值；P——钢筋拉力设计值；E——力筋的弹性模量；A——力筋的截面面积；a——力筋的线性膨胀系数。

2)初始应变法。

通过位移约束进行加载，使结构中产生的应变与预应力加载产生的应变等效。给力筋单元设定一个初始拉力，放松后使力筋单元产生收缩变形生成一个预拉作用。

初始应变的公式为：

ε0=P/EA

(2)

式中：ε0——力筋的初应变；P——钢筋拉力设计值；E——力筋的弹性模量；A——力筋的截面面积。

该方法可以模拟预应力钢筋的具体位置，并且能够得到预应力钢筋在荷载作用下的应力分布。本文拟采用初始应变法来施加预应力，通过ANSYS二次开发的循环迭代法来求解最终的设计应力值。

3 基于ANSYS二次开发的混凝土结构预应力设计值确定

3.1 混凝土结构预应力设计值的确定方法

目前国内外ANSYS模拟预应力的方法大致有:等效荷载法、降温法、应变法等等。本文采用通过施加初始应变进而通过应力迭代求解最终应力值的循环迭代法。该方法就是在不断调初始应变的同时,反复修正钢筋应力求解值,使其最终满足设计要求。这时得到的钢筋应力值即为预应力设计值,该方法能包含各种预应力的损失同时又考虑了钢筋与混凝土的共同作用。详细步骤如下:

1)输入预应力混凝土结构和钢筋的基本参数；

2)假定设计提供的预应力钢筋应变值为初始应变{ε0}(ε0=P/AE)，并将此值输入Link8单元实常数中，初始拉力为{P0}(P0=P)；

3)采用ANSYS求解器进行应力的平衡迭代，求出钢筋应力值{σn}；

4)检查‖{Aσn}-{P0}‖/{P0}是否小于设计值，如果小于设计值则打印计算结果，否则用{εn+1}={εn}{P0}/{Aσn}代替{εn}，重复步骤3)，4)，直至条件‖{Aσn}-{P0}‖/{P0}满足要求为止；

5)打印满足要求的{σn}值。

3.2 混凝土结构预应力设计值的确定过程

用户可以结合本专业的学科特点进行ANSYS的二次开发应用，创造出既简便又实用的开发程序，进而弥补ANSYS在特定学科领域的不足。一方面显示了ANSYS作为大型CAE软件的广泛应用性，另一方面又提高了ANSYS应用于实际的高效性。结合本文混凝土预应力施加特点，即预应力大小如何确定，也就是如何模拟张拉的一个过程。我们最终要的是预应力存留值，需要反复调整初始值来模拟预应力损失情况。

故本文基于ANSYS二次开发的APDL参数化语言设计，通过对预应力的循环迭代编制出可以求得预应力存留值的二次开发程序，以便高效解决预应力施加问题。预应力以初应变的方式加到钢筋上,详细实现步骤如下：

1)建立有限元分析模型,定义荷载加上边界约束条件。

2)定义参数数组存储按照循环迭代法求解得到的应力和应变值：

*GET,EMAX,ELEM,0,COUNT !单元总数

*DIM,ISTRIN,ARRAY,EMAX，1 !钢筋应变数组

*DIM,FXX,ARRAY, EMAX，1 !钢筋应力数组

3)设置ANSYS分析类型，求解单元内力:

ANTYPE,STATIC !进行静力分析

4)应力迭代。

a.用*do-loop命令循环求解,每求解一次,利用ANSYS命令(*GET)从计算结果中提取钢筋应力,检查钢筋拉力与设计提供的拉力误差是否小于允许值。

b.如果是小于允许值，则停止计算，否则，将二者比值作为应变扩大系数，令{εn+1}={εn}{P0}/{Aσn}，采用ANSYS命令(RMODIF)修改钢筋单元的实常数，重复步骤3)，4)进行计算，直至计算应力满足要求。

4 应用举例

依照上面介绍的方法,结合一预应力简支梁实例, 应用APDL语言编制的循环迭代程序成功实现了预应力混凝土结构的应力模拟。预应力混凝土简支梁如图1所示，预应力筋为底部受拉纵筋。

已知预应力筋的面积As=140 mm2，其张拉力为P=200 kN,弹性模量Es=2.0×105MPa。混凝土标号为C50，混凝土弹性模量为Ec=4.0×104MPa,质量密度为2 300 kg/m3。分析时混凝土采用Solid95单元模拟，力筋采用Link8单元模拟。

ANSYS计算的钢筋应力如图2所示。

由以上计算结果可知ANSYS经过两次循环迭代后，计算钢筋应力值ε=1.43×106MPa与设计值ε1=1.428 5×106MPa在误差允许的范围之内，所以用该种方法来模拟施加预应力是完全可以的。

5 结语

本文在介绍ANSYS各项二次开发功能的同时重点介绍了APDL参数化语言在预应力混凝土结构设计中的具体应用，详细分析了精确模拟施加预应力的具体步骤和方法，充分体现了利用ANSYS自身二次开发工具解决工程实际问题的必要性，为有限元软件在工程领域的专业开发分析起了很好的导向作用，同时为解决复杂的混凝土结构预应力问题奠定了良好 的基础。

[1] 段志东,张克华.ANSYS图形用户界面二次开发[J].兰州铁道学院学报,2002,21(1):44-46.

[2] 付永强,张小水,胡 成.预应力混凝土结构施加预应力的Ansys模拟[J].工程与建设,2008,22(6):784-786.

ANSYS secondary development technology and application in the prestressed concrete

QIAO Yi-le1KANG Xiao-liang2YANG Jian1

(1.NorthChinaUniversityofWaterConservancyandHydropower，Zhengzhou450011,China;2.ShijiazhuangHutuoRiverConstructionManagementOffice,Shijiazhuang050800,China)

The paper gives the brief introduction of the ANSYS secondary development technology, adopts the lip iteration of ANSYS secondary development technology to have the accurate simulation of the prestressed concrete structure, reflects the prestress construction and losses, and proves the effectiveness of the method by the experimental analysis.

ANSYS software, secondary development technology, prestress, loop iteration

1009-6825(2014)03-0050-03

2013-11-06

乔一乐(1987- )，男，在读硕士； 康晓亮(1988- )，男，助理工程师； 杨 建(1989- )，男，在读硕士

TU378

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