Ansys向PDMS三维结构设计数据传递研究

王云极，袁 泉，李艳阳，王藤锦

（中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，长春 130021）

随着电厂数字化设计需求的不断提高，三维设计软件在国内很多发电项目设计中得到普及和深化应用，其中，工厂三维布置设计管理系统（PDMS）是应用较为广泛的数字化平台之一。土建结构专业很多复杂结构的应力计算是采用Ansys通用有限元分析软件进行的，计算分析完成以后需要在多专业协同的PDMS数字化平台建立三维模型，重复的建模工作容易引入人为差错，同时也不利于提升结构设计整体效率。有限元软件是将实际结构划分为数量有限、简单而又相互作用的基本单元来分析整体结构系统的，其基本单元均由有序的数据构成。PDMS三维布置平台以数据库为基础，布置模型的几何信息全部以数据形式存储于后台，因此，可以考虑通过数据传递的方式将结构有限元分析模型转换为满足协同设计需求的三维数字化模型。本文以Ansys 13.0版和PDMS 12.1 版为例，从不同结构构件在两款软件平台上的数据构成形式着手，探讨行之有效的数据传递方法，从而实现模型数据由结构分析平台向数字化设计平台的有效传递。

1 数据格式简介

1.1 Ansys13.0版数据格式

Ansys有限元计算模型的几何参数、材料属性、网格划分、荷载输入等信息均存储于数据库文件（.db）中，文件格式为ASCII。在导入导出方面，Ansys软件支持IGES、Para Solid、CA－TIA、Pro／E、UG 等多种格式文件的导入，但只支持IGES 标准格式文件的导出。此外，软件还具有模型信息数据的输出功能，一般为文本文件格式。

1.2 PDMS12.1版数据格式

三维设计项目的全部数据均存储于PDMS 结构化数据库中，数据库为软件核心主要分为7大类，分别为系统数据库、元件数据库、设计数据库、管段数据库、特性数据库、用户定义属性库和二维图数据库［1］。结构专业模型数据主要存储于设计数据库，包含几何数据、连接信息、材料属性等。PDMS软件提供了Open steel接口程序，支持SDNF格式文件的导入和导出。为了满足数据传递的需求，一些计算、绘图软件与PDMS 的接口程序不断涌现［2－3］。PDMS软件也支持模型数据的输出和输入，以文本文件格式最为常用，因此，可以将模型数据保存为文本文件格式，以此为中间媒介开展数据传递。

2 线性构件

在Ansys软件中，线性构件主要包含支撑、梁、柱等构件，此类构件一般用线段划分成link 或者beam 单元进行分析，线段和线性单元分别由关键点和节点连接而形成，所以线性构件数据输出可考虑线段和线性单元两种方案。在PDMS 数字化设计软件中，线性结构构件的基本元件为sctn，它是通过两端坐标直接定义而成，没有实际意义上的点的概念，因此，线性构件数据的传递势必要将点（关键点、节点）记录坐标的作用付给杆件才能实现。

2.1 线段方案

通过Ansys输出线段及线段两端关键点坐标，使杆件编号直接对应两端关键点三向坐标值，将数据改写为PDMS 可识别的格式，则可实现无等级sctn元件的建立。

2.2 单元方案

与线段方案类似，通过Ansys输出单元及单元两端节点坐标，使单元编号直接对应两端节点三向坐标值。

Ansys软件中记录线性构件截面的数据存储于实常数中，但仅依靠该数据很难唯一确定截面形状，例如beam3单元的实常数信息中包含的截面数据只有截面面积、截面惯性矩、截面高度，因此输入PDMS的线性构件截面类型仍需设计人员批量设定。

2.3 杆件应用实例

某电厂输煤栈桥结构有限元计算模型，模型的坐标原点取栈桥入口顶面水平杆件形心处，采用笛卡尔坐标系统：x 轴为栈桥宽度方向，以由东向西为正；y 轴为竖直方向，以竖直向上为正；z 轴为栈桥长度方向，以由南向北为正，如图1所示。梁、柱模型采用Beam4单元，支撑采用link单元，单元总数298。

分别采用线段方案和单元方案来获取并处理相关数据信息，可得到相同的PDMS布置模型结果，值得注意的是，PDMS采用的是世界坐标系（World Axes），在数据转换过程中，需要将Ansys系统中的x、y 和z 坐标与PDMS系统中的e、u 和n 依次对应；此外，需要在中间数据文件中增加栈桥结构各杆件等级项，给定PDMS中对应的杆件截面属性，并设置合适的对齐方式，转换得到的输煤栈桥三维布置模型如图2所示。

2.4 杆件模型对比

通过数据传递转换得到的PDMS 输煤栈桥三维布置模型杆件数量、杆件端部坐标、杆件截面与计算模型完全一致，满足协同设计需求。

3 平面构件

图1 Ansys输煤栈桥计算模型

图2 PDMS输煤栈桥布置模型

平面构件在这里是指Ansys软件中采用平面单元或壳单元划分的面域，通常面域会被划分成数量较多的单元进行分析计算，所以对于平面构件只能采用面域及其关键点坐标进行数据传递。面域没有厚度的概念，平面构件厚度记录在平面单元或壳单元的实常数中。在PDMS数字化设计软件中，平面结构构件的基本元件为pane，它是通过多个（大于等于3个）共面pave点坐标定义而成。

3.1 转换方案

通过Ansys输出面域及面域相关关键点坐标，使面域编号直接对应相关关键点三向坐标值，进而计算面域局部倾角，提取相应单元实常数厚度数据项，将数据改写为PDMS可识别的格式，则可实现pane元件的建立。对于厚度渐变的平面构件因应用相对较少，不在本文讨论范围内。

3.2 平面构件应用实例

某煤场网壳结构有限元计算模型，屋面为三心圆柱面网壳结构，金属屋面彩钢板厚度0.8mm［5］，平面尺寸113 m×105 m，模型的坐标原点取±0.000m处，采用柱面坐标系，如图3所示。其屋面板模型按面域建立，总数1 170，采用shell63单元模拟。

在提取数据过程中，需要将Ansys系统中关键点的坐标按照笛卡尔坐标系输出，然后与PDMS系统中的e、n、u 建立对应关系，并计算各板块的空间倾角，转换得到的网壳屋面结构三维布置模型如图4所示。

图3 Ansys网壳屋面计算模型

图4 PDMS网壳屋面布置模型

3.3 平面构件对比

通过计算模型数据转换得到的PDMS 网壳屋面布置模型板块数量、节点坐标、厚度与计算模型一致，但由于本实例的特殊性，在坐标系统转换过程中会产生不超过0.000 5 mm 的误差，可满足工程项目精度要求。

4 实体构件

在结构有限元分析中常用到的Ansys实体单元为solid45 和solid65，均为八节点六面体单元。复杂的块形混凝土结构，例如地下泵房、隧道、边坡、筒仓、桩基等均采用实体单元进行有限元分析，计算模型建立过程中多采用布尔运算等复杂操作，所以形成的基本体也非常复杂。以某电厂锅炉基础为例，实体建模的四桩承台宽度和长度均为4.1m，厚度为2m，桩径820mm，桩长20 m，桩中心距为三倍桩径。为了保证桩与承台间各节点有效连接，通常将承台分割成为多个基本体，再进行有限元网格划分，如图5所示。

图5 四桩承台有限元计算模型

图5中所示承台，包含9个基本体、34个面域、68条线段和48个关键点，而Ansys输出的基本体信息需要通过面域和关键点来获取，所以通过这种方式来实现Ansys向PDMS的数据传递势必过程曲折复杂，不利于推广和应用。

4.1 转换方案

Ansys和PDMS 都支持通过命令集合来实现模型的建立，前者被称为“APDL 语言”或者“命令流”，后者为“PML语言”，可以在基本实体建模方面找到两者的对应关系，从而实现两种命令集合的转换，进而达成模型数据传递的目标。

同样以上述四桩承台为例，在两款软件平台上建立立方体和圆柱体的命令集合见表1。

为了使两个软件平台建立的模型一致，首先需要将Ansys中的坐标系统旋转到与PDMS一致，并且考虑到在PDMS中不需要进行布尔运算，所以将PDMS命令集合中桩长调整为20m 直接建立在承台下，图6为通过上述命令集合在PDMS中建立的布置模型。有此可见，采用命令集合建立的Ansys模型可以通过命令集合的语言转换实现两个软件平台间的数据传递。

4.2 实体模型对比

以命令集合语言转换的方式得到的PDMS 实体布置模型构件数量、空间占位与计算模型完全一致，对于更加复杂的实体有限元计算模型，还需要结合其相应命令集合中布尔运算语句来综合考虑布置模型建模命令集合的编写。

表1 命令集合语言转换

图6 四桩承台PDMS布置模型

5 结语

a.通过数据传递方式将结构分析计算模型数据输入PDMS三维布置模型方法可行。

b.由线性构件或平面构件组成的空间结构，采用本文方法形成三维布置模型，快速、高效。

c.实体构件组成的结构模型复杂，通过命令集合的转换可实现简单模型数据的传递，而适用范围更广且易于操作的数据传递方法仍需进一步研究探讨。

［1］张祖辉.PDMS元件库在实际工程中的应用［J］.工程建设与设计，2004，（6）：60－62.

［2］袁泉，李炳益.火力发电厂主厂房三维结构布置设计探讨［J］.武汉大学学报（工学版），2008，41（7）：289－292.

［3］王云极.三维设计电厂主厂房结构动力特性研究［J］.吉林电力，2010，38（2）：14－16.

［4］李围.ANSYS土木工程应用实例［M］.北京：中国水利水电出版社，2007.

［5］丁义平.空间网壳结构风荷载体型系数的数值研究［D］.上海：上海交通大学，2009.