OpenSTAAD在变电架构有限元分析中的应用

闫素梅，冯瞬凯，王崇宇

（河北省电力勘测设计研究院，石家庄 050031）

OpenSTAAD在变电架构有限元分析中的应用

闫素梅，冯瞬凯，王崇宇

（河北省电力勘测设计研究院，石家庄 050031）

提出了一种运用OpenSTAAD有限元分析的二次开发功能，结合.net可视化界面，对变电架构的创建方法进行了优化设计。结果表明，变电架构中应用OpenSTAAD与.Net结合的参数化设计，可快速建模；满应力迭代以及多线程的优化设计方案可迅速查找内力结果并确定杆件截面，为工程设计提供方便有效的方法。

变电架构；OpenSTAAD；构件优化设计；参数化模型

随着变电站架构形式多样化，架构形式出现了用钢管杆代替了水泥杆的架构，钢筋混凝土框架结构代替了砖混结构，结构的变化导致内力计算中再采用传统只有杆单元的计算算法不合适，而STAAD空间结构分析的内力计算采用梁、杆单元相结合的方式，计算更加精确，结果更加符合结构的实际受力情况，设计可靠性能更高。

由于变电站架构复杂、杆件多，采用有限元软件STAAD、Ansys等进行建模，建模过程繁琐工作量大，其工作效率较低。使用STAAD/CHINA中可定值专用的设计工具OpenSTAAD与第三方软件.Net连接，利用.Net开发平台的界面操作简单、稳定可靠，可迅速形成变电架构模型，采用满应力迭代算法和多线程方法优化算法优化设计。

1　OpenSTAAD建模

变电模型的建立和计算过程可分3部分完成：运用.Net可快速建立OpenSTAAD模型，运行OpenSTAAD进行有限元分析计算，从STAAD中读取数据结果并显示到界面中。

1.1空间建模快速创建

本系统参照变电站钢结构设计技术规范［1］、架空送变电线路钢管杆设计技术规定等技术规范，结合设计院多年工作经验，总结了梁、柱、避雷针、支座等变电构件原始模型数据，利用.Net的人性化、可视化的设计工具，形成了可参数化的数学模型，并可自由设置和修改截面特性、材料特性、约束信息等。

根据已建单构件数学模型创建变电站有限元空间模型，可通过.Net界面选定初始坐标位置自动生成各种空间模型的几何信息、几何特性。系统自动把杆件分为主材和斜材，主材刚度大在STAAD可设为梁单元、斜材设为杆单元。空间有限元模型将保留原始数学构件模型的截面特性、材料特性、支座信息［2］等，不用重复设置。

1.2OpenSTAAD的运行

通过.Net界面取得空间模型的各种信息即可创建STAAD有限元空间模型并进行计算分析。计算步骤如图1所示，根据.Net界面信息生成OpenSTAAD输入文件（后缀std）；在.Net平台中可采用CreateInstance创建OpenSTAAD句柄，启动STAAD软件；调用Analyze（）语句对有限元模型进行分析计算；STAAD作为大型有限元软件，在分析过程中需要消耗时间，系统可检测相应的.log文件是否有“END OF ANALYSIS”语句，如果有此语句则表现分析完成可关闭STAAD分析进程“SProStaad”，进而读取分析结果；对于读取杆件内力和节点位移的语句可调用OpenSTAAD的Output函数即.Output.Get Member End Forces、Output.Get NodeDisplacements。最后关闭软件可使用OpenSTAAD.Quit（）。

图1　OpenSTAAD运行流程

1.3分析结果与显示

有限元软件运行完成后涉及到如何把STAAD计算结果传输到.Net界面中，为开发者提供有用的信息。OpenSTAAD的结果可读取STAAD的输出文件（.*ANL）［3］，由于.*ANL文件过于冗杂，解读起来比较繁琐工作量大，使用OpenSTAAD的Output类的相应函数读取杆件内容和节点位移，并将结果以“*.TXT”文件格式保存在工程目录中以供查看。

在.Net界面中可通过报表格式显示计算分析结果，表格中除需显示STAAD计算的杆件内力和节点位移外，还需显示通过杆件内力进行选材计算出的杆件强度、压弯构件稳定、轴心受压结构稳定计算值以及规范规定值。

2　构件优化设计

用有限元软件STAAD进行变电设计，设计人员进行材质截面选择和设置的时候，需要大量工作经验或反复计算，才可最终确定材质型号。以下提出了一种在变电结构截面计算采用满应力分析的方法，利用迭代计算算法，确定并优化了截面设计，多线程读取STAAD结果节约了大量时间。

2.1满应力迭代优化设计

由于变电架构设计中工况内容多而复杂，因此在杆件选材截面计算中使用满应力法［4］，得到杆件的内力最优解。杆件截面型号在STAAD迭代计算中稳定生成，即保证工程质量、又节省材料。其流程为：从数学模型中选定每根杆件截面型号；遍历工况中所有工况；取得对应工况的STAAD的内力计算值；通过内力进入截面选材计算最优的杆件惯性矩Ix；取所有工况中最大的Ix确定此杆件截面型号ID；比较此Ix与初值（或上一次的）Ix1；如果相等则此次ID则为所求杆件的型号；如不等则取较大Ix杆件截面型号ID重新进行STAAD分析。

2.2多线程读取提高效率

变电架构杆件多、节点多，尤其是高电压变电站如330 k V、500 k V杆件可达上万根，从Open-STAAD中读取杆件内力和节点位移需进行大量的查询工作，工作量较大，处理时间较长，这样增加了整个程序的整体运行时间，为此采用多线程计算方法，按照不同工况，不同杆件节间段同时读取分析数据，充分利用CPU多核资源，减少整体运行时间。

3　应用案例

图2为衡水某500 k V变电架构模型整体全景效果，该空间模型是在经过轴心网格、模型创建、模型布置及荷载分置后的效果图，在效果图形中可直接观察到模型创建的立体模式、布置是否合理、荷载大学，并且根据要求适时进行修改。最后可在计算模板中进行STAAD的有限元分析计算、并且查看计算结果。

4　结论

以上针对变电架构模型的

图2　变电架构模型整体全景效果

有限元分析，通过对OpenSTAAD二次开发的研究，基于.Net显示平台，制订了详细的解决方案。通过此方案开发出了SSD变电架构设计软件，开发中充分利用设计人员的在变电架构设计中的经验与.Net优良界面显示功能实现STAAD有限元快速建模；截面计算中采用满应力迭代优化计算，实现工程的最优设计；多线程算法减少了软件的整体运行时间。此软件为以后的变电工程设计打下良好的基础。

［1］ GB 50017-2003，钢结构设计规范［S］.

［2］ 潘 登，朱 政.基于STAAD软件变电架构钢筋混凝土环形杆设计的浅析［J］.低碳世界，2014（3）：31-33.

［3］ 魏 亮，陈 延.STAAD二次开发的经验［J］.钢结构，2007（6）：88-92.

［4］ 张建文，张 磊.某超静定衍架满应力法的计算与分析［J］.建筑技术开发，2004（1）：1-3.

本文责任编辑：丁 力

Application of OpenSTAAD in Substation Framework Finite Element Analysis

Yan Sumei，Feng Shunkai，Wang Chongyu
（Hebei Electric Power Survey Design and Research Institute，Shijiazhuang 050031 China）

This system summarizes the design institute of substation architecture work experience for many years，puts forward the optimization design is carried out on the substation of architecture creation method，a finite element analysis of the secondary development of OpenSTAAD function，in combination with Net visual interface.Application results show that the substation architecture OpenSTAAD and Net combination of parametric design，can quickly create modeling；Full stress iteration and optimization design scheme of multithreading can rapidly find the internal force of the results and determine bar section，provides a convenient and effective method for the engineering design.

substation architecture；OpenSTAAD；component optimization design；structural parametric model

TM769

B

1001-9898（2016）02-0005-02

2016-01-07

闫素梅（1984-），女，工程师，主要从事电力系统应用软件研究开发工作。