基于APDL 和UIDL 的拱坝参数化建模及结果分析

田 羽，张小飞，何飞龙，黄佳敏

（广西大学土木建筑工程学院，广西 南宁 530000）

1 引言

在地形和地质条件适宜的情况下，拱坝相较重力坝或土石坝更加经济，但同时结构也最为复杂[1]，因此对于数值仿真模拟来说难度更高。随着科技的迅速发展，有限元软件在水利工程中的应用越来越广泛[2-3]，ANSYS 因具有兼容性好、计算功能强大等优点成为最常用的有限元软件之一，其能与Pro/E、UG、CITIA 等软件进行衔接[4]，利用软件建模后导入ANSYS进行计算分析，从而减少前处理耗费的时间。但通常情况下导入的模型需要进行修复，若模型中有太多细节需要处理，通过其他软件进行建模并没有太大优势。我国学者提出了各种方法来解决这一难题，宫恩祥[5]利用APDL 语言建立了泵轴模型，但缺点在于缺乏友好的交互界面，不利于初学者的学习使用；周强[6]基于Excel-VBA 与APDL 语言完成拱坝的建模，但针对不同坝型需对Excel 进行重新开发设计，不具有普适性；其他学者[7-9]也提出基于JAVA、VC++ 等与APDL 语言结合使用而开发出的建模子程序，但缺点是其程序孤立于ANSYS 程序之外，需另行打开调用。鉴此，本文以ANSYS 软件为平台，基于UIDL 和APDL 语言系统地设计拱坝建模子程序，在保证提高建模效率的同时增强子程序的普适性，方便用户使用，并以南方某拱坝为实例验证本文子程序的合理性与可靠性。

2 UIDL 在拱坝建模中的应用

2.1 UIDL 简介

UIDL（User Interface Design Language）全称为用户图形界面设计语言，该语言可用于修改ANSYS 的图形界面，例如在主菜单栏添加子级菜单项，其中包括参数输入的对话框、拾取框等[10]。UIDL 主要完成主菜单系统、对话框和拾取框以及帮助选项图形界面的设计，用UIDL 编写的代码文件称为控制文件，扩展名为“.GRN”。控制文件一般由一个控制文件头和至少一个结构块组成，结构块是一个UIDL 文件的核心，一般分为命令结构块、帮助结构块和菜单结构块。

2.2 菜单设计

在主菜单栏中添加子菜单的方法主要有三种：一是修改ANSYS 安装目录“…ANSYS Incv170ansysguien-usUIDL”文件夹中的UIMENU.GRN 文件，通过在结构块的适当位置添加自定义的命令结构块来完成子菜单的创建，但若修改不当，将会导致ANSYS 崩溃；二是将UIDL 文件夹中的相关控制文件复制到一个新的存放位置并进行修改，特别注意对menulist.ans文件中的工作路径也要进行相应的更改；三是在UIDL 文件夹中建立新的控制文件，并在menulist.ans 文件中添加该文件的路径。后两种方法均可避免文件修改错误而导致ANSYS 的崩溃，其中第三种方法更为简便且避免了文件存放的混乱。因此本文用第三种方法创建了名为ArcDammenu.GRN 的控制文件，在该文件的Men_ArcSimulationSystem 结构块中的适当位置添加了五个以“Fnc_”开头的自定义命令结构块链接，分别创建了“添加坝体材料”“添加坝基材料”“创建坝体模型”“创建坝基模型”“坝体按拱圈分层”五个子菜单项。具体代码如下，经更改后ANSYS 中的主菜单界面见图1。

图1 修改后的主菜单界面

2.3 对话框设计

ANSYS 的对话框用于接收用户所输入的各项数据，本文按上述五个子菜单分别对应创建相应对话框，用于输入拱坝及坝基的几何参数和材料参数及拱坝需要切分的层数，方法是在UNIFUNC 文件中添加Fnc_AdddamMaterials、Fnc_AddRockMateria ls、Fnc_CreateDamModel、Fnc_CreateBajiModel、Fnc_Batifenceng 五个自定义命令结构块。五个结构块的编制思路类似，由于篇幅原因，仅列出最具代表性的坝体建模结构块的部分代码，相应所建立的坝体建模对话框见图2。

图2 创建坝体模型对话框

3 APDL 在拱坝建模中的的应用

3.1 APDL 简介

APDL（ANSYS Parameter Design Language）全称为ANSYS参数化设计语言[11]，该语言可用于批量完成用户的某些特定操作，其优势在于不仅可以完成大部分GUI 的操作任务，甚至可以实现某些GUI 所不能实现的功能，APDL 语言中包含了DO循环语句、IF-ELSE 判断语句、宏语言等，通过这些语句的合理运用，可极大节省用户时间，提升工作效率。

3.2 拱坝及坝基建模宏文件的设计

在利用UIDL 完成子程序菜单及对话框的建立之后，利用APDL 语言分别编制上述五个结构块需要执行的宏文件，并封装保存于“ANSYS Incv170ansysapdl”文件夹中，通过所建立的对话框完成相应参数的输入后，即可调用相应的宏文件，完成参数化建模，由于篇幅原因，仅将坝体与坝基建模宏文件的编程思路列入图3。

图3 建模流程图

至此已完成子程序的编制，相较于引言中所介绍的其它建模方法而言，本文所开发的建模子程序适用坝型范围更广，同时在ANSYS 软件中开发出友好的人机交互界面，将复杂的代码封装于“幕后”，大大提高了建模效率，更易于用户理解和操作。利用子程序分别建立坝高均为69 m 的双曲、单曲及双曲重力拱坝（厚高比约为0.49）模型，见图4。由此可见本子程序对于单圆心拱坝的各种坝型均可适用。

图4 三种类型的拱坝模型

4 实例分析

4.1 基本资料

南方某水电站工程是一座以发电为主，兼有旅游综合效益的水力发电工程。坝型采用碾压混凝土单圆心双曲拱坝，坝顶高程455.0 m，坝顶宽6 m，坝底高程386.0 m，最大坝高69.0 m，溢流堰顶高程443.5 m，正常蓄水位为453.0 m。坝体的拱冠梁剖面图及平面布置图见图5，坝体各层几何参数见表1，坝体与周围基岩的材料参数见表2。

图5 拱坝平面图及拱冠梁剖面图

表1 拱坝体形参数

表2 拱坝与基岩材料参数

4.2 坝体-坝基模型的建立

本文拟建拱坝坝型为双曲拱坝，近基面的坝基简化为坝体向上下游及左右岸拉伸2 倍坝高，为进一步证明开发建模程序的高效性及可靠性，采用建模子程序和仅利用APDL 语言两种方法（下文简称为“方法一”与“方法二”）进行建模效率及计算结果对比。其中，所采用APDL 语言（已预先完成APDL 命令流的编制，仅修改相应几何参数）完成拱坝建模耗时4 分54 秒，按划分单元计算的坝体总体积约为约为125626.4 m3；采用建模子程序建模仅耗时2 分50 秒，按划分单元计算的坝体总体积为125557.2 m3。而根据设计参数所计算出的标准坝体总体积为123684.3 m3，方法一和方法二所建模型单元总体积与按设计参数计算的总体积间的误差分别为1.51%和1.57%，由此可见，采用本文子程序建模更加高效且模型精确度更高。为了更接近实际情况，在完成上述建模后，添加了简化的溢流堰。在网格划分时，坝体和坝基单元均采用SOLID185 单元，采用本文建模子程序生成模型的坝体单元数为14640 个，节点数为19095 个，岩基单元数为180990 个，节点数为194928 个，最终所建模型见图6 和图7。

图6 坝体模型

图7 整体模型

4.3 拱坝位移与应力分析

4.3.1 坝体位移对比分析

以“正常蓄水位+温降”工况为例进行位移和应力计算分析，该工况的荷载组合情况为：坝体自重+正常蓄水位上游453 m+下游397.3 m+泥沙压力+扬压力+温降。

在上述荷载组合下，采用4.2 节所述的两种方法计算拱坝的位移。两种方法所计算最大位移值及其发生位置基本一致，具体数据见表3，坝体变形均符合一般规律，大致以拱冠梁为轴左右对称，主要产生顺河向位移，横河向和竖直方向的位移很小，顺河向最大位移出现在溢流坝中墩顶部，横河向最大位移出现在溢流坝左右边墩的上游侧顶部，分别向左右岸变形，竖直方向最大位移发生在坝体下游面。

表3 坝体最大位移值

图8 顺河向位移对比

图8 采集了“正常蓄水位+温降”工况下两种方法计算各层拱圈拱冠梁部位的顺河向位移结果，由图8 可知，两种方法所计算的位移结果均符合一般规律且数值相近，除了在430 m高程处采用方法二所得顺河向位移略大于方法一所得顺河向位移外，其余高程均小于后者，并且随着高程的增加，两者位移差有略微增长的趋势。

4.3.2 坝体应力对比分析

经施加相应荷载进行计算后，两种方法所得应力结果见表4，由表4 可知采用方法一与方法二所计算的最大主拉应力均出现在上游面的坝踵附近，其中方法一计算的最大主拉应力略大一点；两种方法所计算的最大主压应力分布规律也基本一致，应力分布大致以拱冠梁为轴左右对称，方法一所计算最大主压应力出现在右岸边墩的墩底附近，最大值为-5.67 MPa，方法二的最大主压应力出现在左岸边墩的墩底附近，最大值为-6.12 MPa。

表4 坝体最大应力值

5 结论

1）在ANSYS 软件中开发出了一种基于APDL 和UIDL 编制的拱坝参数化建模子程序，应用该方法建模相较目前常用的“仅采用APDL 语言参数化建模”的方法而言更便于操作，且大大提升了建模效率。

2）以南方某拱坝为例，采用本文研发的的建模子程序及仅使用APDL 语言两种方法进行建模，并对其位移与应力结果对比分析，结果表明两种方法所计算的位移与应力无论是产生位置还是数值都基本一致，从而印证了本文建模子程序的合理性与可靠性。

3）本文所开发的建模程序仅适用于单圆心拱坝，对于多圆心、抛物线等类型的拱坝建模程序在未来需进一步研究。