针对复杂结构进行精细化分析的软件转换接口开发与实例验证

于文山

（中铁建大桥工程局集团第一工程有限公司 辽宁大连 116033）

0 引言

近年来，多软件协同建模求解开始呈现出越来越明显的趋势，结合强大的前处理工具、高效准确的求解以及后处理软件对复杂结构进行精细化分析，已成为土木领域在进行有限元分析时的常用方法。国内外学者王小松［1−2］、郑鸿飞［3］、余永强［4］、谢世坤［5］、张月强［6］、Richard Crozier［7］、Finnigan P M［8］、Khan Z H［9］和Yaghoobi M［10］等人在这方面进行了研究和探讨。

ANSYS 是美国ANSYS 公司开发的一款有限元分析软件，它可以求解结构、电磁场、流体、碰撞和多场耦合等问题，目前在土木工程、电子工程、汽车工程和航空航天等领域被广泛应用。但是，与绘图软件AU⁃TO CAD 相比，其几何建模效率较低，与有限元分析软件MIDAS NFX 相比，其网格划分速度和网格质量呈现劣势。对于大型复杂结构，在保证网格质量的前提下，若没有高性能处理器和足够大的内存支持，AN⁃SYS甚至无法完成网格划分。

目前市面上网格划分工具较多，常见的有ICEM、Autodesk Simulation、Midas NFX、Hypermesh、Gambit等。前3 种软件采用了混合网格技术，且在网格划分质量和划分速度方面要优于后两种，同时，较于前两者，Midas NFX 在节点移动、网格控制、网格检查和操作界面友好性方面又表现出极大优势。为此，基于MIDAS NFX，开发了NMTA（NFX Mesh To ANSYS）程序接口，实现将MIDAS NFX 软件的有限元模型快速导入ANSYS软件的功能，从而提高有限元计算时的前处理效率。

1 NMTA软件转换接口介绍

1.1 软件开发

NMTA 基于Visual Basic.NET 进行开发，主要包括节点读取与识别模块、单元读取模块、单元分析模块、材料定义模块与ANSYS APDL 命令流输出模块。以单元分析模块为例，其主要包括提取单元材料编号和截面编号，构建单元材料列表和截面列表两部分，部分相关代码如下：

1.2 软件界面介绍

NMTA 软件界面由主菜单、信息输入模块、APDL命令流输出模块和模型相关信息显示模块4 部分组成，如图1 所示。其中，主菜单包括文件的打开和保存、材料和截面属性的定义、操作说明和软件基本信息，信息输入模块主要实现导入NFX有限元模型的节点数据和单元数据，APDL 命令流输出模块可实现ANSYS APDL 命令流的生成和输出，模型相关信息显示模块可自动更新有限元的节点和单元数量等内容。

图1 NMTA软件界面Fig.1 NMTA Software Interface

NMTA 程序接口可以自动识别并定义MIDAS NFX 和ANSYS 的单元类型、材料信息和截面信息，目前版本支持的单元类型有12种，具体如表1所示。

表1 NMTA程序接口支持的单元类型Tab.1 The Type of Unit Supported by the NMTA Program Interface

2 转换接口实例验证

为验证NMTA 程序的正确性和可行性，选取钢锚梁结构和弹簧结构进行验证。

2.1 工程实例1：钢锚箱的计算分析

钢锚箱是桥梁工程中锚固拉索的一种结构，它通常由扣索张拉端箱体、背索张拉端箱体和锚梁三部分组成，其内部构造复杂，直接在ANSYS 中建模较为困难。基于MIDAS NFX 完成该钢锚梁的几何建模、网格划分和材料定义等工作，单元类型采用8 节点二次四边形和6节点二次三角形，然后调用NMTA程序，将MIDAS NFX 有限元模型直接导入ANSYS 软件，某大桥施工阶段采用的钢锚梁在两种软件中的有限元模型如图2所示。

将拉索力和自重荷载施加在图2所示的两个有限元模型上，得到结构的位移云图和应力云图如图3 和图4所示，数值结果如表2所示。

图2 MIDAS NFX与ANSYS中钢锚梁有限元模型Fig.2 Finite Element Model of Steel Anchor Beams in MIDAS NFX and ANSYS

图3 钢锚梁位移结果Fig.3 Displacement Results of Steel Anchor Beams （m）

图4 钢锚梁应力结果Fig.4 Stress Result of Steel Anchor Beam （Pa）

表2 钢锚梁在NFX和ANSYS中的计算结果对比Tab.2 Comparison of Calculation Results of Steel Anchor Beams in NFX and ANSYS

从上面的结果可以看出，钢锚梁在两个软件中的变形和应力分布基本一致，其中钢锚梁在MIDAS NFX中的最大位移为2.20×10−5m，在ANSYS 中的最大位移为2.18×10−5m，相对误差为1.80%，且都发生在两个钢锚箱中间的锚梁上；在应力方面，MIDAS NFX 和AN⁃SYS 给出的结果分别为3.83 MPa 和3.76 MPa，相对误差为1.83%，证明了NMTA程序的正确性和可行性。

2.2 工程实例2：弹簧结构的计算分析

MIDAS NFX 中建立的有限元模型如图5⒜所示，单元类型为二次六面体单元。通过NMTA 程序，将其导入ANSYS软件，得到图5⒝所示的有限元模型。

图5 弹簧结构的有限元模型Fig.5 Finite Element Model of Spring Structure

针对上面的模型，分别在弹簧底部施加相同大小的集中力，得到结构的应力云图和位移云图如图6 和图7所示，数值结果如表3所示。

表3 弹簧结构在MIDAS NFX和ANSYS中的计算结果对比Tab.3 Comparison of the Calculation Results of the Spring Structure in the MIDAS NFX and ANSYS

图6 弹簧结构位移结果Fig.6 Displacement Results of Spring Structures (m)

图7 弹簧结构应力结果Fig.7 Stress Result of Spring Structure （Pa）

从上面的结果可知，弹簧结构在两个软件中的变形和应力分布基本一致，MIDAS NFX中的最大位移为1.63×10−2m，ANSYS中的最大位移同样为1.63×10−2m，相对误差为0.00%；在应力方面，MIDAS NFX 和AN⁃SYS 给出的结果分别为1.27 MPa 和1.30 MPa，相对误差为2.36%，证明了NMTA程序的正确性和可行性。

3 结论

NMTA 程序有效地结合了MIDAS NFX 软件方便快捷的前处理功能和ANSYS软件强大的计算能力，通过钢锚梁结构和弹簧结构实例，验证了该程序的准确性和可行性，提高了复杂结构前处理过程中的建模效率，增加了结构分析的工具和手段。