基于Ansys二次开发的网架结构优化设计

第13卷第2期2007年6月空　间　结　构SPA T I AL STRU CTU R ESV o l .13N o .2Jun .2007收稿日期:2006204210.基金项目:湖南省自然科学基金资助项目(06JJ 30040)Λ作者简介:邢海东(1976—),男,河南荥阳人,博士研究生,主要从事钢结构研究Λ基于An sys 二次开发的网架结构优化设计邢海东1,徐国彬2,郝际平1,张俊峰1(1.西安建筑科技大学,陕西西安710055;2.北京交通大学,北京100044)摘　要:通用有限元软件A nsys 具有强大的结构分析能力,但由于没有内嵌中国的设计规范,因此其分析结果一般不能直接作为设计结果来使用Λ本文将设计规范和常用的杆件类型通过A PDL 二次开发技术内嵌入A nsys 中,并在其中进行优化分析计算,实现了在A nsys 中一次性完成网架结构的分析与优化设计工作Λ关键词:网架结构;优化设计;二次开发;A nsys中图分类号:TU 356 文献标识码:A 文章编号:100626578(2007)022*******Opti m u m design of gr id structures basi ngon re -develop m en t of An sysX I N G H ai 2dong 1,XU Guo 2b in 2,HAO J i 2p ing 1,ZHAN G Jun 2feng1(1.X i ’an U niversity of A rch itectu re and T echnology ,X i ’an 710055,Ch ina ;2.B eij ing J iaotong U niversity ,B eij ing 100044,Ch ina )Abstract :W idely u sed softw are A n sys has a pow erfu l structu ral analysis ab ility .B u t it does no t include Ch inese design standard of structu res ,so the resu lt of analysis can no t be directly app lied fo r design .T he structu ral standard and the u sual types of m em ber are in tegrated in to A n sys w ith re 2developm en t m ethod by A PDL ,and op ti m izati on of the grid structu re can be carried ou t w ith directly u sed ou tcom e .Key words :grid structu re ;op ti m um design ;re 2developm en t ;A n sys 通用有限元软件A n sys 以其强大的分析功能、友好的人机交互界面和可开发性,在国内外工程建设和科学研究中得到了广泛的应用Λ尽管A n sys 的分析功能很强大,但由于没有内置我国的建筑结构设计规范和常用的构件规格,得出的分析结果一般不能直接有效的用于结构设计,更不能根据规范进行优化设计Λ常规的作法是由计算结果选取适当的构件,然后再到A n sys 中进行核算,一般需要进行多次的反复过程才能得到令人满意的结果,造成了时间和资源的浪费,因此迫切需要对其进行二次开发解决这个问题Λ网架结构是空间结构的主要结构形式,网架结构有结构受力明确、杆件形式统一的优点,非常适用于结构优化设计Λ本文通过A n sys 的二次开发语言A PDL 定义了符合结构设计规范的优化设计程序,并内置了常用的杆件单元库,使之得出的计算结果可以直接作为设计结果使用Λ1　A PDL 语言简介和使用A PDL 指的是A n sys 参数化设计语言(A n sys Param etric D esign L anguage ),它是一种解释性语言,用来自动完成某些功能或建模的一种脚本语言ΛA PDL 语言是A n sys 高级应用的基础,它提供一般程序语言的功能,如参数、宏、标量、向量及矩阵运算、分支、循环、重复以及访问A n sys 有限元数据库等Λ借助这些特性,用户可以创建控制方案,使A n sys 在特定的应用范围内发挥最大效率Λ使用A PDL 语言最简便的方法是和宏技术结合应用Λ宏是包含一系列A n sys 命令并且后缀为M A C 或m ac 的命令文件Λ宏文件在A n sys 中可以当作自定义的A n sys 命令进行使用Λ本文即是在宏文件中使用A PDL 语言形成优化设计程序,可以直接作为A n sys 命令使用,因此简单易行Λ2　基于A PDL 的网架优化设计2.1　优化基本原理优化采用满应力优化方法Λ满应力优化是优化准则法的一种主要方法,满应力法认为各个杆件应力达到满应力时,结构重量W 最轻[2]Ζ本文采用了满应力优化的一种变形形式:设计目标为各杆件在截面积逐渐增大的过程中使应力和长细比达到规范要求,其本质也是使结构在符合规范的情况下重量W 最轻Ζ本文没有采用一般优化程序所采用的杆件应力超过某一设定的值增大截面面积,低于某一设定的值减小截面面积的做法[3],而是采用截面面积单向递增的方法,这样有效解决了在不同荷载工况作用下杆件截面循环增大和减小的问题Λ2.2　优化设计流程基本流程是先赋予杆件规范规定的最小截面面积,然后循环各个荷载工况组合,根据拉杆或压杆选取符合长细比规定的截面积最小的杆件,再循环各个荷载组合,在达到应力规范要求时停止优化,验证并输出优化结果Λ优化设计流程图如图1所示Λ图1　APDL 优化设计流程图2.3　A PDL 优化设计模块程序在A PDL 中划分了多个功能相对单一的模块,提高了程序的可用性Λ划分模块和功能如下Λ(1)系统设置模块系统在优化过程中定义的一些控制性变量,如规范规定的强度设计值等,可以在此模块中更改设置Λ(2)杆件单元类型库模块根据常用的圆钢和自定义的规格建立杆件单元库Λ定义的杆件单元编号遵循以下原则:杆单元的截面面积逐渐增大、杆单元的回转半径逐渐增大Λ(3)荷载组合及加载模块根据规范要求,建立荷载组合,也可以自行添加所需要的荷载组合,施加约束和荷载Λ(4)优化模块对各个荷载工况计算杆件的应力,并根据结果进行杆件截面优化Λ(5)验证模块优化结束后进行一次全面验证工作,对各个工况验证应力、长细比和位移计算值等Λ(6)输出模块按用户指定的格式输出网架优化结果文件Λ2.4　APDL 优化程序关键技术(1)优化程序模块互相调用模块的互相调用是通过宏嵌套来实现的Λ宏嵌套即在宏文件中调用其他宏命令,嵌套的宏运行完毕后程序的进程自动返回给调用该宏的上一层[4]Λ调用宏时可以最多传递19个参数,可以基本满足程序的需要Λ调用宏命令如下:宏名,A R G 1,A R G 2,…,A R G 19Λ这里,A R G 1～A R G 19是在此宏中所使用的变量名Λ(2)A PDL 读取数据文件A PDL 可用3V R EAD 命令读入数据文件中的数据并用来填充已定义的数组参数Λ数据文件必须是A SC II 格式文件,并按指定下标将读入的数据赋给数组参数Λ读取数据文件时,须在3V R EAD 命令行的下一行指定数据读入格式说明,控制从文件中读取数据信息的格式Λ本文利用3V R EAD 命令将预先定义的圆钢管规格文件读入到A PDL 中Λ杆件规格文件GJ .tx t 如下:45.0,3.0　!杆件规格采用14种常用圆钢管60.0,3.0　!数据分别表示圆钢管外径和壁厚……299.0,10.0将文件中数据读入到A n sys 中的命令如下:24空　间　结　构 第13卷　3D I M,GJ,A RRA Y,14,2　!定义杆件数组,外径和壁厚3V R EAD,GJ(1,1),’GJ’,’tx t’,’’,J IK,2,14,,,,　!读取杆件外径和壁厚(2F20.2)　!数据读入格式说明(3)A PDL输出数据文件A PDL使用3VW R IT E命令将数组中的数据按照指定格式写入到数据文件中Λ此命令一次最多可写出19个参数,数据文件由3CFO PEN命令打开Λ数据写出的格式由3VW R IT E命令行下一行定义的数据格式来确定Λ将A n sys数据库中杆件数组的数据输出到数据文件中的命令如下:3cfopen,GJSC,tx t,,　!打开杆件输出文件3vw rite,GJ(1,1),GJ(1,2)　!将杆件数组数据输出(F10.0,F10.1)　!数据输出格式说明3cfclo s　!关闭输出文件3　优化设计实例本文以一正放四角锥平板网架为例,尺寸100m ×50m×2mΛ为简便起见,取工荷载况1.2恒载+ 1.4活载,恒荷载为0.5kN m2,活荷载为0.5kN m2Λ通过A PDL优化程序,得出用钢量约为18. 2kg m2Λ优化得到的杆件规格数量见表1Λ其中各杆件的位置可由A n sys数据库中提取出来Λ表1　杆件规格数量表规格数量规格数量545×335225140×4626560×39425152×5322576×34085159×6206589×31565168×7125114×32064　结　语本文利用A n sys的二次开发语言A PDL语言建立了适用于结构规范的网架结构优化程序,较好地解决了A n sys计算结果不能直接作为设计成果的问题Λ优化程序可自定义优化过程和控制性变量,适应了不同的结构类型和荷载组合,具有很强的灵活性Λ本文的优化设计思想对于网壳结构和其他较为复杂的结构进行A n sys优化设计也具有一定的借鉴意义Λ参考文献[1]沈祖炎,陈扬骥.网架与网壳[M].上海:同济大学出版社,1997.[2]袁行飞.索穹顶结构截面和预应力优化设计[J].空间结构,2002,8(3):51～56.[3]齐月芹,宋一乐,薄爱军.井冈山火电厂干煤棚优化设计研究[J].湖南电力,2001,21(2):46～48.[4]博弈创作室.A PDL参数化有限元分析技术及其应用实例[M].北京:中国水利水电出版社,2004.(上接第40页)[3]孙文波.广州国际会展中心大跨度张弦梁的设计探讨[J].建筑结构,2002,32(2):54～56.[4]刘安平.哈尔滨国际展览体育中心钢结构工程施工控制[J].钢结构与建筑业,2003,3(10):12～17.[5]王帆,舒宣武,李旗.张弦梁结构设计中的几个概念问题的探讨[J].工业建筑,2004,34(1):69～71.[6]M A SAO S.A K I RA O.T ensi on and m em branestructures[J].Journal of the Internati onal A ssociati on fo r Shell and Spatial Structures,2001,42(122):15～20.[7]浙江大学建筑工程学院,浙江大学建筑设计研究院.空间结构[M].北京:中国计划出版社,2003.[8]陆赐麟,尹思明,刘锡良.现代预应力钢结构[M].北京:人民交通出版社,2003.[9]GB50017-2003.钢结构设计规范[S].北京:中国计划出版社,2003.34　第2期邢海东,等:基于A n sys二次开发的网架结构优化设计。