ＳＯＦｒＷＡＲＥ ＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ ＡＮＤ ＤＥＳＩＧＮ 软件开发与设计 桥梁工程ＡＮＳＹＳ优化设计问题分析 何庆明 （国家林业局昆明勘察设计院，昆明６５００３１） 摘要：新建桥梁的跨度在不断增大，桥梁构造形式也不断有创新，传统的设计方法很难准确地分析各种受力状态 下的受力情况。在实体仿真分析上，ＡＮＳＹＳ软件有很多优点，准确地仿真分析甚至可以取代模型试验而得到巨大的 经济效益。在整体有限元计算的基础上，通过对某大跨度斜拉桥主梁的局部仿真分析，论述了仿真分析尤其是其在 微机上实现的一般过程。 关键词：ＡＮＳＹＳ；仿真分析；斜拉桥 Ｏｐｔｉｍａｌ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｂｒｉｄｇｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ａｎａｌｙｓｉｓ ＡＮＳＹＳ ＨＥ Ｑｉｎｇｍｉｎｇ （Ｓｔａｔｅ Ｆｏｒｅｓｔｒｙ Ｓｕｒｖｅｙ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｋｕｎｍｉｎｇ ６５００３１） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｎｅｗ ｂｒｉｄｇｅ ｓｐａｎ ｉｓ ｃｏｎｓｔａｎｔｌｙ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ，ｔｈｅ ｂｒｉｄｇｅ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｆｏｒｍ ｏｆ ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ，ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｒｅ ｄｉｆｉｃｕｌｔ ｔｏ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｒｃｅｓ．Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｅａ１ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．ＡＮＳＹＳ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｈａｓ ｍａｎｙ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ａｃｃｕｒａｔｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｃａｎ ｅｖｅｎ ｒｅｐｌａｃｅ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｔｅｓｔ ａｎｄ ｂｅ ａ ｈｕｇｅ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｂｅｎｅｆｉｔｓ．Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｌａｒｇｅ ｓｐａｎ ｃａｂｌｅ—ｓｔａｙｅｄ ｂｒｉｄｇｅ ｏｎ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｂｅａｍ ｌｏｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ．ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ．ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｉｔｓ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｎ ＰＣ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｌ ｐｒｏｃｅｓｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＡＮＳＹＳ：ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ：ｃａｂｌｅ—ｓｔａｙｅｄ ｂｒｉｄｇｅ 最近几年桥梁建设一日千里，设计和施工的新方法新工 ２．１实体分析 艺层出不穷，新建桥梁的跨度在不断增大，桥梁构造形式也 仿真分析过程跟一般的有限元分析类似，但是因为仿真 不断有新的创新。这给设计者带来了新的挑战，传统的设计 分析的假设较少，因此有它自身的特点。一般说来，有以下 方法很难准确地分析各种受力状态下的受力情况。计算机的 几个难题： 飞速发展和有限元软件提供了一种可能，仿真技术可以将桥 （１）建模难。很多在梁单元里面需要省略的内部构造在 梁局部甚至整桥“建立”在计算机上，在设计桥梁方案、桥 仿真分析里面是不能省略的。 梁结构计算分析、桥梁施工过程模拟、准确计算桥梁承载能 （２）划分网格难。因为模型构造的不规则性，因此划分 力、甚至部分替代小比例桥梁模型试验等方面得到广泛的应 网格很难像平面结构那样划分得清晰简单。 用＿１．２１。 （３）边界条件施加困难。由于实体分析一般是局部分析， １ ＡＮＳＹＳ 因此边界条件是不明显的。 ＡＮＳＹＳ软件是第一个通过ＩＳ０９００１质量认证的大型分析 （４）计算困难。由于实体模型一般单元多，方程组巨大， 设计类软件，是美国机械工程师协会（ＡＳＭＥ）、美国核 因此对机器要求较高。 （ＮＱＡ）及近２０种专业技术协会认证的标准分析软件。在国内 ２．２仿真分析 第一个通过了中国压力容器标准化技术委员会认证，并在国 ＡＮＳＹＳ软件自身具有强大的实体建模功能，并且可以通 务院１７个部委推广使用。 过多种数据传输接口直接输入模型。通过这方式相结合，基 该软件和其他大型有限元软件一样包括３个部分：前处 本上可以建立各种复杂模型网格划分的质量和数量直接影响 理模块、分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一 到计算结果的精度和效率，一般采用人为干预和自动化相结 个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有 合，并且尝试不同的划分精度，选择计算效率最优化。由于 限元模型；分析计算模块包括结构分析；后处理模块可将计 仿真分析大部分为局部分析，边界条件不明确，施加外荷载 算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹 更加具体化。在施加边界条件时，采用整体计算模型得到的 显示、立体切片显示、透明及半透明显示图形方式显示出来， 内力作为两端的力边界条件。由于仿真模型与整体模型不可 也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。 能完全一致，因此应该尽量探证分析所在的区域内力与整理 相对于桥梁或者土木工程专业的有限元软件，大型通用 分析一致。 软件ＡＮＳＹＳ在一般桥梁结构物的分析适用性上或许不够完 善。但是在实体仿真分析上，ＡＮＳＹＳ软件有很多优点，准确 作者简介：何庆明（１９６４一），男，高级工程师，从事公路、 的仿真分析甚至可以取代模型试验而得到巨大的经济效益。 桥梁勘察设计、施工等工作。 ２仿真分析 收稿日期：２０１１－０６—１８ 旗 Ｉ ＿电脑编程技巧与维护 其中，有限元优化的一般步骤如下， 一些结构和受力复杂的局部构造进行实体仿真分析。本算例 （１）构建一个优化分析文件：１）参数化建模：利用 为在进行主粱横向预应力钢筋和竖向应力钢筋配置时所作的 ＡＮＳＹＳ软件提供的参数化建模功能，把将要参与优化的数据 ｆ设计变量ＤＶ）初始化，并构建一个参数化分析模型，为以后 软件修正模型提供可能，这一过程在前处理器ＰＲＥＰ７中进行； ２）加载与求解：在求解器ＳＯＬＵＴＩＯＮ中对结构参数化模型进 行加载与求解；３）参数化提取结果：进入ＡＮＳＹＳ的后处理 模块ＰＯＳＴＩ／ＰＯＳＴ２６中，提取有限元分析结构结果并赋值给状 态变量ＳＶ（约束条件）和目标函数ＯＢＪ（优化目标），提取数据 的操作用：ＩｃＧＥＴ命令实现；４）建立分析文件：通过 ＬＧＷＲＩＴＥ命令生成命令流文件。 （２）构建优化控制文件：１）进入优化设计模块ＯＰＴ，指 定优化分析文件；２）声明优化变量：包括设计变量、状态变 量和目标函数；３）选择ＡＮＳＹＳ优化上具或优化方法；４）指 定优化循环控制方式，进行优化分析；５）进行优化参数评 价，优化处理器根据本次循环提供的优化参数（设计变量ＤＶ、 状态变量Ｓｖ及目标函数０ＢＪ）与上次循环提供的优化参数作 比较之后确定该次循环目标函数是否收敛，或者说结构是否 达到了最优。如果最优，则完成迭代，退出优化循环圈；否 则，进行下一步。 （３）根据己完成的优化循环和当前优化变量的状态修正 设计变量，重新投入循环。 （４）查看设计序列结果（ＯＰＴ）及后处理设计结果ｆＰＯＳＴＶ ＰＯＳＴ２６）。以上步骤可用流程图１来表示。 图１ ＡＮＳＹＳ优化步骤流程图 节点和单元的编号影响结构总个体矩阵的带宽和渡前数， 因而影响计算时间和存储容量的大小，因此合理的编号有利 于提高计算速度。但对复杂模型和自动分网而言，人为确定 合理的编号很困难，目前许多有限元分析软件自带有优化器， 网格划分后可进行带宽和渡前优化，从而减轻人的劳动强度。 ３ 工程实例 ３．１概况 某大跨度斜拉桥，为双塔单索而结构，主梁为单箱三室 箱梁，桥面宽达３３ｍ，在满足了整体计算要求之后，需要对 ｉ ８＿，， 毫翟 与雅 脑蠕器技巧与雅护 曛 实体分析，基本模型如图２所示。 图２桥梁工程数值模型 ３．２模型 模型选取为标准梁段部分，拉索间距为８ｍ，为了比较精 确的分析，仿真模型取１２ｍ，其中中间部分为应力最复杂拉 索锚固区所在的梁端。根据圣维南原理，为了模糊边界条件 的影响，整体模型为７个标准梁端长度。根据分析结果，该 模型足够大，能够比较真实地反映出细化段的真实受力状态。 在建模过程中，采用ＡｕｔｏＣＡＤ 维建模与ＡＮＳＹＳ实体建 模相结合的方法，两侧较粗糙的部分采用ＡＮＳＹＳ直接实体建 模，中间细部构造采用ＡｕｔｏＣＡＤ三维绘图，将其导人ＡＮＳＹＳ 组台成整体模型。 单元选取：混凝土采用ＳＯＬＩＤ４５单元，预应力钢筋采用 ＬＩＮＫ８单元。 网格划分：在划分网格时，采用六而体和四面体相结台， 模型两端粗糙，中间细化。既保证了计算的精度，又减小了 方程组的规模。 模型中边界条件和计算工况：按照空间结构理论，对所 取模型进行简支约束，并在一端截而加载由整体分析所得该 处截面的剪力、轴力和弯矩，另一端施加简支约束化，最后 得到合实际的应力分布。在施加截面内力时采取刚性面，对 一端主节点施加内力，在另一截面上的主节点施加约束。 ３．３计算结果分析 对于局部分析顺桥向应力不再是关心对象，只是作为参 考。主要是进行横桥向和竖桥向的应力分析。 由于本计算不针对锚同区细部分析，因此那部分复杂的 受力情况怍了模糊化处理，截的应力图为主梁应力较大区域 的部分。 对约束处的反力进行分析，与原来整体模型对应的节点 内进行比较发现，两者基本相同，因此仿真模型的建立加载 是合适的。 未配置钢筋情况下，在横隔板外侧的顶板上原存在较大 的拉应力区域；由于受到拉索力的影响，在中横隔板和两个 腹板上存在局部的拉应力，应力超出了混凝土的抗拉设计强 （下转到１４页） 电脑编程技巧与维护 属性层、服务层５个层次的ＶＩＳＩＯ图，这个交运物流的主题 ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ．Ｏｐｅｎ ０； ｃａｔｃｈ（０ｒａｃｌｅＥｘｃｅｐｔｉｏｎ） 包括以下几个：信息管理、财务管理、档案管理、交易管理。 下面将以交易管理为例介绍面向对象的软件开发方法，如图１ 所示。 ｛ ｓｕｃｃｅｓｓＣｏｎｎｅｃｔ＝ｆａｌｓｅ； 图１交易管理的主题层视图 在服务层中，下面的交易活动图，如图２所示，描述了 整个交易的业务流程，根据该图就能够在接下来的系统设计 阶段完成对类的划分，从而完成整个交易模块的设计。 因为有准确的系统分析，在接下来的系统设计阶段利用 ｃ＃编程实现了各种功能。 数据库的连接： ｐｒｉｖａｔｅ ｖｏｉｄ Ｃｏｎｎｅｃｔ ０ ｛ ｓｕｃｃｅｓｓＣｏｎｎｅｃｔ＝ｔｒｕｅ； 图２交易活动图 参考文献 【１］徐舒．面向对象软件测试技术研究【Ｊ】．今日科苑，２０１０， （０２）． ｃｏｎｎｓｔｒ＝”ｕｓｅｒ ｉｄ＝”＋Ｕｓｅｒｓ＋”；ｐｗｄ＝”＋Ｐａｓｓｗｏｒｄ＋”： ｓｅｒｖｅｒ＝－”＋Ｓｅｒｖｅｒ＋” ： ｄａｔａ ｓｏｕｒｃｅ＝”＋Ｄａｔａｓｏｕｒｃｅ； 【２】张岚，张志伟．浅谈面向对象的程序设计『Ｊ１．内蒙古科 技与经济，２００９，（０５）． ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ＝ｎｅｗ ＯｒａｃｌｅＣｏｎｎｅｃｔｉｏｎ（ｃｏｎｎｓ￣）； ｔｒｙ ｛ （上接第８页） 度。通过横向钢筋和竖向钢筋的合理配置，这些部位的应力 得到有效的改善，满足设计要求。 行仿真分析时，遇到了很多问题，比如非线性分析很难处理， 对新手来说更是如此，希望将来能在ＡＮＳＹＳ基础上开发出一 ４ 结语 （１）在全桥有限元分析的基础上对斜拉桥标准段进行了 种更加人性化的、操作简单的仿真分析软件。 （３）虽然仿真分析还在探索发展阶段。但是会有越来越 多的设计者通过仿真计算进行桥梁设计，而且桥梁的设计工 仿真分析。结果证明：线弹性分析满足了工程精度要求，并 且节省了机时。通过结果分析，对原来只靠经验和简单计算 作也会因为仿真分析而变得越来越完善。 来确定的横向和竖向预应力筋进行了优化，得到了合适的结 果；满足设计要求，提高了工作效率；并且对空问箱梁的局 部尺寸进行了优化处理，验证了设计的合理性。此仿真分析 体现了它的优越性。通过ＡＮＳＹＳ仿真分折与土木工程专业软 件的结合，优化了桥梁设计过程。 （２）利用ＡＮＳＹＳ分析软件成熟、功能强大、稳定的计算 内棱，进行二次开发出更方便快捷的程序，可以消除ＡＮＳＹＳ 参考文献 ［１刘岳兵，王少华，黄梅，等．基于ＡＮＳＹＳ的桥梁支座试验 １］机新型机架结构研究［Ｊ］．锻压技术，２０１０，３５（５）． 【２］施颖，宋一凡，孙慧，等．基于ＡＮＳＹＳ的公路复杂桥梁车 桥耦合动力分析方法［Ｊ】．天津大学学报，２０１０，４３（６）． 仿真分析方而的不足，大大照提高工作效率；利用ＡＮＳＹＳ进 与
