ANSYS在桥梁工程中的应用前景

ANSYS在桥梁工程中的应用前景
毕桂平 魏红一 范立础
（同济大学土木工程防灾国家重点实验室）

【摘要】本文论述了大型有限元分析软件ANSYS在土木工程尤其是桥梁工程中的广泛用途，展望了大型有限元软件--ANSYS在桥梁工程中应用的广阔前景，尤其对于近几年来由于计算机科学的飞速发展引起的桥梁工程界全桥仿真分析模型的热潮，分析了ANSYS在其中的地位和应用前景。
关键词 ANSYS 计算机辅助工程 桥梁工程 仿真分析

一、引言
计算机技术正以超乎寻常的速度，给工程、科学以至人类社会带来急剧的革命性变化。以虚拟样机模拟为代表的计算机辅助工程（Computer Aid Engineering,下简称 CAE），是这一技术革命在工程分析、设计中的具体表现。CAE在工程开发、项目研制及设计中所显示出的无与伦比的优越性，使其成为现代化工程业在日趋激烈的竞争中取胜的一个重要条件。这还要归结于CAE可以极有效地缩短新技术、新产品的研发周期，对于提高竞争力起着至关重要的作用。"据统计，发达国家产品成本的80％是由研究发展过程决定的，同时这一过程决定整个产品从研制到推入市场所需时间的70％。"【1】而虚拟样机的引入能从很大程度上降低实际模型的规模及试验次数。由CAE完全取代实物模型试验的例子不胜枚举，CAE的应用大大加快了研究速度，同时又降低了成本。纵观未来，CAE在土木工程界将成为主角。
ANSYS程序【1】是顺应潮流而发展起来的 CAE仿真设计工具，它牢牢把握了CAE的发展方向，提供了通用到专用的全线CAE解决方案。作为有限元界的先导，ANSYS公司70年代率先在有限元软件中引入了图形技术及交互式操作方式，使有限元的前、后处理进入一个崭新的历史阶段；1983年，ANSYS公司又充分预计了PC机的发展，开发出世界上第一个PC机上的分析程序，并实现了PC机与其他硬件平台上完全一致的用户界面；90年代初期，ANSYS深刻领会到未来的设计技术将进入"虚拟样机"的仿真阶段，从而推出了与虚拟样机技术相对应的"多物理场"仿真技术。在当今世界正迈入网络时代的同时，ANSYS又适时地推出了异种异构平台的全网络浮动技术，通过不同硬件平台数据文件统一、用户界面统一为CAE的应用提供了空前灵活的工作环境。
ANSYS公司为设计界提供了三大类产品：涉及多交叉学科的多物理场仿真工具（ANSYS/Multiphysics)智能化的快速设计校验及优化工具（ANSYS/DesignSpace）、针对某些专业领域的专用软件包（板成形专用软件包、土木工程专用软件包、疲劳及耐久性专用软件包）等。 ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，可广泛用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造。能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究。
近几年，由于计算机技术及大型有限元软件的发展，桥梁工程界掀起了全桥结构仿真分析技术（structural Simulation for Entire Bridge,SSEB)[2]研究的热潮。其核心是建立完整、统一的整座桥梁结构分析体系，在该体系下构造全桥所有承载构件的组合形式数学模型，准确模拟承载构件的空间位置、尺寸、材料特性、连接形式和荷载作用等，在此基础上进行大规模的全桥结构效应分析计算，由此得到相对详尽、精确和可靠的分析结果。该技术克服了传统算法中实施某些假设带来的不足。因此，全桥结构仿真分析比传统的桥梁分析计算有实质性的提高，可以更广泛地应用到设计桥梁方案、桥梁结构计算分析、桥梁施工过程模拟、准确计算桥梁承载能力、甚至部分替代小比例尺桥梁模型试验等各个方面。本文着重探讨ANSYS这一强大的CAE仿真工具和我国桥梁工程发展的结合点。

二、ANSYS在桥梁工程中的应用
作者在使用ANSYS过程中，对ANSYS在桥梁工程中的功能有一定程度的理解，预感到这一大型有限元软件将对于桥梁工程界仿真学科的兴起起到不可低估的推动作用。下面仅结合桥梁工程实际，谈一下ANSYS的主要功能模块。
该软件和其他大型有限元软件一样包括三个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一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限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。
1．完备的前处理器
ANSYS提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，可以方便地构造数学模型及有限元模型。首先，基于设计分析应紧密集成的现代设计法概念。该产品除标准的IGES，SAT，Parasolid几何图形传递方式外，还提供了与CAD软件的专用数据接口，能够使用实现与CAD软件间无缝的几何模型传递，避免了繁杂的重复工作。该类产品支持许多领先的CAD软件，具体包括PTC公司的Pro／Engineer和CADDS，Unigraphics Software公司的 Unigraphics和Solidedge，达索公司的CATIA和Solidworks，Autodesk公司的MDT，以及Solid Designer，Microstation等。我们常用的是它的IGES接口，通过作者实践表明了这一接口的无缝性，减小了工作量，提高了效率，并保证了模型的高精度。它通过直接建模与实体建模相结合、自顶向下与自底向上建模相结合的建模方法，辅以强大的布尔运算功能实现实体模型的"精雕细刻"。在网格划分方面提供了有利的工具：自由网格划分、映射网格划分、智能网格划分、自适应网格划分、P单元。提供了足够的加载方法来模拟实际桥梁建造及使用中的各种工况。
ANSYS还专门设有与我们所熟悉的一些大型通用分析软件的数据接口，它允许从这些程序读取有限元数据，甚至材料特性与边界条件。从而完成ANSYS中的初步建模。这样的双向转换器有：CSA/NASTRAN，UAI／NASTRAN，MSC／NASTRAN，ALGOR，COSMOS，PATRAN， IDEAS及ABAQUS等。
ANSYS具有近190种单元类型，其中类似死/活单元、集中质量单元、弹簧单元。断裂单元、钢筋混凝土单元（能清楚标示出开裂和压溃部位）、非线性阻尼元、非线性弹簧元等数十种单元，专门用于模拟各种特殊类型的非线性问题，这些都是土木工程人员比较关心的问题。工程人员可以充分发挥其丰富单元库的优势，构建较能反映实际结构的仿真计算计算模型。
2．强大的求解器
ANSYA提供了对各种物理场量的分析，是目前世界范围内唯一能够融结构、热、电磁。流体、声学等于一体进行有限元分析的分析软件。除了常规的结构线性、非线性结构静、动力分析外，它还能解决高度非线性结构动力分析、隐式、显式（ANSYS／LS-DYNA）及显式一隐式－显式耦合求解、线性及非线性屈曲分析。可以模拟70余种不同类型的非线性材料，包括橡胶、泡沫、岩石、土壤等各种特殊材料。ANSYS提供了多达20余种接触类型，包括刚体对柔体、柔体对柔体接触等，可以模拟任意的工程接触问题。它可以进行断裂力学分析、复合材料分析、疲劳及寿命估算分析、超弹性材料的分析、压电分析、热分析、稳态温度场分析、瞬态温度场分析、相变分析、辐射分析、热一结构耦合分析、电一磁一热一结构耦合分析及高度非线性结构动力分析等。
因此，ANSYS对于实际桥梁工程中的混凝土徐变收缩、开裂压溃，钢桥的屈曲分析，焊缝焊接及疲劳破坏的仿真分析，桥梁施工过程的仿真模拟，地震作用下桥梁上部结构与墩梁的碰撞仿真分析、桩上相互作用的仿真分析，风荷载作用下桥梁性态的仿真分析，墩台浇注水化热的仿真分析以及温度应力的分析，甚至预应力钢筋的张拉过程的仿真，等等，几乎涵盖了桥梁工程的各个方面。后面的实例将涵盖少部分内容。
3．方便的后处理器
ANSYS软件的后处理过程包括两个部分：通用后处理模块POST1和时间历程后处理模块POST26。可以很容易获得求解过程的计算结果并对其进行显示。这些结果可能包括位移、温度、应力、应变、速度及热流等，输出形式可以有图形显示和数据列表两种。在此不再赘述。
下面作者要强调指出的是其友好、开放的二次开发系统，将对桥梁工程仿真分析产生不可低估的影响。近期ANSYS公司推出的ANSYS／CIVilFEM土木工程专用软件包，即是西班牙的土木工程人员基于其二次开发功能和西班牙的规范EH、欧规2和ACI规范而开发出的专用软件包。
4． ANSYS提供了宏（ Macro）、用户界面设计语言（UIDL）和用户编程特性（UPFS）和参数设计语言（APDL）几种工具
宏是指存于一个文件中被反复使用的一系列ANSYS命令集。宏带有参数是宏更复杂的应用同时使其功能也更强，这一功能容许在分析内部建立输入子程序。我们可看出，宏除了可以使用ANSYS内部的命令外，还可以使用下面将要提到的UIDL，UPFS及APDL。
用户界面设计语言 UIDL（ANSYS User lnterface Design Language）是一种程序化的语言，它允许用户改变ANSYS的图形用户界面（GUI）中的一些组项。UIDL提供了一种使用户灵活使用、按个人喜好来组织设计ANSYS图形用户界面的强有力工具，它在ANSYS的命令重组、架设其他用户程序与ANSYS之间的桥梁方面将起到不可低估的作用。
用户编程特性 UPFs（User Programmable Features）是 ANSYS给予用户最大主动权的二次开发技术，它充分显示了ANSYS的开放式体系。它允许用户用C语言或FORTRAN编写用户自己的程序。实际上， ANSYS中的一些用户使用的标准特性就来源于UPFs。使用UPFS可将ANSYS程序剪裁成符合用户所需的任何组织形式。比如，可以定义一种新的材料，一个新的单元或改变屈服准则。甚至允许用户写自己的优化算法将整个ANSYS作为一个子列行子程序调用。UPFS提供了下列功能：
（1）将信息读人 ANSYS数据库或从 ANSYS数据库返回信息。用户可写自己的列行程序或子列行子程序并将其直接与ANSYS连接起来或将其作为外部命令特性使用；
（2）用户可用ANSYS提供的一系列列行程序定义各种形式的载荷；
(3）某些UPFs子列行程序能使用户定义如下的材料特性：
塑性、蠕变、膨胀方程、粘塑性、超弹性和层单元失效准则；
（4）某些系列的UPFs能使用户定义新的单元并调整节点坐标系；
（5）某些UPFs能使用户改变或监控已存在的单元；
（6）用户可用 UPF userop生成一个用户设计优化列行程序；
(7）用户可在自己的程序中将ANSYS程序作为列行子程序调用。
ANSYS在其相应的程序中提供了列行程序源代码，用户可根据自身实际情况选用调整。对于这部分的使用，要求用户不但要对ANSYS了如指掌，并且要对FORTRAN（要求版本在 Ms Fortran Powerstation V4．0及以上）的编译环境非常熟悉。当然，功能最强大的工具，也是较难于掌握的工具。
参数设计语言 APDL（ANSYS Parametric Design Langunge）用建立智能分析的手段为用户提供了自动完成上述循环的功能，APDL扩展了传统有限元分析范围之外的能力，并扩充了更高级运算包括灵敏度研究、零件库参数化建模、设计修改及设计优化。它包括了诸如命令的重复、宏、IF-THEN-ELSE分支、DO循环、标量、向量及矩阵运算等功能。其语法结构基本和FORTRAN语言一致。
ANSYS软件是第一个通过ISO9001质量认证的大型分析设计类软件，是美国机械工程师协会（ASME）、美国核安全局（NQA）及近20种专业技术协会认证的标准分析软件。在国内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务院17个部委推广使用。在我国即将进入WTO之际，ANSYS的推广使用无疑对我国的桥梁设计施工企业进入国际建筑市场提供了有利保障。
ANSYS目前推出了前已述及的土木工程专用软件包（ANSYS／CIVilFEM）和ANSYS／DesignSPace系列产品。西班牙土木工程人员利用ANSYS强大的二次开发功能，基于西班牙自身的规范EH、欧规2和ACI规范而开发出土木工程专用软件包的经验是值得我们借鉴学习的。
5．应用实例
（l）斜拉桥主塔空间局部应力仿真分析
对鄂黄公路长江大桥斜拉桥主塔塔梁固结点进行了实体建模，分析了几种最不利荷载组合工况下，中、下横梁塔梁固结处局部应力分布规律。计算中采用提取子区模型的方法来保证模型计算的方法。中横梁子区模型图及主塔计算模型图见图1、图2。

通过分析发现，对于所使用的每一种最不利荷载组合，主塔塔梁结合部的某些固定部位是相当敏感的，最大应力总是出现在这些部位，从而对优化塔梁固结节点的结构形式提供了一条思路。
（2）OVM15-1，15-7型预应力锚具的张拉全过程仿真分析
通过建立OVM15-l，15-7型锚具的实际模型，模拟整个预应力束的张拉过程，其夹片及锚板的计算模型见图3、图4。

通过分析，真实再现了预应力钢束过程中，预应力来、夹片及锚板中的应力分布、相互传递及走势。分析结果和实际试验结果吻合较好，但对试验提供了定量且直观的表达。同时，还可以进行优化设计，寻求合理的结构形式和张拉工艺。这无疑使锚具设计研制周期、费用和人力大大降低。
上述两例的结果将另文分析讨论。

三、结论与展望
（l）全桥结构仿真分析技术（Structural simulation for EntireBridge， SSEB）在计算机高速发展、有限元理论及软件逐步完善的前提下，势必掀起桥梁设计理论的一场革命，如何把握这一机遇，成为桥梁工作者面临的问题。
（2）作者认为，鉴于目前很多大型有限元分析软件都有开放的二次开发平台，与其花大量人力、物力来从头开发有限元分析软件，不如利用这些有限元分析软件成熟、功能强大、稳定的计算内核，开发出自己的大型有限元分析软件，可?quot;他山之石，可以攻玉"。
（3）ANSYS在桥梁工程仿真分析中的应用可以替代一些费用昂贵的试验，同时节省大量的人力和时间，其优势显而易见。
（4）通过实践证明，ANSYS强大的功能将在桥梁仿真分析过程中起到不可低估的作用。如何利用诸如此类的大型有限元软件，充分应用于实际，而又从实际工程中来不断完善和提高有限元分析软件的质量和效率，使其高效经济地投入到国家建设中去，我们桥梁工作者任重而道远。

参考文献
［1］郑凯锋，唐继舜，王秀伟．全桥结构仿真分析技术的最新进展．第十三届全国桥梁学术会议论文集，上海， 1998