（工程力学专业论文）高压输电线路数值模拟中的参数化有限元法.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 高压输电线路在运行过程中常受到风、覆冰、甚至地震等随机载荷的作用。 在这些荷载作用下，可能引起风偏闪络、电线断裂、覆冰导线舞动以及杆塔倒塌 等事故，给国民经济造成重大损失。为了确保线路的安全运行，防止上述事故的 发生，深入研究高压输电线路在复杂载荷下的力学响应已十分迫切。有限元方法 已成为研究这类问题的重要方法和手段。 在有限元分析的各阶段中，通常建模和前处理占4 0 一4 5 的时间，后处 理占5 0 一5 5 ，计算仅占5 左右。为了提高建模和分析效率，在高压输电线 路工程设计中采用参数化有限元方法分析相关力学问题具有重要的应用前景。 本论文介绍了a b a q u s 高级有限元软件的二次开发功能、面向对象的 p y t h o n 语言和利用p y t h o n 语言在a b a q u s 中实现参数化有限元方法的原理和步 骤。讨论了高压输电线路的主要构件及其力学简化，给出了高压输电线路中各个 构件的参数化有限元建模方法，包括几何模型的构造，作用于线路上的各种载荷 的处理，各构件之间连接关系的处理，单元的选择和网格的划分等。基于 a b a q u s c a e 平台开发了参数化有限元软件，并介绍了如何利用开发的软件进 行参数化有限元建模的具体方法。利用开发的软件分别建立了高压输电线路风偏 有限元模型和塔线体系动力特性分析有限元模型，通过对风偏和塔线体系动力特 性的计算模拟，验证了所开发的软件的正确性和实用性。 实际应用表明，利用开发的参数化有限元软件，可以快速准确地建立高压输 电线路的有限元模型，并完成相关问题的计算分析，该方法和软件在工程设计中 具有广阔的应用前景。 关键词：高压输电线路，参数化有限元，a b a q u s 软件，p y t h o n 语言 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t o v e r h e a dt r a n s m i s s i o nl i n e su s u a l l ys u f f e rd i f f e r e n tl o a d s ，s u c h 鹪w i n d ，i c ea n d e a r t h q u a k e ，i no p e r a t i o n ，w h i c hm a yi n d u c ew i n d a g ef l a s h o v e ro fi n s u l a t o rs t r i n g , b r e a k a g eo fc o n d u c t o r s ，g a l l o p i n go fi c e dc o n d u c t o ma n dc o l l a p s eo ft o w e r s ，a n da l l t h e s ea c c i d e n t sm a yl e a dt os a f e t yp r o b l e m so ft r a n s m i s s i o nl i n e s ，a n di nt u r n , b r i n g g r e a td a m a g et ot h en a t i o n a le c o n o m i cd e v e l o p m e n t t h e r e f o r e ，i ti su r g e n tt oa n a l y z e t h em e c h a n i c a lr e s p o n s e so ft h et r a n s m i s s i o nl i n e su n d e rd i f f e r e n tl o a d sd e e p l y t h e f e mi sa ni m p o r t a n tm e t h o da n dp o w e r f u lw e a p o nt os o l v et h o s ep r o b l e m s d u r i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s e s ，i tu s u a l l ys p e n d s4 0t o4 5p e r c e n to ft o t a lt i m et o c r e a t em o d e la n dm a k ep r e - p r o c e s s i n g ，5 0t o5 5p e r c e n tt om a k ep o s t - p r o c e s s i n g , a n d o n l y5p e r c e n tt oc a r r yo u tt h ec o m p u t m i o n m a k i n gu s e o f t h ep a r a m e t r i c a lf e mi nt h e e n g i n e e r i n gd e s i g no fo v e r h e a dt r a n s m i s s i o nl i n e st on u m e r i c a l l ya n a l y z et h er e l a t e d m e c h a n i c sp r o b l e m sw i l lg r e a t l ys p e e du pt h ep r o c e s so f t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s e s i nt h i sp a p e r , t h ec u s t o m i z a t i o no fa b a q u ss o f t w a r e , o b j e c t o r i e n t e dp y t h o n l a n g u a g ea n dt h ep r i n c i p l ea n ds t e p so f u s i n gp y t h o nl a n g u a g et oc a r r yo u tp a r a m e t r i c a l f e mb a s e do na b a q u ss o f t w a r ea r ef i r s t l yi n t r o d u c e d t h ec o m p o n e n t si no v e r h e a d t r a n s m i s s i o nl i n e sa n dt h e i rm e c h a n i c a lm o d e l sa r ed i s c u s s e d ，a n dt h ep a r a m e t r i c a l m o d e l i n gm e t h o do ft h o s ec o m p o n e n t si st h e np r e s e n t e d ，i n c l u d i n gt h ec o n s t r u c t i o no f g e o m e t r ym o d e l ，t h ed i s p o s a lo f l o a d si no v e r h e a dt r a n s m i s s i o nl i n ea n dt h ec o n n e c t i o n s a m o n gt h o s ec o m p o n e n t s ，t h es e l e c t i o no fe l e m e n t sa n dm e s h i n go ft h ec o m p o n e n t s b a s e do nt h et h e o r ya n dm e t h o do f p a r a m e t r i cf i n i t ee l e m e n t ，s o f t w a r ei sd e v e l o p e do n t h ea b a q u s c a ep l a t f o r m t h ea p p l i c a t i o no ft h es o f t w a r ei nt h ec r e a t i o no ff i n i t e e l e m e n tm o d e la n dt h ea n a l y s e sa r ei n t r o d u c e di nd e t a i l s f i n i t ee l e m e n tm o d e l so f w i n d a g eo far e p r e s e n t a t i v et r a n s m i s s i o nl i n e a n dm o d ea n a l y s i so fat o w e ra n d c o n d u c t o rs y s t e ma r ee s t a b l i s h e dr e s p e c t i v e l yb ym e a n so ft h ed e v e l o p e ds o f t w a r e ，b y w h i c ht h ev a l i d i t ya n dp r a c t i c a b i l i t yo f t h es o f t w a r ea r ed e m o n s t r a t e d p r a c t i c a la p p l i c a t i o no ft h ed e v e l o p e ds o t t w a r ei n d i c a t e st h a tt h ep a r a m e t r i cf i n i t e e l e m e n tm e t h o di sap o w e r f u lt o o li nt h en m e r i c a ls i m u l a t i o no ft r a n s m i s s i o nl i n e s ， w h i c h s h o w sap r o s p e c t i v ef o r e g r o u n di nt h ee n g i n e e r i n gd e s i g no fo v e r h e a d t r a n s m i s s i o nl i n e s u 重庆大学硕+ 学位论文英文摘要 k e y w o r d s ：o v e r h e a dt r a n s m i s s i o nl i n e s ，p a r a m e t r i c a lf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，a b a q u s s o f t w a r e ，p y t h o nl a n g u a g e u i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重鏖塞堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：训胴科 签字日期：参阳7 哲月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重宏太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重庆塞堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密() 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：纠，肫本伞 签字日期：擗岁月形日 一名：乡咿 签字日期：矽7 年5 广月荀日 重庆大学硕士学位论文 i 绪论 1 绪论 1 1 高压输电线路数值模拟中参数化有限元法的意义 随着我国西部能源开发和利用战略的启动以及“西电东送工程”的实施，超高压 和特高压输电线路的建设在即i l 】，这对输电线路的安全运行提出了更高的要求。大 风引起的架空输电线路的风偏闪络 2 】、覆冰导线的舞动【3 l 、覆冰导线融冰引起的振 引4 】以及地震和风荷载引起的塔线耦合体系的安全性等问题【5 】已经成为需要迫切 解决的问题。随着现代计算力学的发展，有限单元法已经成为研究这些问题的有 效手段。由于输电线路结构的复杂性，研究其有限元参数化建模方法和软件的开 发对于输电线路的设计和安全运行等具有重要的理论和工程实际意义。 目前，在有限元分析中所用时间的4 0 4 5 用于模型的建立和数据输入，即 前处理；5 0 0 r - - 5 5 用于分析结果的判读和评定，即后处理；而计算的时间仅占5 左右。通常，设计人员在进行相关问题的计算时遇到前后处理过程复杂、烦琐， 费时、费力还容易出错，如果按照现有有限元分析软件所规定的步骤，将花费大 量的时间在各个方案的前后处理上，而且增加出错几率嘲。对于实际需要的有限元 模型，如果仅仅是构件的类型和数量的不同的话，则只需要预先建立不同尺寸型 号的构件模型库，再在总的模型中调用相应构件进行组合就行了。对于在高压输 电线路系统中广泛使用的系列化、通用化和标准化构件，如绝缘子、金具、间隔 棒等，这些构件所采用的数学模型都是相对固定不变的，所不同的是构件的结构 尺寸有所差异。对于这样的模型，在建模时采用参数化方法，只需要改变相应参 数化尺寸的值就可以自动快速的得到需要的模型，省去了大量重复的过程，大大 提高建模效率。基于此优点，参数化建模的思想与功能在诸多的c a d 软件中得到 应用实现。然而，在许多三维c a d 软件中建立的三维参数化模型在导入有限元分 析软件后很难保持参数化的特征，还需要在有限元软件中进行大量的模型修改， 给有限元计算带来了困难，也并没有体现参数化建模的优越性。但是可以在有限 元软件产品环境中建立参数化有限元模型，即将有限元分析有关数据参数化。对 前处理中进行包括几何模型、有限元网格划分、约束边界条件以及载荷及材料性 能的参数化定义掣”。 目前国际上已有很多商用有限元软件在各个工程行业得到了广泛而又成功的 应用，如a b a q u s 、n a s t r a n 和a n s y s 等。其中a b a q u s 高级有限元软件由 于其先进的算法和求解复杂非线性问题的能力受到国际上科研机构和设计院所的 普遍欢迎。我们已经利用a b a q u s 软件计算分析了输电线路的若干力学问题，并 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 深感研究参数化建模方法和软件二次开发的迫切性。因此，本文基于p y t h o n 语言， 研究了在a b a q u s 软件中实现高压输电线路参数化有限元建模的方法，并在 a b a q u s c a e 平台中二次开发了相应的参数化建模软件，为高压输电线路相关力 学问题的快速有限元建模和分析提供了条件。该方法和软件在高压输电线路的工 程设计中具有广阔的应用前景。 1 2 参数化有限元的常见形式及其发展综述 参数化有限元是一个创新的思想，具有三个层次，其对应如下三种实现方法【7 】： 以某一个具有参数化功能的c a d 软件为平台，对分析对象等进行参数化几何 造型，然后再将该模型利用某种中间交换文件格式导入有限元分析软件，并逐步 进行其它的有限元分析步骤； 在有限元分析软件内部进行参数化几何造型，并逐步进行其它的有限元分析 步骤； 所有前后处理过程，包括几何造型、施加载荷，网格划分、数值分析、后处 理等，都写入一个所谓的“命令流”文件脚本，然后一次性提交有限元求解器求解 【2 7 】。 上述三种方法各有优缺点。由于一般有限元分析软件的造型功能不强，为了 扩大其通用性，几乎所有的c a e 软件都提供了与其他c a d 软件的接口，即通过 某种中间文件格式进行转换，所以第一种方法具有通用性，能够处理比较复杂的 模型，但由于各种软件对这些中间文件的理解不同，这种方法往往造成模型信息 的丢失，使得有限元分析软件中所得到的几何模型不完整，因此需要在有限元分 析软件中对其进行人工修补，这将是相当费时，枯燥。在处理复杂模型时尤其如 此。第二种方法简洁明了，但仅当所用的有限元分析软件具有参数化造型功能时 才可以实现，所处理的几何造型问题一般较为简单。第一种和第二种方法都只能 进行几何模型的参数化工作，参数化程度比较浅。第三种方法能够对所研究的问 题进行全参数化处理，大大提高了研究问题的效率，目前能接受“命令流”处理的有 限元分析软件常用的有a b a q u s 和a n a s y s 等，且都比较难以处理复杂问题。 第三种方法能够实现全参数化驱动，自动化程度最高，是具有发展前途的方法。 前面两种方法是人工交互参数化，第三种方法所述的参数化方法可看作是编程式 参数化。 文献【8 】和【9 】分别介绍了a b a q u s 和a n a s y s 软件实现参数化有限元的工程 实例，文献 8 】利用a b a q u s 实现了内方孔翻边和矩形盒拉伸问题的参数化有限元 方法，文献【9 】则利用a n a s y s 实现了炸药试验的压力筒参数化有限元分析功能。 对不熟悉软件使用的工程设计人员，我们通过对诸如a n a s y s 和a b a q u s 等软 重庆大学硕士学位论文1 绪论 件进行二次开发，建立交互式用户界面，可实现编程式参数化有限元分析。 a b a q u s 软件的命令流采用了面向对象的p y t h o n 语言，利用这样一个工具，实现 编程式参数化，可以开发出具有良好用户界面的参数化系统。 1 3 本论文的研究目的和内容 本论文以在高压输电线路相关力学问题数值模拟中采用参数化有限元方法为 目标，以线路中的杆塔、导线、绝缘子和各种金具等为对象，使用高级有限元软 件a b a q u s 作为分析工具，利用p y t h o n 语言在a b a q u s c a e 平台上实现参数化 快速建模和计算分析。论文涉及以下主要研究内容： 参数化有限元建模的方法和原理。 p y t h o n 语言面向对象程序开发技术。 利用p y t h o n 语言在a b a q u s c a e 平台上二次开发软件，实现高压输电线路 参数化有限元建模。通过编制的图形用户界面获得模型参数，调用p y t h o n 程序传 递模型参数到a b a q u s 内核，最后在a b a q u s 中完成模型建立并进行有限元计 算。 利用开发的参数化有限元软件，建立典型问题的有限元模型，并完成计算分 析，以验证二次开发软件的正确性和实用性。 利用二次开发的软件，用户只需在用户界面中输入相应的几何模型、分析步、 载荷和网格等参数，即可得到满足不同要求的a b a q u s 的分析模型，并进而完成有 限元计算分析。这将大大缩短有限元建模时间，提高效率，极大地方便工程应用。 2a b a q u s 中的参数化有限元法及其实现 2 1 参数化方法及其分类 参数化设计方法主要用于基本结构形状相同但是具体模型的尺寸参数有较小 变动的情况。常见的参数化方法分成以下几种【1 0 1 ： 代数法。该方法是指把尺寸的约束转化为联立方程组，求解方程，从而得到 满足尺寸约束的解。所定义的任何尺寸约束均可以作为操作几何形体的参数。修 改这些参数求出受影响的约束方程，可以获得满足新定义约束的几何模型。 p r o e n g i n e e r 系列软件采用的是代数法的思想。 人工智能法。该方法是通过推理机制逐步构造物体的几何模型。它使用被存 放在库中的一些简单的规则进行推理，这些规则由条件和结论构成。系统提取约 束，把这些约束作为事实，与规则的条件进行匹配，从而推出一些中间结论，再 把这些中阃结论作为事实继续推理，最终求出物体的所有特征点，构造出几何图 形。这种方法表达直观、简洁，但是系统庞大、速度慢、无法处理循环约束。 直接操作法。采用这种方法设计者可以直接修改图形的内部状态。所有的目 标都用图形来表示，设计者可以通过直接控制点来修改目标的位置，方向和目标 的大小等。目标的成员自动继承父目标的属性和操作。允许用户在层次结构中指 定目标的几何结构。这种关系约束来说明，目标之间的约束通过局部坐标系与整 体坐标系之间的关系来指定。这种方法操作简单、直观，但要求对所构造物体概 念非常清晰，适合自顶向下的概念设计。 语言描述法。这种方法是使用语言描述图形的方法。用户使用造型语言来定 义带有参数的体素，再用这些体素来描述几何图形。也可以先绘制体素，系统自 动生成几何体的描述语言，再修改描述语言中的某些参数，以生成新的体素。这 种方法对于描述标准件、某一零件的多次出现或具有一定规律的出现非常有效。 这种造型语言以参数零件的关系图为基础，包括数据定义和操作语言，这种关系 图的内部表示可以与其它c a d 系统的应用程序一起再编译。其基本思想涉及如下 三个方面： 1 ) 几何参数的参数化。几何参数可用参数名、常数或表达式代替。表达式由 参数名、常数、数学函数、数学操作符、逻辑操作符、比较操作符和几 何函数组成。当系统要求输入几何参数时，用户可以输入常数，参数名 或表达式。 2 ) 点的参数化。点可以通过参数化顶点的坐标或应用相关函数进行参数化。 3 ) 曲线参数化。系统需要对曲线进行离散化，通过控制这些离散点来对曲线 4 进行模拟。 本文在高压输电线路的参数化有限元方法的实现中采用了语言描述法，但是 由于高压输电线路系统中构件繁多，所以在建立模型前需要先建立构件的模型库， 然后在整体模型中调用相应的构件，从而迅速的建立整体分析系统。 2 2a b a q u s 软件的二次开发功能 2 2 1 软件简介 a b a q u s 是国际上最先进的大型通用有限元计算分析软件之一f 1 1 - ”j ，它具有 杰出的计算能力和分析能力，可以计算分析复杂的非线性问题。a b a q u s 中包括 实体单元、壳单元、梁单元、桁架单元和刚性体单元等可以模拟任意形状的单元 库，并拥有各种材料的模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、 橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和 岩石等地质材料。作为通用的模拟工具，除了能够进行结构计算，分析结构的应 力、位移场以外，a b a q u s 还可以模拟其他工程领域的许多问题，例如：热传导、 质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析及压电介质分析，因此该软 件在不同的工程领域中得到了广泛的应用。 a b a q u s 有两大主求解模块：a b a q u s s t a n d a r d 和a b a q u s e x p l i c i t 。 a b a q u s s t a n d a r d 隐式分析求解器是一个通用分析模块。它能够求解广泛的线性 和非线性问题，包括结构的静态、动态、热和电响应等。对于同时发生的几何、 材料和接触非线性采用自动增量控制技术处理。a b a q u s 拥有c a e 工业领域最广 泛的材料模型，它可以模拟绝大部分工程材料的线性和非线性行为，而且任何一 种材料都可以和任何一种单元或复合材料层一起用于任何合适的分析类型。 a b a q u s 对某些特殊问题还提供了专门的模块来加以解决。 a b a q u s e x p l i e i t 显式分析求解器是一个专门用途的分析模块，其利用对时间 变化的显式积分求解动力学方程。该模块适合于分析如冲击和爆炸这样短暂、瞬 时的动态事件，对高度非线性问题也非常有效，包括模拟加工成形过程中接触条 件改变的复杂问题等。 a b a q u s 还包括一个全面支持求解器的图形用户界面，即人机交互前后处理 模块：a b a q u s c a e 。该模块是a b a q u s 的交互式图形环境。通过生成或输入 将要分析结构的几何形状，并将其分解为便于网格划分的若干区域，应用它可以 方便而快捷地构造模型，然后对生成的几何体赋予物理和材料特性、载荷以及边 界条件。a b a q u s c a e 具有对几何体划分网格的强大功能，并可检验所形成的分 析模型。模型生成后，a b a q u s c a e 可以提交、监视和控制分析作业。重要的是， a b a q u s c a e 与现有流行三维建模软件，如p r o e 、u g 和c a t t i a 等具有通用图 形接口，可以将在这些三维建模软件中建立的几何模型导入其中，以建立有限元 模型。 2 2 2 二次开发功能 a b a q u s 提供了多种方式可以实现在其产品上进行特定目的的用户化，即二 次开发 1 4 - 1 6 j ： 使用用户子程序。用户子程序允许用户改变a b a q u s s t a n d a r d 和 a b a q u s e x p l i e i t 的计算过程。 修改环境文件。通过改变环境文件中关于a b a q u s 的各种默认设置来改变 a b a q u s c a e 的计算分析过程和相关文件的操作。 运行自定义内核脚本。内核脚本允许用户通过创建新的功能模块对建模和后 处理进行操作。 创建新的图形用户界面脚本。图形用户界面( g u i ) 脚本允许用户创建新的图形 用户界面，从而在a b a q u s 中创建或修改相应模块实现参数化操作。 本论文工作的参数化实现涉及到a b a q u s 的内核脚本和a b a q u s 图形用户 界面工具包的使用，创建了针对高压输电线路中不同问题有限元计算的用户界面， 用户使用时只需要输入模型参数，程序就会自动建立模型，用户只需要提交作业 就能完成计算。 在创建图形用户界面时用户需要使用a b a q u s 提供的图形用户界面工具包， 它提供的设计功能允许用户创建新的或改变a b a q u s 已有的图形用户界面。 a b a q u s 图形用户界面工具包就像a b a q u s 脚本接口是p y t h o n 语言的扩展一样， 是f o x 图形用户界面工具包的扩展。f o x ( f r e e o b j e c t sf o r 是一种流行的、面向 对象的、不依赖于操作平台的图形用户界面工具包。因为a b a q u s 图形用户界面 工具包是不依赖于操作平台的，所以，一旦用户在一个操作平台上开发了应用程 序，就可以在其它支持的平台上运行该程序而不需要修改源代码。f o x 图形用户 界面工具包的体系结构使得使用a b a q u s 图形用户界面工具包开发的用户界面在 所有的平台上运行的效果相同。比如，对u n i x 系统和w i n d o w s 系统而言，虽然 两个平台上的应用程序接口( a p i ) 是一样的，但是程序潜在的对操作系统的图形用 户界面库的调用不同( u n i x 系统调用x t 库、w i n d o w s 系统调用w i n 3 2 库) ，不过 这样的差异被开发人员在应用程序中隐藏了，所以应用程序在两个系统上的运行 并没有本质的区别。另外，因为f o x 图形用户界面工具包是面向对象的，它允许 开发人员通过从工具包的基类创建新的类来扩展它的功能，所以a b a q u s 图形用 户界面工具包就是利用这种特性在a a a q u s 图形用户界面添加用户自定义功能 的。其中，那些以f x 开头的类名是标准的f o x 库的一部分，如f x b u t t o 。以a f x 开头的类名是a b a q u s 对f o x 类扩展的一部分，如a f x d i a l o g 。当同一个类既 6 可以以a f x 、又可以以f x 为前缀时( 比如f x t a b l e 和a f x t a b l e ) ，用户最好使用 a f x 为前缀，因为它对使用a b a q u s 建立应用程序提供了更高级的功能。 用户可以用该工具包实现下列功能： 创建一个新的图形用户模块。一个图形用户模块在a b a q u s c a e 中就是一组 具有类似功能的集合，比如p a r t 模块就是用于创建p a r t 的。 创建一个新的工具栏。工具栏和图形用户界面类似，也是一组具有相似功能 的集合，但是它通常是可以被一个或多个模块调用的。例如，在a b a q u s c a e 中创建局部坐标的工具使得在a b a q u s 工作期间很方便的创建局部坐标。 创建新的对话框。a b a q u s 的图形用户界面工具包提供了丰富的组件库，利 用这些组件库，用户可以构造自己的对话框用以实现和a b a q u s c a e 的交互。 移除a b a q u s c a e 图形用户界面中的某些模块和工具栏。用户可以在应用程 序中设置某个模块的应用范围。比如，a b a q u s v i e w e r 程序模块不包括与建模相 关的模块，它只包括可视化模块。此外，可以移除某个主菜单或者主菜单中的某 些子菜单项目。例如，当用户当前的操作不需要的时候，可以移除主菜单中的 v i e w p o r t 菜单，或者也可以移除f i l e 菜单中的i m p o r t 和e x p o r t 菜单等。 为了利用a b a q u s c a e 的图形用户界面工具包编写应用程序，用户需要具备 下列知识或经验准备： p y t h o n 编程经验。在编写a b a q u s c a e 内核脚本前，用户需要具备一些应 用p y t h o n 语言的编程经验，因为a b a q u s c a e 内核脚本是与p y t h o n 语言密切相 关的。 a b a q u s 内核命令。图形用户界面的最终目的是向a b a q u s 内核传递可以 执行的命令，因此用户需要了解内核命令的产生以及其怎样工作的。 面向对象编程概念。p y t h o n 是面向对象的编程语言，用户应用程序通常由用 户自定义的类、类的方法和需要处理的类的数据组成。所以，用户需要了解并熟 悉面向对象的一些实施过程。 图形用户界面设计。由于应用程序的复杂程度不同，用户需要对图形用户界 面的设计规则和方法有所了解。 2 3p y t h o n 语言与a b a q u s 2 3 1p y t h o n 语言简介 p y t h o n 是一种容易学习且功能强大的程序语言，它既可以用于独立的程序， 也可以用于脚本程序，且适用于各种领域i 协1 9 1 。p y t h 0 1 1 语言含有高效率的数据结 构，是一种简单但效果非常明显的面向对象编程语言( o b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n g ) 。 它和其它的面向对象编程语言一样，其具有参数、列表表达式、函数、流程控制( 循 7 环与分支) 、重复执行命令以及用户程序等。p y t h o n 优雅的语法以及动态类型识别， 加上解释性的本质，使它成为一种能在多种功能、多种平台上撰写脚本及快速开 发的理想语言。p y t h o n 有以下几个显著的特点： 面向对象。面向对象程序设计为结构化和过程化程序设计语言增添了新的活 力，这些语言中的数据和逻辑关系都是程序设计中不可分割的元素。面向对象程 序设计允许将特定的行为，特性和功能与将要处理的数据或它们所代表的数据关 联在一起。p y t h o n 语言面向对象的特性是与生俱来的。在p y t h o n 程序员看来，凡事 都是对象。对象是在编程语法中部分暴露在表面的代码的封装单元。它们可以被 再次使用而且可以移植。面向对象语言不用实际了解任何关于对象内部如何工作 的问题，就可以很容易扩展和使用其他程序的内部函数。 适应性强。p y t h o n 语言可以根据项目的不同再增减代码，增加新的或者现有的 p y t h o n 元素，按照自己的想法重复使用编写好的代码。p y t h o n 语言鼓励简洁的代码 设计风格，高水平的结构设计，把多个组件捆绑到一起的做法。这些特点能够在 软件开发项日向广度和深度发展的同时有效地保证灵活性，一致性和更短的开发 时间。 可扩展性强。p y t h o n 具有很强大的扩展性。如果知道如何写c 语言程序，就可 以很容易在p y t h o n 的解释器中加入新的内建函数或者是模块。这样做的好处是可以 让程序中的关键部分的速度调到最快，或者是连结p y t h o n 到二进制的程序库。我们 也可以把p y t h o n 解释器嵌入到用c 语言编写的应用程序里面去，然后p y t h o n 就变成 该应用程序的扩展或者是商业化的语言了。 可移植性强。能够运行p y t h o n 语言的计算机平台相当广泛，例如u n i x 、 w i n 9 x 2 0 0 0 n t x p 、m a c i n t o c h 、o s 2 以及d o s 等等。p y t h o n 的应用平台如此广泛， 使它在计算机领域中快速的发展壮大。事实上，p y t h o n 是用c 语言编写的，由于c 语言的可移植性，所以p y t h o n 能够工作在具有c 语言编译器和通用操作系统接口的 任何类型的系统上。 快速建模。与b a s i c 语言相比，p y t h o n 的优势也是相当明显的。p y t h o n 语言与那 些自我包容和灵活性较少的编程语言不同，它有许多联系其它系统的不同接口， 而且功能足够强大，也足够健壮，因此即使单独使用p y t h o n 语言也完全可以建立起 一个系统的整个模型。当然，用传统的编译语言也能够建立同样的系统模型，但 p y t h o n i 吾言在工程方面的简单性使我们在完成同样的工作时显得游刃有余。此外， 人们捌p y t h o n 语言开发出很多外部开发库，因此无论应用程序准备干什么用， 都可能已经有人在这一条路走过了，这时候，只需要将这些外部开发库拿过来自 行调配一番，就可以实现所需要的功能了。 s 2 3 2p y t h o n 与a b a q u s 的关系 a b a q u s 程序语言是对p y t h o n 的继承和发展，尽管a b a q u s 对p y t h o n 有所 扩展，但是其主体框架均由p y t h o n 构成。利用p y t h o n ，我们可以对a b a q u s 的 g u i 用户界面进行二次开发，也可以编写适合自己的脚本应用程序。 p y t h o n 对a b a q u s 产品而言是一种标准的程序设计语言，它的使用是贯穿 a b a q u s 各个部分的。不仅仅在a b a q u s 脚本接口，在a b a q u s d e s i g n 、 a b a q u s s t a n d a r d ，a b a q u s e x p l i c i t 和a b a q u s c a e 的环境文件中，它还可被 用来进行参数化研究。其常用方式为： a b a q u s 的环境文件( a b a q u sy 6 饥v ) 使用p y t h o n 语言来陈述。 a b a q u s 的i n p u t 文件中* p a r a m e t e r 选项的数据行的参数定义使用p y t h o n 的语法。 a b a q u s 的参数化研究能力需要产生和执行一个p y t h o n 脚本( p s o 文件。 a b a q u s c a e 在r e p l a y ( r p y ) 文件中记录其命令作为一个p y t h o n 脚本。 可以使用一个p y t h o n 脚本从结果数据库中获得特定的数据。 a b a q u s 脚本接口对在其中使用的模型和数据来说是一种应用程序接口 ( a p i ) 。它是面相对象的p y t h o n 语言的扩展。a b a q u s 使用大约5 0 0 个额外的对 象扩展p y t h o n 的功能，不同的对象之间还有很多关系，使用户对任何设计或分析 属性如定义几何模型、定义材料属性、施加载荷和边界条件、约束模型位置、划 分单元网格、控制和执行求解、获得计算数据等拥有控制权，其产生的脚本也是 p y t h o n 脚本。用户可以通过它进行下面的操作：创建和修改a b a q u s 模型中的模 块，如：p a r t s 、m a t e r i a l s 、l o a d s 和s t e p s 模块等；创建、修改和提交a b a q u s 的 分析作业；从a b a q u s 输出的结果文件中读出数据或向其中写入数据；查看分析 的结果。图2 1 所示为a b a q u s 生成的一个有限元模型及其模型对象；图2 2 为 模型对象下其它对象的一般内容；图2 3 为o d b 对象下其它对象的一般内容，其 中c o n t a i n e r 是包含相同类型对象的对象；图2 4 为s e s s i o n 对象下其它对象的一般 内容。a b a q u s 对象模型中的c o n g a h e r 可以是“仓库”也可以是“序列”，比如s t e p s c o n t a i n e r 就是一个“仓库”，即它包含分析中所有的s t e p 。s i n g u l a ro b j e c t 也是对象， 但是它不包含相同类型的其它对象，如s e s s i o n 对象和m o d a l 对象，在a b a q u s 的对象模型中它们是唯一的。a b a q u s 脚本接口正是利用p y t h o n 语言通过对模型 的方法和数据的调用与操作来实现用户化的。 当用户使用a b a q u s c a e 的图形用户界面创建模型和进行可视化分析结果 时，a b a q u s c a e 内在的记录每一步操作相应的命令。那些命令反应了用户操作 的已经创建的几何体和每一个设置，以及每一个对话框中的选择。图形用户界面 使用面向对象的p y t h o n 语言来产生命令，再把它们发送到位于a b a q u s c a e 后 9 面的大脑内核来执行，图形用户界面就是用户和内核进行交流的接1 ：3 。 a b a q u s 脚本接口使得用户可以通过a b a q u s c a e 的图形用户界面直接和内核 通信。包含a b a q u s 脚本接口命令的文件就叫做脚本。图2 5 表明了a b a q u s 脚本界面怎样和a b a q u s c a e 内核进行相互作用。 图2 1a b a q u s 的模型对象及其内容 f i g 2 1m o d e l o b j e c t sa n d c o n t e n t s i n a b a q u s 图2 2 模型对象中的各个成员 f i g 2 2m e m b e r s i nm o d e lo b j e c t 1 0 重庆大学硕士学位论文 2a b a q u s 中的参数化有限元法及其实现 图2 3o d b 对象中的各个成员 f i g 2 3m e m b e r si no d bo b j e c t 图2 4s e s s i o n 对象中的各个成员 f i g 2 4m e m b e r s i ns e s s i o no b j e c t 图2 5 a b a q u s 脚本接口命令与a b a q u s c a e 的关系 f i g 2 5r e l a t i o nb e t w e e na b a q u ss c r i p t i n gi n t e r f a c zc o m m a n da n da b a q u s c a e 2 4 参数化有限元在a b a q u s 中的实现 在a b a q u s 中，用户可以通过两种方式来利用a b a q u s 图形用户界面工具 包进行二次开发，即利用p l u g - i n 插件程序或创建用户应用程序。在介绍两种方式 前首先介绍一下a b a q u s c a e 中两种形式的命令：内核命令和图形用户界面命 令。 内核命令用来建立、分析和后处理有限元模型。内核命令的一般形式为：o b j e c t + m e t h o d + a r g u m e n t s ( k e y w o r d s ) 。其中，o b j e c t ( 对象) 和a r g u m e n t s ( 方法的参数) 可以缺省，但是m e t h o d ( 对象的方法) 不能缺省。 用户使用图形用户界面命令获得用户输入的参数并把参数传输给内核命令进 行处理。图形用户界面命令和模式( 从用户窗口获得数据、处理数据并向内核发送 命令的一种机制) 一同作用，模式处理图形用户界面过程并且向内核发送命令。用 户使用a f x g u i c o m m a n d 类构造图形用户界面命令。a f x g u i c o m m a n d 类需要下 列参数： 模式：模式一般由图形用户界面的组件( 通常为界面内的某个按钮) 激活，然后 获得用户输入的参数、处理参数、发送命令并且对与之相关的模式和要发送的命 令进行错误检查。a b a q u s 图形用户界面工具包提供了窗口模式和程序模式两种 模式。其中窗口模式提供了一个到对话框的接口，它使用一个或多个对话框接收 用户输入的数据；程序模式提供了一个引导用户通过一系列在应用程序中即时提 示输入的步骤的接口。 方法：表示内核命令方法的字符串。 对象名：表示内核命令对象的字符串。 查询提示：表示是否对对象进行查询的布尔值。 例如：编辑窗口的命令可以表示为； c m d = a f x g u i c o m m a n d ( s e l f , s e t v a l u e s ，s e s s i o n g r a p h i c s o p t i o n s ，t r u e ) 下面对p l u g - i n s 插件程序和用户应用程序分别做简单介绍。