（工程力学专业论文）CADCAE二次开发技术在箱梁桥领域的应用.pdf

创性：声 1 1 1 1 11 11 111 111 11 111 1iiil y 19 0 2 2 8 0 的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位做作者签名秀布沙 日期：2 秒年够月 日期影秒年月 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 ，。 _ 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重 庆交通大学可以将本学位论文的全部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和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人 学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服务( 包括但不限于汇编、 复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 学位毪文储签，看彳沙 日期夕。，年缸角日 指导教师签名：闯右、 | 日期：矽年印月e l 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社删系列数据 库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权 益。 学位论文作者签名彩带布沙 醐沙年红月f 日 指导教师签名： 日期：沙i1 年， 日 寿， 刃n 明 ，r 牛 桥梁结构力学分析和c a d 画图是桥梁设计与建设中的重要部分。现有的桥梁 有限元软件大多使用梁单元进行模拟分析，无法准确模拟实体构件的扭转和弯曲， 不能全面分析截面各处的应力和应变。使用a n s y s 或a b a q u s 等通用有限元软 件对桥梁进行实体建模和分析时，由于缺乏专业性，在使用过程中存在很多操作 上的不便和繁琐。设计绘图方面最大的问题是费时，现在桥梁专业绘图方面也有 一些软件，如桥梁大师、桥梁设计师等，然而商业软件有其灵活性差绘图风格与 各个设计院不符以及操作步骤多等问题。 为解决现存的桥梁实体建模缺乏专业性的问题，本文基于p y t h o n 语言和 a b a q u s 软件二次开发功能，针对市政桥梁中常出现的箱型截面桥梁，开发了箱 型钢筋混凝土桥梁的参数化建模插件。本插件适合单箱到多箱、等高和变高、等 宽和变宽等多种形式的箱梁参数化实体建模，解决了手工操作的繁琐、易错问题， 有效的解决了箱梁实体有限元模型的建模速度，减小了使用a b a q u s 分析箱梁桥 的理解难度。 在参数化智能绘图方面，本文利用了l i s p 语言对c a d 进行二次开发，能自动 生成箱梁桥的一般构造图、普通钢筋图( 包括钢筋量统计) 及预应力钢束图。出 图有以下优点：与前面的建模参数输入数据一致，高效智能；具有极大的灵活性 可半机械化操作；图纸整洁规范等。 关键词：二次开发；c a d c a e ；箱型梁桥；a b a q u s ；p y t h o n ；l i s p ；有限元；参数 化 a b s t r a c t b r i d g es t r u c t u r em e c h a n i c sa n a l y s i sa n dc a dd r a w i n ga r ei m p o r t a n tp a r t si nt h e d e s i g na n dc o n s t r u c t i o n w h e ns i m u l a t i n ga n da n a l y z i n g ，m o s to ft h ea v a i l a b l e b r i d g ef i n i t es o f t w a r eu s i n gb e a me l e m e n tc a n n o ts i m u l a t et h et o r s i o na n db e n d i n g o fe n t i t yc o m p o n e n t s ，u n a b l et oa n a l y s i st h e s t r e s sa n ds t r a i no fb e a ms e c t i o n s d u et ot h el a c k i n go fp r o f e s s i o n a l i s m ，w ef i n d t h a ti t si n c o n v e n i e n ta n dt e d i o u s w h i l eu s i n gg e n e r a lf m i t ee l e m e n ts o f t w a r e ，s u c h 嬲a n s y so ra b a q u s ，t om o d e le n t i t yc o m p o n e n t so fab r i d g e t i m e - c o n s u m i n gi st h eb i g g e s tp r o b l e mi nd r a w i n g t h e r ea r es o m es o f t w a r ei nb r i d g ed r a w i n g ，s u c h 签b r i d g em a s t e r , b r i d g e d e s i g n e r sa n ds oo n h o w e v e r , c o m m e r c i a ls o f t w a r eh a si t so w ni n s u f f i c i e n t f o r e x a m p l e ，i t si n f l e x i b l e a n dc o m p l i c a t e d a n dt h ed r a w i n gs t y l ed o e s n o tf i ta l lt h ed e s i g ni n s t i t u t e s t os o l v et h ep r o b l e mo fl a c k i n go fp r o f e s s i o n a l i s mi ne n t i t ym o d e l i n go fab r i d g e ，w ed e v e l o p e dap a r a m e t e r i z e dp l u g i nf o rb o x - l i k er e i n f o r c e dc o n c r e t eb r i d g e s ，w h i c hi sa i m i n ga tt h eb o xs e c t i o ni nm u n i c i p a lb r i d g e s a n di t s a l lb a s e d o n t h er e d e v e l o p m e n tf u n c t i o no fp y t h o nl a n g u a g ea n da b a q u s t h ep l u g i ni ss u i t a b l ef o rm a n yk i n d so fp a r a m e t e r i z e de n t i t ym o d e l i n g ，f r o ms i n g l eb o xt ob o x s w i t ht h es a m eh e i g h to rc h a n g i n gh e i g h t ，t h es a m ew i d t ho rc h a n g i n gw i d t h a n ds o o n i th a ss o l v e dt h et r o u b l eo ff a l l i b i l i t ya n dt e d i o u s n e s si nm a n u a lo p e r a t i o n a n di th a sr a i s e dt h em o d e l i n gs p e e do fb o xg i r d e re n t i t ya n dr e d u c e dt h e d i f f i c u i t yi nu n d e r s t a n d i n gb yu s i n ga b a q u st oa n a l y s i sb o xg i r d e rb r i d g e s m a k i n gu s eo ft h el i s pl a n g u a g et or e d e v e l o pc a d ，w ec a ng e tt h eg e n e r a l s t r u c t u r em a p s ，c o m m o nr e i n f o r c e m e n td r a w i n g s ( i n c l u d i n gr e i n f o r c i n gs t e e lb a rq u a n t i t ys t a t i s t i c s ) a n dt h ep r e s t r e s s i n gt e n d o n sf i g u r ei np a r a m e t r i ci n t e l l i g e n td r a w i n go ft h eb o xg i r d e r s n ef i g u r e sh a v et h ef o l l o w i n ga d v a n t a g e s f i r s t l y , t h e y a r e e f f i c i e n ta n di n t e l l i g e n t n l ef i g u r e sa r ei na c c o r d a n c e 、) r i t ht h ed a t aw h i c hi s i n p u tb e f o r e s e c o n d l y , t h e ya r ef l e x i b l ea n ds e m i a u t o m a t i c t h i r d l y , t h ed r a w i n g sa r en e a ta n dn o r m a t i v e k e y w o r d s ：r e d e v e l o p ；c a d & c a e ；b o xg i r d e rb r i d g e ；a b a q u s ；p y t h o n ；l i s p ； f i n i t ee l e m e n t ；p a r a m e t r i c 目录 第一章绪论1 1 1 箱型梁桥的特点及其发展状况1 1 1 2 箱型截面在各类桥梁上的应用1 1 2 桥梁c a d 研究及有限元分析现状2 1 2 1 国内外桥梁c a d 研究现状2 1 2 2 桥梁有限元分析的现状5 1 3 钢筋混凝土有限元数值模型6 1 4a b a q u sc a e 及a u t o c a d 联合二次开发的背景和意义6 1 5 本文的研究内容7 第二章a b a q u s 与p y t h o n 语言及a u t o c a d 与l i s p 语言9 2 1 软件介绍9 2 1 1a b a q u s 软件介绍9 2 1 2c a d 技术概述1 0 2 2 二次开发语言1 0 2 2 1p y t h o n 语言1 0 2 2 2l i s p 语言1 2 2 3a b a q u s 及a u t o c a d 二次开发功能简介1 2 2 3 1 脚本与a f xg u it o o l k i t 介绍1 2 2 3 2a b a q u s 插件开发1 4 2 3 3a u t o c a d 插件开发1 6 2 5 参数化方法及其分类1 7 第三章箱型梁参数化建模及绘图插件开发1 8 3 1 箱形梁建模插件制作1 8 3 1 1 插件读入数据部分制作1 8 3 1 2 插件建模部分制作1 9 3 1 3 插件应用程序框架部分制作2 4 3 2 箱形梁绘图插件制作( 一般构造图) 2 4 3 2 1 数据输入界面设计2 5 3 2 2 绘图插件文件一般构造图2 5 3 3 本章小结2 9 第四章箱型梁普通钢筋参数化建模及绘图插件开发3 0 4 1 普通钢筋绘图插件画图部分制作3 0 4 2 普通钢筋绘图插件钢筋统计部分制作3 3 4 3 普通钢筋绘图插件生成建模用数据3 7 4 4 普通钢筋建模插件3 8 4 5 本章小结4 l 第五章箱型梁预应力钢束参数化绘图插件开发4 2 5 1 预应力钢束断面图绘制插件制作4 2 5 2 预应力钢束参数表及钢束材料表绘图插件制作4 5 5 3 预应力钢束曲线要素表、立面图及钢束大样图绘制插件制作5 1 5 5 本章小结5 7 第六章程序绘图与建模演示5 8 6 1 算例桥梁5 8 6 2 工程图绘制5 8 6 2 2 普通钢筋图6 1 6 2 3 预应力钢束图6 3 6 3 模型创建6 5 6 3 1 混凝土构件模型创建6 5 6 3 2 普通钢筋模型创建6 5 6 4 本章小结6 6 第七章结论与展望6 7 致谢6 8 参考文献6 9 附录a 7 1 在学期间发表的学术论文9 6 1 1 箱型梁桥的特点及其发展状况 1 1 1 箱型梁桥的截面及受力特点 箱型截面具有良好的结构性能，因而在现代各种桥梁中得到广泛应用。在中 等、大跨预应力混凝土桥梁中都有使用箱梁。箱型截面的优点 卜4 ： 截面抗扭刚度大，结构在施工与使用过程中都有良好的稳定性； 顶板和底板都具有较大的混凝土面积，能有效地抵抗正负弯矩，并满足配 筋的要求，适应具有正负弯矩的结构，如连续梁桥等； 适应现代施工方法的要求，如悬臂施工法、顶推法等，这些施工方法要求 截面有较厚的的底板； 承重结构与传力结构相结合，使各部件共同受力，达到合理的受力效果同 时截面使用效率高，并适合预应力混凝土结构空间布置，更能收到经济上的效果； 对于宽桥，由于抗扭刚度大，跨中无需设置横隔板就能获得满意的荷载横 向分布； 适合于修建曲线桥，具有较大适应性； 能很好适应管线等公共设施布置要求。 1 1 2 箱型截面在各类桥梁上的应用 箱型截面早期应用于普通钢筋混凝土悬臂桥梁和连续梁桥，一般采用在支架 上现浇施工。近代由于预应力的发展和现代施工技术的进步，箱型截面更加广泛 应用于各种现代桥梁，而且一般采用无支架施工。箱型截面在梁桥中应用最为普 遍，据统计，在已建成的预应力混凝土桥梁中，当跨径超过6 0 m 后，除极少数多 为箱型截面。其结构形式有简支、悬臂、t 型刚构、连续梁等。 简支梁一般为预制安装，采用单箱或多箱式，公路桥梁最大跨径达7 6 m ；铁路 桥梁则采用单箱单室等高梁，跨径在4 0 m 以内。 悬臂梁桥、t 型刚构桥以及连续梁桥一般采用悬臂施工方法建造。连续梁桥也 可以采用顶推法施工。这些施工方法都充分发挥箱型截面的优越性。大跨径梁桥 多采用变高梁，其最大跨径已达3 3 0 m 。 在城市高架桥中，采用梯形单箱单室截面与单柱墩配合，具有外形简洁美观， 桥下通视良好的优点，得到广泛应用。市政匝道桥多为变宽和弯曲线形的空间箱 型截面梁桥。 在现代斜拉桥中，也广泛应用箱型截面，特别是采用单索面时，由于箱型截 2第一章绪论 面的主梁抗扭刚度大，有利于承受偏心荷载，而且也便于拉索于主梁的连接。采 用三角箱的斜拉桥具有风动性能良好的优点。 此外，在拱桥中大跨径的钢筋混凝土拱桥大多采用箱型截面。箱型截面中性 轴居中，能抵抗相等的正负弯矩，适应拱中各截面正负弯矩的变化，抗扭刚度大， 应力分布较均匀；施工稳定性好，有利于单片成拱便于无支架施工。 1 2 桥梁c a d 研究及有限元分析现状 1 2 1 国内外桥梁c a d 研究现状 国内研究现状 我国c a d 技术研究起始于6 0 年代航空行业，其他行业在8 0 年代中后期才开 始全面开展、开发与推广应用。以交通运输业为例，c a d 技术的研究曾作为国家“七 五重点项目进行联合科技攻关，研制了高等级公路c a d 系统，高等级公路桥梁 c a d 系统和港口机械c a d 系统等一系列科技成果。经过“八五重点推广，明显加 快了我国c a d 应用技术应用的步伐。以桥梁设计为例，采用c a d 技术后桥梁设计 效率提高了3 倍，可节省工程造价5 _ 1 0 ，大大缩短了工程设计周期。国内具有 代表性的c a d 软件有：桥梁c a d 系统j 1 l - h b c a d s 、城市桥梁c a d 系统、桥梁集成 c a d 系统b r c a d 、桥梁大师2 0 0 6 等等；具有代表性的分析软件有桥梁博士、c q j s 等。下面对其简单介绍下 1 - 4 ： 1 桥梁c a d 系统j r i _ 邶c a d s 由同济大学、公路规划设计院、重庆公路科学研究所等单位联合完成，国家 “七五 重点科技攻关项目成果，全名“高等级公路桥梁计算机辅助设计系统”。 该软件运行于a p o l l o 等工作站，包括大桥初步设计、中小桥施工图设计、特殊 桥型结构有限元分析三个子系统。“八五 期间继续开发桥梁c a d 系统二期工程， 含大跨度及弯坡斜桥c a d 技术、桥梁结构设计参数优化等技术等。 2 城市桥梁c a d 系统 国家“八五 重点科技攻关项目。其主要功能：城市简支梁、连续梁、连续 刚构、弯坡斜桥以及常用城市桥梁下部结构的设计、计算与图形绘制。 3 桥梁集成c a d 系统b r c a d 桥梁集成c a d 系统b r c a d ( b r i d g ei n t e g r a t e dc a ds y s t e m ) 是同济大学继 j t h b c a d 之后研制成功的新一代桥梁c a d 系统。该系统以广泛普及的p c 机为 硬件平台，以具备良好开发性能w i n d o w sn t 为系统软件平台。b r c a d 系统全 部采用c + + 语言实现，其核心部分包括桥梁专用有限元分析、桥梁专用有限元前 第一章绪论3 i 。1 。1 。1 。一 后处理、设计文档管理、图形支撑和数据库管理等在内的桥梁通用辅助设计i 具。 系统设计采用了集成化c a d 系统的设计思想，并采用了当今先进的软件开发技术， 如核心数据库技术、图形界面技术、面向图形对象技术的o b j e c t a r x 等，充分体 现了以用户为核心、界面图形化、过程可视化、数据集成化等新一代工程c a d 系 统的特点。 4 桥梁大师2 0 0 6 桥梁大师2 0 0 6 提供了桥梁设计中各设计阶段较全面的设计出图功能，出图标 准符合国家标准，风格统一，能方便地按设计院的出图习惯制定，从而能保证设 计的标准化和图纸的标准化。桥梁大师不仅实现了设计的数字化，而且实现了图 纸的数字化，与电子化的图纸相比，数字化的图纸更便于设计修改和以后的设计 查询。由于原始的设计参数都保存在图纸中，并且设计参数的修改可以导致图纸 的自动更新，这样不仅保证了图纸的标准化，还可以保证设计数据的标准化。 系统可完成桥型方案设计、布梁设计，提供了常用的下部计算如盖梁计算、 桩长计算等，可生成桥位平面图、桩位坐标表、主梁布置图、一般构造图、各构 件的钢筋构造图等。适应范围广体现在以下几方面： 1 ) 可完成常规的弯坡斜、大中小桥设计 2 ) 可用于整体式路基、分离式路基的双幅和单幅桥的设计 3 ) 左右幅路基宽度相同或不同，墩台形式相同或不同 4 ) 错墩台或半幅桥的设计 5 ) 涵盖常规的结构形式，也可以完成部分特殊要求如变截面柱式墩、高薄壁 墩等设计。 5 桥梁博士系统 桥梁博士系统是同济大学桥梁教研室利用v c + + 研制开发的基于3 2 位 w m d o w s 平台的桥梁计算分析系统。该系统的主要功能是进行钢筋混凝土、预应 力混凝土、组合梁以及钢结构的各种结构体系直线桥恒载与活载的线性与非线性 结构响应的计算，自动进行对带索结构的优化，并能够进行各种斜、弯和异型构 的恒载与活载的结构响应计算，自动进行结构的组合及截面的配筋验算等计算功 能。 国外研究现状 桥梁种类繁多、结构复杂，开发一个对各种桥型普遍适用的c a d 系统需要投 入大批富有软件开发经验的专业工程技术设计人员，投资巨大，而软件市场相对 有限。因此，目前以商品化形式出现的完整的桥梁c a d 系统较为少见，这种现象 与路线c a d 系统形成了鲜明的对比。进入九十年代以后，欧美国家才开始出现商 品化的桥梁c a d 软件。这些软件的开发商多以开发通用结构分析软件为主，其产 4 第一章绪论 品大多是仅能完成桥梁结构分析，对技术设计环节往往缺乏足够的支持，国外代 表性的软件包括 1 卅： ( ) b r i d g ed e s i g n e ri i 、b r i d g ed e s i g nm o d e l e r3 d 系统 b r i d g ed e s i g n e ri i 、b r i d g ed e s i g nm o d e l e r3 d 系统是美国交互设计系统i d s ( i n t e r a c t i v ed e s i g ns y s t e m ) 公司研制开发的集成桥梁c a d 系统。由于软件系统 设计人员和开发人员不仅熟悉先进的软件开发技术，而且具备丰富的桥梁设计经 验，所以开发的桥梁c a d 软件功能丰富、使用性强，系统进一步发展的潜力十分 巨大。i d s 公司以开发的桥梁c a d 软件有： 1 ) b r i d g ed e s i g n e ri i 桥梁设计软件包 2 ) b l o t 基于m i c r o s t a t i o n 的制图软件 3 ) i d s - - r d m s 桥梁结构关系数据库管理系统 4 ) b d m 3 d - - s e c t i o n s 桥梁界面设计模块 正在开发的下一代桥梁c a d 系列软件b d m 3 d ( b r i d g ed e s i g nm o d e l e r3 d ) ， 除了已开发的b d m 3 d - - - s e e t i o i l s 外，还包括以下内容： 1 ) b d m 3 d m o d e l e r 桥梁几何设计和三维造型模块 2 ) b d m 3 d p o s t - t e n s i o n 后张法概念设计模块 3 ) b d m 3 d s e r v i c e 使用阶段活载分析模块 4 ) b d m 3 d c a b l e s t a y 斜拉桥三维非线性分析模块l i d s r c a dc a d 系统独立 的关系型数据库 这些软件的支撑系统为具备虚拟内存机制的3 2 位图形界面操作系统。软件的 开发，特别是正在开发的b d m 3 d 系列软件，完全采用了现代软件开发技术，如 面向对象的程序设计方法，图形界面技术、对象的连接与嵌入技术、核心数据库 技术和o p e n g l 图形标准等。b r i d g ed e s i g n e ri i 是针对阶段施工的混凝土桥梁一如 混凝土连续梁和混凝土斜拉桥等研制开发的集结构分析和设计于一体的桥梁c a d 软件系统。采用核心数据库存放桥梁设计模型的全部内容，如结构几何模型、材 料的基本特征、某一部位在某一时刻的内力等，以及具备桥梁施工阶段计算功能 是b r i d g ed e s i g n e ri i 的两个突出特点。这和大多数以简单结构分析为主、以数据 文件形式存放设计模型的软件形成了鲜明的对比。该软件的主要功能包括： 1 ) 二维杆件系统的有限元分析，能够考虑大位移的影响 2 ) 施工阶段体系转换计算 3 ) 预应力钢束三维模型的建立和编辑 4 ) 混凝土收缩、徐变、预应力损失计算 5 ) 活载计算、荷载组合等 l u s a sb r i d g e 系统 研制成功的。到现在，l u s a s 已经推出了第1 2 个版本。主要包括汽车、国防、航 空、制造和机械方面的力学分析，组合构件设计，土木及结构工程设计和桥梁设 计。l u s a sb r i d g e 提供了丰富的桥梁结构分析功能，在众多的国内外商品化有限 元分析软件中，其桥梁工程设计的针对性是较强的。除了常规的线弹性分析外， l u s a s b f i d g e 主要提供了以下功能： 1 ) 施工阶段转换。 2 ) 影响线、影响面计算和加载。 3 ) 几何非线性、材料非线性、边界非线性。能够处理大位移问题、塑性问题， 具备荷载自动增量及发散后自动恢复等功能。 4 ) 地震及动力分析，强迫振动及瞬态反应，具备交互输入激励数据功能；土 壤和结构共同作用。 5 ) 提供多种单元类型和材料模型。包括板、壳、梁、预应力壳、复合材料单 元和实体单元等，材料模型包括正交异性材料。 l u s a sb r i d g e 采用了当代先进的软件开发技术和开发思想。系统可运行与p c 机和工作站两种平台，采用了直观的图形界面技术，配备了丰富的有限元前后处 理功能。 1 2 2 桥梁有限元分析的现状 桥梁实体单元精细网格划分由于计算量大，一般仅用于桥梁结构的局部分析， 如桥梁结构承台以及主梁锚固区、连续刚构桥墩梁结合部等。普通桥梁结构计算 多年来一直使用梁单元分析，极少数作全结构实体仿真分析。现有的桥梁软件大 多数采用平面梁单元或空间梁单元，前者如桥梁博士、c q j s 等，后者如韩国的 m i d a s 5 9 】。梁和杆单元在计算中无法准确模拟实体的真实扭转和弯曲，不能全 面表现横梁截面各处的应力和应变。梁单元的平截面假定与真实变形存在误差。 在箱梁分析中普通的梁单元无法模拟剪力滞现象。杆和梁单元也不能准确模拟桥 梁中广泛使用的预应力混凝土构件。随着计算机技术的发展和有限元软件性能的 提升，对桥梁进行整体实体建模和精确计算成为可能。现有的a n s y s 、a d i n a 、 a b a q u s 等有限元通用程序可以完成桥梁的精细计算。在这些通用软件中都加入 了混凝土本构模型，同时对于混凝土中加入钢筋也有了相应的处理方法。但是由 于通用软件缺乏专业性，加之部分桥梁截面的复杂多变，使得建模十分繁琐。 众多文献展示了在通用软件中进行二次开发取得的成果，如浙江大学梁柱、叶贵 如编制了a n s y s 桥梁实体模型创建前处理程序，该程序可以按输入数据生成 6第一章绪论 a n s y s 建模命令流，完成曲线梁桥实体单元模型创建。张伟民采用m a t l a b 程 序编制了创建箱梁桥结构实体有限元模型的前处理程序。程序生成的文件可直接 导入a n s y s 软件中，在a n s y s 软件中生成箱梁桥的三维8 节点实体单元模型。 1 3 钢筋混凝土有限元数值模型 钢筋混凝土是桥梁工程中广泛使用的建筑材料，对钢筋混凝土材料进行准确 的模拟是整个桥梁精确计算的重要前提。赶紧混凝土常见的处理方法有：在结 构分析时，完全无视普通钢筋对结构的影响，只在截面校核时加以考虑；分离 式模型：将钢筋划分为独立的单元，通过钢筋单元与混凝土单元共用节点，实现 两者连接。这种方法要求钢筋单元与混凝土单元共用节点，给实际结构建模带来 困难。整体式模型：通过简单的增强混凝土材料性质或截面性质模拟钢筋的作 用，两种材料简化为一种材料，这种方法太过粗略无法反映各自的性质；组合 模型：不考虑钢筋与混凝土之间的滑移，将钢筋划分为独立的单元，然后通过耦 合的方法将钢筋节点与混凝土单元建立位移关系，实现位移协调。 在现有通用软件中对上述几种方法都有一定的处理能力。如a b a q u s 有限元 软件中可以通过定义约束的方式将钢筋单元直接埋置( e m b e d d e dr e g i o n ) 于混凝 土单元，以实现刚筋与混凝土的连接n 仉1 1 3 。 许多学者针对钢筋混凝土问题的模拟依然在进行深入的研究。文献【1 1 】提出了 一种较新颖的加筋结构有限元模拟方法一非节点连接有限元理论。这种方法建 模时刚筋与混凝土单元无须有共用节点，通过自动寻找和设置内节点的方法，实 现钢筋与混凝土的连接口纠钔。 1 4a b a o u sc a e 及a u t o ( 3 a d 联合二次开发的背景和意义 从整体上来看，我国c a d 技术开发和应用水平总体上与发达国家相比仍存在 较大差距。目前，国内外机械、电子和航空等行业c a d 技术开发与应用水平要显 著高于其他行业。土木工程，特别是桥梁结构工程领域c a d 技术开发与应用水平 处于比较落后的局面。由于涉及到社会、科学、经济和文化等多领域多学科问题， 进一步加深和拓展计算机在整个桥梁工程设计、施工和管理过程中的深度和广度， 存在一定的困难。我国虽然经过“七五 国家重点科技攻关和“八五 新技术的 推广，取得了一系列的成果，但计算机在我国桥梁工程设计中的应用仅处于计算 机工程制图代替手工制图及计算机结构分析水平上。设计分析模型的建立仍需要 工程师借助自己的经验知识手工输入。设计模型的最终表达，即施工图的绘制， 第一章绪论7 也需要设计者机械地通过计算机图形系统手工绘出。这和机械制造业等行业已经 完全实现设计、分析、生成、管理一体化的c 觥a m c a e 相差甚远。这也意味 着c a d 技术开发与应用的发展潜力是十分巨大的。加快桥梁工程领域计算机技术 应用研究和开发的步伐，加深和拓展c a d 技术在桥梁设计、施工、管理过程中应 用的深度和广度，已经成为新世纪大力发展交通运输事业所面临的严峻挑战。机 遇与挑战并存，我们同时也面l 临大力发展桥梁c a d 的大好机遇。一方面，蓬勃发 展的我国交通事业为桥梁c a d 技术的深入研究提供了主战场；另一方面，计算机 软、硬件技术的迅猛发展，包括高性能p c 的普及和工程c a d 所依赖的软件技术 的发展与成熟。这些为新一代桥梁c a d 系统的研究理论和技术上提供了有力的保 障。 由于桥梁种类繁多、结构复杂，开发一个对各种桥型普遍适用的c a d 系统需 要投入大批富有软件开发经验的专业工程技术设计人员，投资巨大，而软件市场 相对有限。因此，目前以商品化形式出现的完整的桥梁c a d 系统较为少见，这种 现象与路线c a d 系统形成了鲜明的对比。但是要实现桥梁结构计算分析和工程图 绘制一体化并非很难，基本的绘图软件跟通用分析软件已经发展的比较成熟了， 并且他们都提供有二次开发的平台，既然商业化的对各种桥型都适用的分析绘图 一体化的软件发展困难，我们可以根据自己的经验利用基本通用软件的二次开发 进行自主开发。这样既能有利于我们对自己所做桥梁结构的深刻理解，减少我们 做重复机械劳动的情况，又能通过本行业的交流实现加快桥梁结构设计、分析、 绘图一体化的进程。当然这与工程师的经验有关，本人经验不足只做过箱梁桥， 就以箱梁桥为例，目的在于阐述一种设计思想介绍一种方法，希望能对各位同行 起到抛砖引玉的作用。 1 5 本文的研究内容 在我国修建的市政桥梁中，截面多用箱梁结构且形式多样，横截面有单室和 多室、直腹板和斜腹板；纵向变化有等宽和变宽、等梁高和变梁高以及直线桥和 曲线桥。如果进行结构精细分析和施工图绘制会有一定工作量，因为目前没有特 别成熟的桥梁结构精细分析软件和桥梁专业绘图软件，所以也会有很多机械重复 劳动。本文以开发能实现箱梁桥参数化建模和绘制工程图一体化的目的为主要内 容：一、使用通用有限元软件a b a q u s 作为分析工具，通过p y t h o n 语言在 a b a q u s c a e 平台上编制箱型梁桥建模的前处理程序；二、使用通用绘图软件 a u t o c a d 作为绘图工具，通过l i s p 语言编制箱型桥的绘图程序；统一两者的数据 输入格式，实现箱型桥的参数化建模和参数化绘图一体化。论文涉及一下研究内 8 第一章绪论 容： 箱型梁混凝土构件参数化建模及绘制一般构造图插件制作 箱型梁普通钢筋参数化建模及其工程图绘制插件制作 箱型梁预应力钢束工程图绘制插件制作 论文以箱型梁参数化建模及绘图插件的开发为主线，拟以为做桥梁精细化分 析和绘图一体化研究的同行提供一些有益的参考。 程序使用流程： 语言及a u t o c a d 与l i s p 语言 9 2 1 软件介绍 语言及a u t o c a d 与l i s p 语言 2 1 1a b a o u s 软件介绍 有限元分析是计算机模拟辅助设计的基本组成部分。a b a q u s 是一套功能强 大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复 杂的非线性问题。a b a q u s 包括一个丰富的、可模拟人以几何形状的单元库。并 拥有各种类型的材料模型库，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，a b a q u s 除了能解决大量结构( 应力位移) 问题，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( 流体渗透应力耦合分析) 及压电介质分析n 引。 a b a q u s 为用户提供了广泛的功能，且使用起来又非常简单。大量的复杂问 题可以通过选项快的不同组合很容易的模拟出来。例如，对于复杂多构件问题的 模拟是通过把定义每一构件的几何尺寸的选项块与相应的材料性质选项块结合起 来。在大部分模拟中，甚至高度非线性问题，用户只需要提供一些工程数据，像 结构的几何形状、材料性质、边界条件及荷载工况。在一个非线性分析中，a b a q u s 能自动选择相应载荷增量和收敛限度。它不仅能选择合适参数，而且能连续调节 参数以保证在分析过程中有效的得到精确解。用户通过准确的定义参数就能很好 的控制数值计算结果n 引。 a b a q u s 有两个主要的分析模块组成：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 是一个通用分析模块，它能够求解领域广泛的线形和非线 性问题，包括静力、动力、热和电问题的响应等。 a b a q u s e x p l i c i t 适用于特殊目的的分析模块，他采用显式动力有限元列式， 适用于像冲击和爆炸这类短暂、瞬时的动态事件，对加工形成过程中改变接触条 件的这类高度非线性问题也非常有效。 而a b a q u s c a e ( c o m p l e t ea b a q u se n v i r o n m e n t ) 是a b a q u s 的交互式图 形环境，用它可方便而快捷的构造模型，只需生成或输入要分析结构的几何形状， 并把它分解为便于网格化的若干区域。并对几何体赋予物理和材料特性、荷载以 及边界条件。 a b a q u s 被广泛的认为是功能最强的有限元软件，可以分析复杂的固体力学 1 0 第二章a b a q u s 与p y t h o n 语言及a u t o c a d 与l i s p 语言 结构力学系统，特别是能够驾奴非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题。 a b a q u s 不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析，同时还可以做系统级的 分析和研究。a b a q u s 的系统级分析的特点相对于其他的分析软件来说是独一无 二的。由于a b a q u s 优秀的分析能力和模拟复杂系统的可靠性使得a b a q u s 被 各国的工业和研究中所广泛的采用。a b a q u s 产品在大量的高科技产品研究中都 发挥着巨大作用u 6 1 。 2 1 2g a d 技术概述 c a d 的全称c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ，即计算机辅助设计，是指以计算机为主 要工具和技术手段进行产品或工程设计。也就是利用计算机系统来辅助设计者生 产、修改、分析、优化和检验设计。它特别适用于承担设计过程中机械繁琐的事 务，使设计人员将更多精力用于创造性思维，使劳动密集型产业逐步被技术密集 型产业所代替。c a d 所承担设计任务的范围和处理设计事务的复杂程度将随着计 算机硬件性能和软件水平的发展而不断发展得到提高。c a d 技术是最近三十年来 迅速发展起来的一门新兴的计算机综合应用技术，它涉及到计算机科学、计算数 学、计算几何、计算机图形学、数据结构、数据库、软件工程、仿真技术、人工 智能等专业应用的多学科多领域的新兴学科。c a d 技术具有高智力、知识密集、 更新速度快、综合性强、投入大和效益大等优点，是国际上科技领域的前沿课题。 c a d 技术在发达国家已广泛应用于机械、电子、航空、汽车、船舶和土木工程等 各个领域，成为改善产品质量与工程水平、降低成本、缩短工程建设周期和解放 生产力的重要手段。迄今为止，c a d 技术是计算机应用领域最活跃、应用范围最 广的技术。c a d 技术己成为一个推动各行业技术进步的、能创造大量财富的、具 有相当规模的新兴产业部门软件产业，c a d 技术的开发与应用水平正逐渐成 为衡量一个国家科技现代化与工业现代化程度的重要标志之一聆1 。 2 2 二次开发语言 2 2 1p y t h o n 语言 p y t h o n 是一种容易学习且功能强大的面向对象程序语言，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。p y t h o n 含有高效率的数据结构， 是一种语法简单但编程效果非常好的语言。p y t h o n 优雅的语法及动态类型识别， 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n 7 。2 “： 面向对象。面向对象设计为结构化和过程化程序设计语言增添了新的活力， 及a u t o c a d 与l i s p 语言 1 1 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。对象是在编程语言部分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增减代码，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目向广度和深度发展 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。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，或者是连接p y t h o n 到二进制的程序库。 也可以把p y t h o n 的解释器嵌入到用c 语言编写的应用程序里面去，然后p y t h o n 就变成应用程序的扩展或者商业化接口语言了。 可移植性。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 0 2 0 0 0 n 脚、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 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。与一般语言相比，p y t h o n 的优势