（机械设计及理论专业论文）门机参数化有限元分析系统的开发.pdf

摘要 摘要 门式启闭机是水电站的重要组成部分，传统的门式启闭机门架结构的设计存在着设计 任务繁重，设计效率低下的缺点。将有限元法应用于门架的设计过程，可以大大减少设 计工作量，提高设计的效率。 本文应用大型通用有限元分析软件a n s y s 的参数化设计语言a p d l 和面向对象的 编程语言v i s u a lc + + 联合开发门式启闭机门架结构的参数化有限元分析系统。该系统适 用于结构相似、启闭力较大、结构比较复杂的门机的门架结构。该系统共包括四个部分： 用户界面模块、a n s y s 计算模块、v c 调用接口模块和后处理模块。用v c 的对话框编程来 编制用户界面模块，用a n s y s 的参数化设计语言a p d l 编写a n s y s 计算模块，并通过v c 调用接口模块，将v c 与a p d l 编写的命令流嵌套起来：用v c 将a p d l 命令流写入指定的 文本文件中，并提取对话框控件中的数据赋给a p d l 中的数据变量，然后通过批处理方式 启动a n s y s 调用a p d l 命令流进行建模、网格划分、载荷施加以及计算等有限元分析过程， 计算完毕之后就可以通过后处理模块对结果进行查看处理。 在该系统的开发中，选取了四种工况下的载荷组合对门架结构进行有限元分析。通 过将该系统应用于某工程实例，并将该实例的理论计算门架静刚度值与有限元分析值进 行比较，验证了该系统的可行性和计算结果的可参考性。 关键词：门架结构，v c ，a f d l ，参数化有限元分析 河海大学工学硕士论文 门机参数化有限元分析系统的开发 a b s t r a c t h y d r a u l i cg a t eh o i s ti st h ei m p o r t a n te q m p m e n ti nw a t e rp o w e rs t a t i o n , t h et r a d i t i o n a l d e s i g no fh y d r a u l i cg a t eh o i s ts t r u c t u r ei sv e r yt o u g ha n dt i m e - c o n s u m i n g a p p l y i n gt h e f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h o dt ot h ed e s i g no fh y d r a u l i cg a t eh o i s ts t r u c t u r ew i l lf u r t h e s t s h o r t e nt h ep e r i o do f d e s i g n ，a n di m p r o v ee f f i c i e n c y b a s e do na p d lo ft h ec u r r e n tf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y sa n dt h eo b j e c t - o r i e m e dp r o g r a m m i n gl a n g u a g ev i s u a lc + 十t h ep a r a m e t e r i z e df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s s y s t e mo fh y d r a u l i cg a t eh o i s ts t r u c t u r ei sd e v e l o p e d t h i ss y s t e mi sa p p l i c a b l et ot h el a r g e s c a l es i m i l a rh y d r a u l i cg a t eh o i s ts t r u c t u r e t h e ma r ef o u rm a j o rp a r t so f t h i ss y s t e m ：t h eu s e r i n t e r f a c ep a r t ，a n s y sa n a l y s i sp a r t , v ci n t e r f a c ep a r ta n dt h ep o s tp r o c e s s o rp a r t u s i n g d i a l o g n eb o xp r o g r a m m i n go fv ct om a k eu s e rf a c e ，u s i n ga p d lt or e a l i z et h ea n s y s p a r a m e t e r i z e df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sp r o c e s s ，t h e nt h ea p d lo r d e ra n dv cc o d e ：w r i t i n g a p d lo r d e rt oa p p o i n t e dt e x tf i l e t h e nr u na n s y s t h r o u g hb a t c hf i l et oc a l la p d lo r d e ra n d r e a l i z et h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s w h e ns o l v i n gi se n d e d u s e rc a nc l 圮c ka n dd e a lw i t ht h e r e s u l tt h r o u g ht h ep o s tp r o c e s s o rp a r t i nt h i ss y s t e m ，f o u rf o r c e sc o m b i n a t i o ni nf o u rw o r k i n gc o n d i t i o n sa r ec h o s e nt oa n a l y z e t h eh y d r a u l i cg a t eh o i s ts 劬c t u r e n ef e a s i b i l i t ya n dt h ec r e d i b i l i t yo f t h i ss y s t e ma r ep r o v e d b yu s i n gt h i ss y s t e mt oac a s ea n dc o m p a r i n gt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sr e s t sa n dt h e t h e o r e t i c a lr e s u l t so f t h ee a s e k e yw o r d ：h y d r a u l i cg a t eh o i s ts t r u c t u r e ，v c ，a p d l ，p a r a m e t e r i z e df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，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。与我一同工作的 同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：墨叁亟2 0 0 6 年3 月2 7e t 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：丝丛2 0 0 6 年3 月2 7 日 笺二里堕堡 1 1 课题提出的背景及意义 第一章绪论 1 1 1 国内外门式启闭机的研究现状 随着国民经济的飞速发展，各种大大小小的水电站不断兴建。闸门启闭机( 以下简 称门机或者启闭机) 是水电站的重要设施，也是典型的非标准设备。由于每个水电站的 具体情况不同，对门机的要求也就小同，凼此每个新建水电站的启闭机都需要设计，设 计任务繁重。另一方面，随着工程管理同国际接轨和招标机制的实行，要求在较短的时 间内拿出设计方案，同时，由于门机是水电站的后期工程，有时资金到位比较晚，使得 设计周期非常短，有时甚至要求在几周内或者几天内完成设计。而实际上，门机的结构 形式基本上已经是很成熟的设计，每个水电站只需要根据实际超吊重量的不同，对门架 的结构形式进行相应的调整，而不需要进行反复设计，造成资源和人力的浪费。因此， 如何提高门架结构的设计效率成为门机设计过程中的个重要问题。对于门架结构的设 计计算，传统设计方法是将门架空间结构拆分成平面结构进行力学分析“，工作量消耗比 较大。 随着讨算机科技的飞速发展，计算机辅助设计( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n 即c a d ) ， 计算机辅助制造( c o m p u t e r - a i d e dm a n u f a c t u r i n g 即c a m ) 以及计算机辅助工程 ( c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g 即c a e ) 都随着计算机技术的发展取得了很大的进步， 这些技术在结构设计中的应用也越来越广泛。 计算机辅助设计( c a d ) 技术是从五十年代开始，随着计算机技术及外围设备的发展 而形成的一门新技术。计算机辅助工程( c a e ) 的发展比计算机辅助设计要晚。计算机辅 助工程技术中应用最广泛的是有限元法，可以说c a e 技术是随着有限元法的日益完善而 走向成熟的。有限元法自从2 0 世纪中叶在电予计算机领域诞生后，已经成为计算数学、 计算力学和计算工程科学领域里的最有效的计算方法。经过4 0 多年的发展，已经开发了 一批有效的通用和专用有限元软件，著名的一些有a n s y s 、i d e a s 、p a t r a n 、s a p 等。 现在的c a e 技术主要应用这些软件进行工程计算，并且已经在机械、水工、桥梁、 宇航、气象等很多领域解决了很多工程难题。工程机械结构的设计同样离不开c a e 技术， 因为使用c a e 技术进行结构设计可以缩短设计和分析的循环周期，增加产晶和工程的可 靠性，在产晶制造施工前预先发现潜在的问题，模拟各种试验方案，减少试验时间和经 费，进行机械事故分析，查找事故原凶，大大提高分析的准确性和效率”1 。 在众多可用的c a e 软件中，a n s y s 是最为通用的商业软件之一。a n s y s 从7 0 年代至 今，经过近3 0 年的发展，已经成为能够紧跟讨算机硬、软件发展的最新水平、功能丰富、 用户界面友好、前后处理功能和图形功能完备的、使用高效的有限元软件系统。 用户界面友好、前后处理功能和图形功能完备的、使用高效的有限元软件系统。 河海大学工学硕士论文 f - l , 拶t 参数化有限元分析系统的开芨 c a d c a e 技术在工程机械结构设计中已得到了广泛的应用，将c a d c a e 技术用于门 机的设计过程，可以从很大程度上解决设计精度和效率的问题。 从目前国内外门机的的研究状况来看，主要有以下几个方面的应用： 1 对门机的运行或者驱动系统等进行研究，采用新的控制技术； 这一方面国内外大部分的研究都是针对门机的控制系统，采用新技术，减少门机运 行时载荷的偏摆，如美国的0 c o n n o r 和w i l l i a m j 提出用一种可以学习记忆的控制器 来用于起重机的控制”。；a o u s t i n ，y a n n i c k 等提出通过反馈系统和小车位置速率信息等 来控制小车运行时的摆动“1 ，另外还有一些人针对控制系统或者是针对门机的电气装置 等的改进做了很多的工作，如美国的a l o u a n i ，a 1 it 等设计了一种系统性的模糊逻辑 控制器用于控制起重机起吊载荷的定位和偏摆5 1 ，希腊的a l b e r t o s ，p e d r o 等将一种具 有学习能力的控制结构用于控制起重机的载荷摆动“1 ，韩国的c h o i ，s u 等将一种具有 两个自由度的神经网络进程标志符控制器用于起重机的振动和小车定位的控制“1 ，我国 的国家电力公司郑州机械设计研究所施工机械处的王继东等将变频调速器用于起重机的 电气控制中，从而减少了起重机在起制动时的冲击”1 。 2 事故分析； 这一部分的研究是针对起重机金属结构或者运行过程出现的一些破坏形式和事故 等，分析原因，提出改进措施。如天津铁路分局装卸公司的金卫东对他们装卸公司门机 钢结构的腐蚀的形态和原因进行研究，并提出了解决方案0 1 ：中国核工业集团公司的郑 敬东对其公司门机运行过程中发生的几起事故进行分析，并提出应采取的防范措施“”：武 汉理工大学的王长琼，孙国正开发了智能化的金属结构诊断及维修决策系统“”；南京工 程兵工程学院的杨小强等开发了一种基于单片机的减速器磨损故障的在线监测系统，对 起重机在运行中的磨损进行监测和预报m 1 ；上海铁路建设集团公司的夏建新对某公司门 机大车轮轴断裂的原因进行研究，并为以后的设计提供参考依据等o ”。 3 运用有限元分析技术对门机门架整体结构进行分析计算，或者某一局部结构，如主梁 等进行优化设计； 这一部分的研究中，基本都是对具体的工程实例，在设计的过程中使用有限元法， 进行分析计算，以及对结构进行优化设计。如武汉科技大学的阳云华，金光振将有限元 法用于桥式起重机的分析计算，参考计算结果提出设计改进方案“；同样是武汉科技大 学的龙靖宇，吴小珍利用a n s y s 的参数化设计语言a p d l ( a n s y sp a r a m e t r i cd e s i g n l a n g u a g e ) 实现了门机偏轨箱形主梁的参数化建模，从而减少了在门机主梁有限元分析计 算中重复建模所耗费的工作量“；武汉理工大学的马国栋、刘刚利用v c 和a p d l 开发了 龙门起重机门架结构的参数化有限元分析系统“”以及重庆大学的谢志清和中国第二重型 机械集团公司的洪盛荣等利用有限元分析软件s u p e rs a p 开发了门机门架结构的参数化 有限元分析系统“，两者对本文都具有很大的启示性。另外，还有一些设计者利用有限 元法的优化设计功能对结构整体或者局部进行优化设计，改善结构特性。如长安大学的 曹玉泉以5 l o t a 字型门式起重机为研究对象，进行整体优化设计，建立起了具有高度 2 第一章绪论 整机性能指标的优化设计数学模型，为门机的整机优化设计具有一定的指导意义“；太 原重型机械学院的徐格宁等运用离散优化的方法，研制了桁架门式起重机系列优化设计 计算软件“；长江水利委员会设计院的史兵及武汉大学的曾又林等利用最优化方法对液 压启闭机的布置进行优化设计，提出了液压启闭机布置的优化数学模型，对进一步提高 设计水平具有很好的参考价值。还有很多关于这方面的研究，就不一一列出了。 4 开发门架结构设计计算系统或绘图软件； 在这一方面的研究中，主要是利用a u t o c a ) 的二次开发工具或者是v b 、v c 等常用的 设计语言，开发一些通用的门式启闭机的设计软件或者是自动绘图系统。典型的如太原 重型机械学院的陶元芳教授等用v c 开发的参数绘图类库”“，武汉大学的袁泽虎教授结合 a u t o c a d 开发工具开发的水工闸门启闭机智能化c a d 系统3 ，华北水利水电学院的屈福 政，韩凌利用c 什l i s p 开发的小型闸门启闭机的设计软件o “，以及武汉理工大学的陈力 结合实例推理、a n s y s 二次开发参数化设计语言a p d l 和面向对象程序设计技术提出的设 计一种可以设计、计算、绘图体的智能化模板的概念。”，并将其应用于龙门起重机的 设计过程等，另外还有很多利用a u t o c a d 工具开发的一些绘图系统，这里就不一一详列 ”“。可以说在开发启闭机设计计算系统方面已经有很多人进行了多方面的侧重不同的 探索。 1 1 2a n s y s 二次开发的研究状况 前面已经介绍过a n s y s 是目前国内外应用最广泛的有限元分析软件，它本身也提供 了二次开发的语言和接口：a p d l 参数化设计语言，u i d l ( u s e r i n t e r f a c ed e s i g n l a n g u a g e ) 用户界面设计语言，u p f s ( u s e rp r o g r a m m a b l ef e a t u r e ) 用户可编程特色接口 和a n s y s 数据接口。 由于a n s y s 是大型通用有限元分析计算软件，要熟悉使用它，就必须具备一定的数 学、力学和有限元知识，而且还要具备深厚的工程实际经验，比如具体的问题如何简化 成合理的实体模型，然后如何把实体模型转化成合理的有限元模型。因此，a n s y s 的应 用目前还只限于它的一般应用，即建模一求解一后处理的过程。而对a n s y s 的二次开发， 目前还处于起步阶段，其开发原理、方法、内部机制和编程规则仍需傲很多具体的研究 工作。 国内这方面的工作还刚刚开始，针对具体工程问题，a n s y s 二次开发还处于探索阶 段，这一方面的研究也主要由一些高校和研究所来进行。尽管只是起步阶段，但是也取 得了一定的研究成果，这在a n s y s 的2 0 0 0 年年会上得到集中体现。这些研究和开发工作 大致分为两类：一是为解决专门的实际问题而开发的专用模块，这些模块已经用于了土 木基础问题乜8 1 ，水利工程的波浪问题。”，机械结构的整体设计技术啪1 ，机械设计优化1 等。这些专用模块的开发充分利用了a n s y s 提供的二次开发技术，特别是参数化建模技 术。由于这些模块的开发是为了解决工程实际问题，所以在用户界面上做的不是很完善。 3 河海大学工学硕十论文门机参数化有限元分析系统的开发 另一类研究和开发工作主要是针对商业化的模块，这些商业化的模块不仅能解决专门领 域的实际问题，而且用户操作界面做的比较完善，如应用于机车柴油机铸造成型的专用 模块。“，以及压力容器自动化分析软件c p v - a n s y s 。3 3 等都是应用a n s y s 二次开发做的一 些商业化的模块。因此，应用a n s y s 的二次开发技术具有很重要的技术价值和广阔的市 场前景。 1 1 3 课题提出的意义 在总结了国内外门机方面的研究状况后，可以发现在门架结构设计这一方面，虽然 很多人都进行了探索，但是大部分探索都侧重于绘图系统的开发。在门架结构的计算方 面，虽然有一些人进行了开发通用计算软件的探索，但要么以结构比较简单的龙门起重 机门架作为对象，要么虽然对门式启闭机门架计算进行了探索，但是通用性比较差。因 此作者在阅读了大量文献之后，结合目前国内外在a n s y s 二次开发研究方面的经验，提 出了开发一种通用性比较好的、适合于大吨位扁闭力的、结构比较复杂的门机门架结构 的计算分析系统的设想。 只要这种设想可以实现，就可以为设计者提供设计依据，解决很多水电站门机门架 结构的计算效率问题。 1 2 开发门架结构参数化有限元分析系统的方法 系统要实现的目标是： 首先，从易用性方面考虑，该系统应具有良好的用户界面。系统的前台设计要采用 w i n d o w s 提供的标准图形用户界愿，用户不需要接受专门训练就可以使用： 第二，在功能上，允许用户输入计算所需要的各种参数，可以进行工况选择，用户 通过界面调用后台的程序进行计算后，能够得到最后的计算结果文件，供用户进行后处 理和结果分析； 第三，从通用性考虑，要在各种计算机系统中都可以使用，且程序代码具有开放性 和可重用性，这样，在进一步的设计中，可以允许设计者对代码进行修改和扩充，满足 不同的需要。 基于上述三种考虑，选用v c + + 和a n s y s 作为系统的开发工具。 前面已经介绍过a n s y s 是目前最通用的有限元分析软件，其强大的功能完全可以满 足本系统分析计算的需要。并且它提供的二次开发语言a p d l ( a n s y sp a r a m e t r i ed e s i g n l a n g u a g e ) 可以将a n s y s 封装起来。参数化设计语言a p d l 是一种高效的参数化建模手 段，使用a p d l 语言进行封装以后的a n s y s 系统，可以只要求操作人员输入前处理参数， 然后自动运行a n s y s 进行计算求解。 但完全使用a p d l 编写的宏还存在弱点，比如用a p d l 语言较难控制程序的进程，虽 薯 第一章绪论 然它提供了循环语句和条件判断语句，但总的来说还是难以用来编写结构清晰的程序， 虽然它提供了参数的界面输入，但功能还不是太强，交互性不够流畅，而v c 十十可以弥补 这种缺陷。目前也有很多人在尝试用v c + + 与a n s y s 结合起来开发通用的有限元分析系统， 因此本文采用a n s y s 的参数化设计语言a p d l 与v c + + 结合起来进行开发：用v c + + 开发前 台界面，后台用a p d l 语言编写有限元分析程序，并将两者嵌套起来，通过v c + + 创建进 程，调用a n s y s 以批处理方式后台运行a p d l 编写的宏命令文件，来实现前处理有限元建 模和求解分析的过程。 1 2 1a n s y s 二次开发技术 由于使用a n s y s 解决的问题是具有复杂的科学和工程背景的难题，而且a n s y s 又是 一个知识和智慧密集的复杂高科技产品，它对用户的力学知识和有限元理论知识有较高 的要求，所以对a n s y s 进行二次开发是很有意义的。前面介绍过，a n s y s 提供的二次开 发接口和语言主要由参数化设计语言a p d l ，用户界面设计与语言u i d l ( u s e ri n t e r f a c e d e s i g nl a n g u a g e ) ，用户程序特性u p f s ( u s e rp r o g r a mf e a t u r e s ) 和a n s y s 数据接口 四部分组成。本文在系统开发中使用了a n s y s 的参数化设计语言a p d l ，这里就对a n s y s 的二次开发工具做一个简单的介绍。 1 2 1 1 参数化技术和参数化设计语言a p d l 随着现代化工业的高速发展，产品的功能、结构的日趋复杂，新产品更新换代周期 的不断缩短，设计在产品的整个生命周期中占据了越来越重要的地位。因此随着c a d c a e 软件的进一步发展，为了将设计师们从反复的设计工作中解放出来，提高设计的效率和 质量，一个最好的办法就是实现产品设计的参数化。一般来说，参数化设计是指通过改 动模型某一部分或几部分的尺寸，自动完成模型中其它相关部分的改动，从而实现尺寸 对模型的驱动。 a n s y s 作为功能强大的通用有限元分析软件，也提供了它自身的参数化设计语言 a p d l 。a p d l 实质上是由类似于f o r t r a n 7 7 的程序设计语言部分和1 0 0 0 多条a n s y s 命令 组成。 其中，程序设计语言部分与其它编程语言一样，具有参数、数组表达式、函数、流 程控制( 循环与分支) 、重复执行命令、缩写、宏以及用户程序等。a p d l 不仅是设计优 化和自适应网格划分等经典特性的实现基础，而且它也为日常分析提供了很多的便利“3 。 标准的a n s y s 程序运行是由1 0 0 0 多条命令驱动的。从a n s y s 命令的功能上讲，a p d l 语言分别对应a n s y s 分析过程中的定义几何模型、划分单元网格、材料定义、添加载荷 和边界条件、控制和执行求解以及后处理计算结果等指令。用户可以利用a p d l 语言将 a n s y s 命令组织起来，编写出参数化的用户程序，从而实现有限元分析的全过程，即建 立参数化的c a d 模型、参数化的网格划分与控制、参数化的材料定义、参数化的载荷和 边界条件定义、参数化的分析控制和求解以及参数化的后处理。 5 i 1 1 f 海大学工学硕士论文 门机参数化有限，c 分析系统的开发 另外，还可以用a p d l 语言编写宏。宏是具有某种特殊功能的命令组合，实质上是 参数化的用户小程序，可以当作a n s y s 的命令处理。如果把宏编写成一个便于记忆和比 较通用的宏，还可以在a n s y s 的工具条上当作命令来使用。 利用a p d l 语言进行编程和调试都比较容易。随便打开一种文本编辑器，如写字板， 记事本等，用户就可以直接进行参数化命令流的编写。对于不熟悉a p d l 语言的用户，也 可以采取从日志文件中提取命令流的方式进行a p d l 编程。因为一般利用g u i 方式进行有 限元分析时，a n s y s 会自动将每一步g u i 操作对应的命令流记录在l o g 文件里。用户可 以用文本编辑器打开l o g 文件，然后提取有用的a p d l 命令流。一般在编程的过程中，可 以将两者结合起来。 1 2 1 2 用户界面设计语言u l d l u i d l ( u s e ri n t e r f a c ed e s i g nl a u g u a g e ) 是编写或改造a n s y s 图形界面的专用设 计语言，g u i 方面几乎全部的二次开发功能都依靠它来完成。它主要完成以下三种图形 界面的设计：主菜单系统、菜单项对话框和拾取对话框帮助系统。 u i d l 主要具有以下的功能： 具有组织强大的菜单系统，即使在a n s y s 中也能做成可以和v c ，v b 之类主流g u i 开发工具媲美的菜单响应效果； 能够构建功能丰富的对话框； 建立自己的联机帮助： 通过用户界面设计语言( u i d l ) ，用户可以在扩充a n s y s 功能的同时建立起对应的图 形驱动界面，如在主菜单的某位置增加菜单项，设计对应的对话框、拾取对话框，实现 参数的输入和其它程序运行的控制，同时提供相应的联机帮助，使操作者能方便地获取 系统帮助等。 1 2 1 3 用户程序特性u p f s 用户程序特性( u p f s ) 向用户提供丰富的f o r t r a n 7 7 用户程序开发的子程序和函数， 用户利用它们从开发程序源代码的级别上扩充a n s y s 的功能。使用这些子程序和函数， 编写用户功能的源代码程序，在与a n s y s 版本要求匹配的f o r t r a n 或c + 十编译器上重新 编译和连接，生成用户版本的a n s y s 程序。另外，还提供了外部命令功能，允许用户创 建a n s y s 可以利用的共享库。 用户可以开发下列方面的功能程序： 开发用户子程序，实现从a n s y s 数据库中提取数据或将数据写入a n s y s 数据库。该 种子程序可以编译连接到a n s y s 中，此时a n s y s 提供了l o 个数据库操作命令。 如果作为外部命令处理，可以在a n s y s 的任何模块中运行；利用a n s y s 提供的子程 序定义各种类型的载荷，其中包括b f 或b f e 载荷、压力载荷、对流载荷、热通量和电荷 密度等；利用a n s y s 提供的子程序定义各种材料特性，包括塑性、蠕变、膨胀、粘塑性、 超弹、层单元失效准则等；利用a n s y s 提供的子程序定义新单元和调整节点方向矩阵； 利用a n s y s 提供的子程序修改或控制a n s y s 单元库中的单元；利用u e r o p 创建用户优化 第一章绪论 程序； a n s y s 程序作为予程序在用户程序中调用。 1 2 1 4a n s y s 数据接口 a n s y g 程序在分析过程中存在大量的设计分析数据，一部分在运行时置于计算机的 内存之中，一部分以文件的形式存放在工作目录中。除l o g 文件和出错文件等文本文件 之外，其它文件都是二进制文件，分别以不同的格式进行写入，如：数据库文件、结果 文件、模态结果文件、单元矩阵文件、子结构矩阵文件、对角化刚度矩阵文件、缩减位 移矩阵文件、缩减频率矩阵文件和完整的刚度一质量矩阵文件等等。 a n s y s 数据接口详细地阐述每种二进制文件的格式，然后介绍从这些数据文件提取 各种数据的子程序或函数，从而实现对二进制数据的读写和修改。它满足了用户以下三 种基本需要：检查或观察过程数据或结果数据；通过修改a n s y s 的数据文件达到控制或 修正计算；提取结果数据进行分析处理。 a n s y s 数据接口提供了两条模型和数据库信息的转换和传递命令，即c d r e a d 和 c d w r i t e ，前者将一个符合a n s y s 读入或写出格式的模型和数据库文件信息读入到a n s y s 数据库中，后者的作用正好相反。 a n s y s 数据接口还阐述了图形文件的格式，帮助用户将a n s y s 图形文件转换成其它 格式。 1 2 2 面向对象编程技术 1 2 2 1 面向对象方法 面向对象方法是2 0 世纪9 0 年代计算机研究领域中广泛应用的技术，它既是一种软 件开发方法，也可以作为一种建立系统的基础结构。 采用面向对象的分析和设计方法，可以将一个问题分解成若干小问题，每个小问题 又可以分解成更小的问题。而每个小问题都是一个独立的模块，并且具有一个清晰的抽 象界面，它只说明做什么，不必说明如何去做。这种基于数据抽象的模块，又可以引入 继承性、多态性等机制产生新的模块，最后再使用动态链接技术将这些模块组装成大型 的程序o “。 1 2 2 2 面向对象程序设计 面向对象程序设计( o b j e c t - - o r i e n t e dp r o g r a m m i n g ，简称o o p ) 是以对象为中心的 程序设计方法，它包括对象、类、继承、消息几个基本概念o ”。 在面向对象的程序中，程序= 对象+ 消息传递，对象是组成程序的基本单位，我 们可以通过向对象发送消息的方式来驱动对象的行为，每个对象根据所收到消息的性质 来选择所需要采取的行为，以响应这个消息。面向对象的程序设计还具有封装、继承和 多态三个重要特性。 1 2 2 3 面向对象程序设计语言v o 面向对象程序设计的实质是要选用一种面向对象的设计语言，采用面向对象的方法 7 河海大学工学硕士论文 门机参数化有限元分析系统的开发 进行程序设计。v i s u a lc + + 6 0 是m i c r o s o f t 公司最新推出的面向对象的程序开发工具， 它在计算机领域中被公认为最优秀的专业化应用开发工具之一。v i s u a lc + + 作为一个集 成开发工具，为编程工作者提供了程序框架代码自动生成和可视化的资源编辑功能，从 而使编程工作变得更为简单。m i c r o s o f t 为v i s u a lc + 十提供了强大的基本类库m f c ( m i c r o s o f tf u n d a t i o nc l a s s e s ) ，它包含了很多微软公司已经定义好的程序开发过程 中最常用到的对象。可以说v i s u mc + + 在引入了m f c 以后，便使w i n d o w s 程序设计彻底 实现了模板化，从而大大降低了程序设计的复杂性c ”。 1 3 本文研究的主要内容 本文在系统开发的过程中，主要将整个系统分成四个模块：用户界面模块、a n s y s 计算模块、v c 调用接口模块和后处理模块，因此本文研究的主要内容就是这四个模块的 实现。如图卜l 为整个系统的一个框架图。 图卜i 系统框架图 用户界面模块用v c 编制输入参数对话框，同时起到一个向导的作用，使设计者在对 话框的指引下输入需要的参数，按一定的顺序完成有限元分析和后处理。 a n s y s 计算模块由a p d l 语言编写，完全实现有限元建模、求解和后处理的参数化， 并按照需要将不同的功能部分保存成不同的模块。 v c 调用模块在本系统中起着接受用户界面输入、创建进程调用a n s y s 进行计算的重 要作用。因此在v c 调用模块中主要有两方面的工作需要做：一是要使接口程序可以修改 a n s y s 命令流文件的保存路径和文件名称，二是要能够在接口程序中实现a n s y s 以批处 理方式运行。 最后一个模块为后处理模块，在这个模块中，有两种方案可以采用：一种是用a p d l 编写命令流将需要的结果保存成图片文件的形式，不用启动a n s y s ，直接通过v c 调用显 示这些图片：另一种方案是将不同工况计算结束后的结果模型保存成不同的数据文件， 然后针对每一种工况的数据文件，用a p d l 编写一个调用宏文件，在a n s y s 中加载这些宏 文件形成一系列工具条。要查看的时候，就用v c 将a n s y s 启动( 当然要出现a n s y s 界面) ， 设计者可以根据自己的需要在a n s y s 中查看相应的结果情况。在以后的内容中，将对这 第一章绪论 两种方案的都进行说明。 在以后的章节中，将分别对这几个模块功能的实现进行详细的介绍。首先在第二章 将介绍a n s y s 计算模块的功能实现；第三章介绍面向对象技术和v c 调用模块的实现； 第四章介绍用户界面模块，并结合实例说明整个系统的运作流程；第五章结合实例介绍 进行后处理的模块，并将理论计算的实例的计算结果与利用该系统计算得出的结果进行 比较，证明该系统的可行性；第六章对本文所做的工作进行总结，并展望未来要做的工 作。 9 笙兰兰! ! 墨竺塑叁墼些塑堕歪坌塑塑壅翌 第二章门架结构参数化有限元分析的实现 在本章中主要介绍a n s y s 计算模块，即利用a n s y s 的二次开发语言a p d l 实 现门机门架结构的参数化有限元分析的过程。在对门架进行有限元分析之前，需要对门 架进行一系列的简化来建立门架的有限元分析模型。这些简化主要包括：门架结构的简 化、作用载荷的简化和支座的简化三个内容。在建立了门架结构的有限元模型之后，还 要选取适当的工况对门架进行计算分析，每种工况下载荷的正确施加，以及约束点的选 取和施加，对于计算结果是否切实可靠，都非常的重要，下面的章节中就进行详细的介 绍。 2 1 门式启闭机简介 水电站用门式启闭机主要用于起吊各种闸门及拦污栅。在水电施工过程中，也利用 它进行设备的吊装工作。 门式启闭机根据使用要求可以分为两种型式：单向门式启闭机和双向门式启闭机。 其中单向门式启闭机的起升机构直接固定在门架上。它只作定点启闭闸门用，门架仅在 一个方向运行。而双向门式启闭机由起重小车和门架组成。装有起升机构的起重小车可 沿门架顶部的轨道运行，起吊的闸门可在两个互相垂直的方向上移动，起重小车可在不 同位置上起吊闸门。 2 1 1 门式启闭机门架的结构形式 水利水电工程门机的金属结构，又称为门架。门架结构大多数是由三个相互垂直的 框架组成的“1 ：主框架、侧框架和平台框架。主框架由主梁和支腿构成，一般呈n 型； 侧框架由端梁，支腿和下横梁组成，一般呈等腰梯形，当侧框架高度较大时还设有中横 梁；平台框架一般为矩形框架，由主梁和端梁组成，如果设置回转吊，还设有悬臂梁。 在门机的结构设计中，通过门机容量及被启闭闸门的高度和大小就可以确定门机高 度。由此，我们可以大致确定支腿之间应该设置几根中横梁，以承受侧向框架的作用力。 在一般情况下，需在门机单侧设置一根中横梁，当门机容量较大或较小时，我们可以分 别采取在门机单侧设置两根中横梁或不设置中横梁的布置方案。 悬臂梁的设置要根据实际起重要求来确定。在水利水电工程中，为操作门机大、小 车范围以外的毗邻设备，需要在门机侧面设置回转吊车。回转吊车通常采用转柱式，其 上、下支撑分别设在悬臂梁和下横梁上。设计人员根据实际应用情况，可以选择无悬臂、 单悬臂或是双悬臂的结构形式。在单悬臂中还分上游侧有和下游侧有两种情况。 本课题中所开发的系统适用于容量比较大的双向门式启闭机，单侧设有两根横梁， 河海人学工学硕士论文 门机参数化有限元分析系统的开发 并且单侧设置回转吊。 2 1 2 门式启闭机梁柱的截面形式 对于中小型的门式启闭机，其梁和门腿可以采用工字型的截面形式，而对于大容量 的门机，更多的则是采用箱型截面。箱型截面因其造型美观、工艺性好，因此在工程上 得到了较为广泛的应用。在本文中，门机结构构件的截面也是采用箱型截面形式。 箱型截面主要有以下三种形式：对称箱型截面、上、下翼缘不等长的箱型截面和偏 轨箱型截面。其结构形式及主要参数分别如图2 - 1 ，2 - 2 和2 - 3 所示。 毫g 圭b i 图2 - 1 对称箱型截面及其主要参数 图2 - 2 上下嚣缘不等长箱型截面及其主要参数 图2 - 3 偏轨箱型截面及其主要参数 其中主梁一般采用对称箱型截面或者偏轨箱型截面两种形式，上横梁和中横梁有时 会采用上下翼缘不等长的箱型截面形式，其它的构件基本都采用对称箱型截面形式。 2 2 门架结构有限元模型的建立 在进行有限元分析的过程中，有限元模型与实际结构是存在一定的差异的，因此有 限元模型能否最大程度的反应实际结构，就成为分析成败的一个关键。 2 2 1 门架结构的简化及单元选取 基于门架的结构特点、设计计算的需要和便于实现参数化需要这三种考虑，本文中 采用空间梁单元b e a m l 8 9 对门架结构中的梁和门腿进行离散。因此在建立门架的有限元 分析模型时，构成门架的各箱形梁，用通过其截面中心的轴线来代替，如图2 - 4 所示。 1 2 第二章门架结构参数化有限元分析的实现 图2 - 4 采用梁单元进行简化的门架结构形式 门腿采用的是变截面梁，根据以往工程上的经验1 ，先将门腿分成几段，然后每一 段以各段的小端截面代表该段截面特性。在本文中，为了便于实现参数化，将门腿从与 几根横梁相连接处分成三段，如图2 - 5 所示为简化前与简化后的门腿的主视图。 图2 - 5 简化前与简化后的门腿结构形式 同时，将法兰连按或栓接或焊接的各梁之间的连接部位简化为刚接点，将下横粱与 大车轨道间的门腿简化为一根支柱，其上端与下横梁相接，下端连接在地面轨道上，支 柱截面形式与门腿下端截面形式一致汹1 。 2 2 2 在a n s y s 中自定义梁截面的生成 在采用3 d 梁单元对结构进行网格划分的时候，需要选择梁的截面形式，a n s y s 内部 提供了i i 种梁的截面形式，如图2 - 6 所示： 囫忍o 艮正 lk 卫目留 河海大学工学硕士论文门机参数化有限元分析系统的开发 由于本系统开发所适用的门架结构除了回转吊的转柱外，其它的梁和门腿均采用箱 型截面梁，a n s y s 内部所提供的这些梁单元的截面形式不能很好的满足要求，a n s y s 允许 用户自己定义梁的截面形式，因此本文中采用用户自定义梁截面的形式来满足系统开发 的需要。 用户可以通过g u i 途径或者使用a p d l 语言编写命令流两种方式，来实现用户自定义 梁截面。在本文中为了实现参数化，采用的是用a p d l 语言编写命令流的方式来实现的。 用命令流方式建立用户自定义梁截面，可以通过以下几步来实现： 第1 步，建立梁截面模型，e p - - 维面模型； 第2 步，通过布尔运算o v e r l a p 或者g l u e 将各个面连接起来，同时在面与面相交的 地方进行分割操作，防止截面划分网格时出现畸变； 第3 步，保存模型： 第4 步，定义面上所有线的尺寸或者划分单元的个数： 第5 步，对面进行网格划分： 第6 步，将划分了网格的面保存成截面文件。 在上文中已经介绍过，门架结构所需耍的箱型截面一般有三种形式：对称箱型截面、 偏轨箱型截面和上下翼缘不等长的箱型截面。本系统的开发中，就针对这三种不同的箱 型截面分别编写一个通用的a p d l 命令流文件，当创建尺寸不同构件的截面时，只需要对 其中的变量尺寸进行修改。以下是用a p d l 编写的上下翼缘不等长的箱型截面的部分主要 的命令流： ! 进入前处理器 p r e p 7 1 定义截面面上的单元类型 e t ，l ，p l a n e 8 2 1 建立二维面模型 b l c 5 ，0 ，( 1 2 + t 1 ) 2 ，t 1 1 ，t 1 b l c 5 ，0 ，一( 1 2 + t 1 ) 2 ，d 1 1 ，t 1 1 将所生成的面粘接起来 a g l u e ，a l l ! 对相交的面在交接处进行剖分 a s b l ，5 ，p 5 1 x ! 定义面上的线的单元的数量 1 4 第二章门架结构参数化有限元分析的实现 l e s i z e ，一y 1 1 0 ，1 1 对面进行网格划分 a m e s h ，a l l ! 将划分了网格的面保存成截面文件 s e c w r i t e ，文件名s e c t 门架结构中的每个构件的截面尺寸基本都是不同的，因此就需要对应每个构件都生 成一个截面文件，保存在相应的工作目录下面，当对门架结构进行网格划分，需要用到 这些截面文件的时候，只需要用一组命令调用来实现： s e c t y p e ，i d ，b e a m ，m e s h ， s e c o f f s e t ， s e c r e a d ，文件名，s e c t ，m e s h 其中，s e c t y p e 给截面一个i d 号用于区别，并且定义截面的类型是自定义梁截面 ( m e s h ) ，s e c o f f s e t 用来指定形心偏置的位置，s e c r e a d 用来调用生成的截面文件。 2 2 3门架