基于VB的ANSYS_AP...发在弧形钢闸门设计中的应用_王晨.pdf

第4 1卷第5期2023年5月水 电 能 源 科 学W a t e r R e s o u r c e s a n d P o w e rV o l.4 1 N o.5M a y 2 0 2 3D O I:1 0.2 0 0 4 0/j.c n k i.1 0 0 0-7 7 0 9.2 0 2 3.2 0 2 2 1 4 8 0基于V B的A N S Y S A P D L二次开发在弧形钢闸门设计中的应用王 晨1,王正中1,李津宇1,韩一峰2,蔡 锟2(1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院,陕西 杨凌 7 1 2 1 0 0;2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江 杭州 3 1 1 1 2 2)摘要:针对弧形钢闸门采用AN S Y S有限元软件中A P D L参数化编程语言进行闸门结构三维有限元设计时存在耗时长、效率低的问题,在A P D L参数化编程语言基础上,提出一种基于V B的AN S Y S A P D L的弧形钢闸门设计与分析程序,并以某工程为例对该程序进行云图成果展示。结果表明,该程序能提高弧形钢闸门的设计分析效率,设计人员可根据实际工程需要进行调试,使设计出来的弧形钢闸门满足工程建设需要。关键词:弧形钢闸门;有限元分析;A P D L参数化编程语言;V B中图分类号:TV 6 6 3.4;T P 6 6 3+.2 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 0-7 7 0 9(2 0 2 3)0 5-0 1 5 8-0 4收稿日期:2 0 2 2-0 7-1 8,修回日期:2 0 2 2-0 8-1 6基金项目:国家自然科学基金(5 1 1 7 9 1 6 4);国家科技支撑计划(2 0 1 2 B A D 1 0 B 0 2)作者简介:王晨(1 9 9 8-),男,硕士研究生,研究方向为水工金属结构,E-m a i l:9 7 2 2 4 5 9 0 8q q.c o m通讯作者:王正中(1 9 6 3-),男,教授、博导,研究方向为水工结构,E-m a i l:w a n g z z 0 9 1 01 6 3.c o m 1 引言随着高坝大库的建设与发展,作为水利水电工程泄水建筑物调节咽喉的水工钢闸门正向着高水头、大孔口、大泄量的大型化和轻型化方向发展,其安全灵活地运行决定着整个枢纽工程和下游人民生命财产的安全。但弧形钢闸门设计工作多采用平面绘图方法,绘图效率低下,且无法实现参数化1-3。随着计算机技术的发展和有限元理论的成熟,AN S Y S具有强大的建模能力、求解能力、非线性分析能力等为科学研究和工程实践提供了巨大的便利4。弧形钢闸门空间结构复杂,单一采用AN S Y S A P D L进行弧形钢闸门的有限元分析难度较大,不仅需掌握命令流的使用,且需花费大量的时间去编程。同时弧形钢闸门有限元模型涉及众多节点、单元,细微的几何参数变动均会导致先前的分析命令流不能继续使用,需重新进行编程,降低了设计效率5。鉴此,本文提出了基于V B对AN S Y S A P D L进行二次开发理论和弧形钢闸门参数化建模及有限元计算方法,同时开发相应软件实现弧形钢闸门的参数化建模及有限元计算并对结果进行呈现;并以某工程为例进行实践,验证了所提方法的可行性。2 基于 VB 的 ANSYS 二次开发方法2.1 ANSYS 设计原理根据AN S Y S A P D L运行的基本原理,每执行一条命令,相应的便生成一段*.l o g文件。该*.l o g文件可直接调用供AN S Y S A P D L重新运行;同时AN S Y S具有可供其他软件调用的接口,为使用者提供了b a t c h功能,利用此功能可实现*.l o g文件的后台调用,利用这一原理可利用编程软件修改*.l o g文件中相应的参数,并调用AN S Y S A P D L进行程序计算6。利用b a t c h批处理功能进行AN S Y S A P D L接 口 的 相 关 设 置,即 打 开AN S Y S ME CHAN I C A L A P D L P R O DU C T L AUN CH进行工作路径设置和输出输入名设置,输入输出名需与V B中生成的记事本文件命名相同,后缀为.t x t并保存。2.2 VB 设计原理与AN S Y S A P D L的编程命令相似,利用V B提供的特殊命令-s h e l l命令可获取其他软件的工作目录并运行,仅需设置调用软件的路径及接口即可实现在后台对其他软件的操作。通过V B对AN S Y S 2 0 2 0 R 2软件的调用为第4 1卷第5期王 晨等:基于V B的AN S Y S A P D L二次开发在弧形钢闸门设计中的应用例进行说明,接口程序关键代码为:a a=S h e l l(C:P r o g r a m F i l e s AN S Y S I n c v 2 0 2 a n s y s b i n w i n x 6 4 MA P D L.e x e -p a n e 3 f l-d i s-m p i I NT E LMP I-n p 2-l c h-d i r C:U s e r s w a n g c h e n -j r a d i a l s t e e l g a t e -s r e a d-l e n-u s-b-i C:U s e r s w a n g c h e n i n p u t.t x t -o C:U s e r sw a n g c h e n o u t p u t.t x t ,v b M i n i m i z e d F o c u s)其中a a为存储S h e l l函数返回值的变量C:P r o g r a m F i l e s AN S Y S I n c v 2 0 2 a n s y s b i n w i n x 6 4 MA P D L.e x e所在的文件目录;a n e 3 f l为AN S Y S产品特征代码;-b表示处理工作模式;-i标志后面 的 文 件 为 输 入 文 件;C:U s e r s w a n g c h e n i n p u t.t x t为 用A P D L语 言 编 写 的AN S Y S输入文件;-o标志后面的文件为输出文件;C:U s e r s w a n g c h e n o u t p u t.t x t是输出文件。2.3 软件开发思路在V B建立的窗口中输入工程中的具体参数,V B先 调 用 记 事 本 形 成 完 整 的 供AN S Y S A P D L识别的命令流.t x t文件。随后V B直接调用AN S Y S A P D L读取可识别的命令流文件,并在AN S Y S A P D L后台自动进行几何模型和有限元模型建立、有限元计算并将结果云图输出到目标文件夹中。最后V B直接读取AN S Y S输出的计算结果云图进行可视化呈现。从整个流程来看,输入参数和结果呈现为可视过程,调用AN-S Y S A P D L计算为后台自动运行的不可视过程,基于V B的AN S Y S A P D L软件二次开发流程见图1。启用软件输入几何参数输入材料参数输入水头参数ANSYS APDL闸门几何模型建立水荷载计算ANSYS APDL闸门有限元模型建立有限元计算判断计算结果模态计算结果位移计算结果应力计算结果不可视窗回视窗回视窗是否图1 基于V B的A N S Y S A P D L软件二次开发流程结构图F i g.1 F l o w c h a r t o f i m p l e m e n t o f A N S Y S A P D L s o f t w a r e b a s e d o n V B3 弧形钢闸门参数化有限元分析方法3.1 弧形钢闸门的参数化建模弧形钢闸门按构造组合可拆分为面板、主横梁、水平次梁、底次梁、纵隔板、边梁、支臂等主要构件。面板为圆弧形板壳结构;主横梁一般为箱型截面或工字形截面,可进一步拆分为腹板和上下翼缘;水平次梁一般为工字钢或槽钢;底次梁一般为T型钢,可拆分为单个腹板和翼缘;纵隔板为变截面工字梁,具体变化形式由面板和主横梁尺寸决定;支臂一般为箱型截面或工字形截面,可进一步拆分为腹板和上下翼缘;弧形钢闸门构造见图2。顶梁水平次梁面板竖直次梁上主横梁上支臂边梁吊耳下主横梁下支臂支铰图2 弧形钢闸门构造图F i g.2 S t r u c t u r e d i a g r a m o f a r a d i a l s t e e l g a t e从建模的流程和方法上看,各类建模软件均采用点沿轨迹拉伸生成线、线沿轨迹拉伸生成面、面沿轨迹拉伸生成体的建模思路建立三维模型。以主横梁常用截面之一箱形截面建模为例:首先根据其位置数据参数确定关键点,由各点连接为一个封闭轮廓,封闭轮廓填充生成闭合平面,闭合平面沿轨迹拉伸即可生成箱型截面主横梁模型(图3)。通过这种建模方式,不仅增加了建模的灵活性,且更加符合工程需要。图3 箱形截面主横梁模型F i g.3 M o d e l o f b o x-s h a p e d s e c t i o n o f m a i n b e a m在弧形钢闸门模型建立过程中,通常采用由整体到细部的建模方式,首先搭建外层轮廓框架,即确定支铰和面板位置,面板是以支铰为圆心的圆弧。以支铰为原点,以支臂长度为半径,以闸门顶部z坐标为0的最高点确定外轮廓位置;以各水平梁腹板中心线之间间隔距离确定水平梁位置;以各垂直梁腹板中心线之间间隔距离确定垂直梁位置;以支铰位置和主梁位置确定支臂位置。剩余构件主要分为水平梁和竖直梁,水平梁包括水平次梁、底次梁和主横梁,其均由12块腹板联结翼缘组成,故建模思路相同。建模时通951过已建面板所确立的水平梁腹板的方位确定水平次梁腹板位置。而后即可根据其腹板和翼缘具体尺寸完成截面轮廓及拖拽路径线的建立,截面轮廓按拖拽路径线进行拖拽即可完成水平梁几何模型的建立;竖直梁主要包括边梁和纵隔板,边梁为非变截面梁,其建模思路同水平梁思路相同,仅需变更具体尺寸和拖拽路径。纵隔板为变截面梁,其腹板轮廓由面板尺寸和支臂数量、支臂截面尺寸共同决定,故将其放于建模次序最后进行建模。由于过程为参数化建模,故以尺寸参量作为位置选取标准,以k s e l命令根据闸门纵隔板间距尺寸对纵隔板腹板各关键点位置进行选取,并将其连线并添加至同一线集合中,执行n u mm r g命令即可对其进行填充,实现腹板的建立。3.2 弧形钢闸门的参数化有限元计算有限元计算过程主要分为有限元模型的建立及荷载的添加与计算。在弧形钢闸门的结构中,面板主要以四端固支、三端固支一端铰支形式固定于区隔上,而绝大部分的面板区域以四端固支的形式固定于区隔上,面板的几何特征在结构形式上属于薄壳结构;支臂为重要的承重结构,将上游面板所承受的水荷载传递至支铰,其所受约束介于固定铰支座约束和固定端约束之间,其同时承受轴力荷载和弯矩荷载,为压弯组合构件。在闸门构件单元类型的选择上,S h e l l 1 8 1等单元类型可模拟薄面板区隔和中厚面板区隔,各边每单位长度网格数不少于4份或单元尺寸长度尽可能保证在0.0 30.2 5 m时,可满足计算精度和效率的统一7。支臂结构常采用梁单元进行模拟,网格数为2 0 4 0个,可满足计算精度和效率的统一8。建立有限元模型,以c m s e l命令选取弧形钢闸门面板、底槛、止水、支铰等位置,以d命令进行约束的添加,以s f g a r d命令进行面荷载的添加,随后 即 可 进 行 求 解。求 解 后 以p l n s o l命 令和/S HOW,J P E G命令进行云图显示及图片输出,输出结果用于V B调用。参数化有限元计算流程见图4。4 基于 VB 的 ANSYS APDL 二次开发应用实例 某水利工程设计中,弧形钢闸门尺寸为1 3.0 m1 4.7 m(宽高),宽高比为0.8 8 4,弧形钢闸门半径1 8 m,支铰高程1 1.4 m。闸门结构按双主横梁斜支臂布置,梁系采用实腹式齐平连接。主梁和支臂截面均采用箱型截面;1 8根水平次梁,截面采用工字型截面;7根垂直次梁,截面采弧形钢闸门有限元模型面板止水支铰底槛有限元计算判断计算结束结束查看结果云图CMSEL命令SFGARD命令D命令D命令D命令PLNSOL结果云图输出/SHOW,JPEG是否组件选择图4 参数化有限元计算流程图F i g.4 F l o w c h a r t o f p a r a m e t r i c f i n i t e e l e m e n t c a l c u l a t i o n用“T”型截面;底次梁采用“T”型截面;顶次梁采用槽钢截面;构件材料为Q 3 4 5 C。闸门承受的设计水头为1 8.4 m。主界面的菜单栏包括前处理、求解及后处理三大模块。前处理模块中包含有输入各参数的子界面;求解模块中包含设置荷载参数和系统的计算;后处理模块实现计算结果的显示。4.1 弧形钢闸门前处理模块通过点击主菜单下的“弧形钢闸门”按钮进入参数输入界面,前处理界面见图5。在界面设定的窗口输入设计闸门的材料参数、几何参数。图5 前处理界面图F i g.5 I n t e r f a c e d i a g r a m o f p r e t r e a t m e n t本文软件内置两种类型钢材,即默认门叶结构选择钢板材料,支臂结构选择型钢材料,输入两种材料的参数。点击各闸门结构对应的按钮进入相应的子菜单,在各结构几何属性窗口中依次输入结构对应的几何参数。4.2 弧形钢闸门求解模块所有参数输入完成点击“确定”进入主菜单,选择“求解”模块,求解模块仅需输入闸门自重和静水压力两种荷载参数,输入完成后点击“确定”按钮。此时AN S Y S软件图标显示软件在后台运行。待图标消失即表示AN S Y S运行完毕,计算结束,可进入后处理模块查看计算结果。4.3 弧形钢闸门后处理模块在后处理模块下有多个选择按钮,分为三大061水 电 能 源 科 学 2 0 2 3年 第4 1卷第5期王 晨等:基于V B的AN S Y S A P D L二次开发在弧形钢闸门设计中的应用类,分别为闸门位移、等效应力、模态云图,点击相应按钮,相关的图将显示在右侧区域。弧形钢闸门整体位移和等效应力云图、横梁位移和等效应力云图、第1、2阶模态云图见图6、7,其余结果云图也可通过单击相应按钮进行呈现。(a)整体位移云图(b)整体等效应力云图(c)横梁位移云图(d)横梁等效应力云图STEP=1SUB=1TIME=1USUM(AVG)RSYS=0DMX=0.011 723SMN=0.001 291SMX=0.011 723STEP=1SUB=1TIME=1SEQV(AVG)DMX=0.011 723SMN=18 070.6SMX=0.33410?9STEP=1SUB=1TIME=1USUM(AVG)RSYS=0DMX=0.011 036SMN=0.003 978SMX=0.011 036STEP=1SUB=1TIME=1SEQV(AVG)DMX=0.011 036SMN=36 120.7SMX=0.14910?90.0012910.0024500.0036090.0047680.0059280.0070870.0082460.0094050.0105640.01172318070.60.37110?8742?1080.111?1090.145?1090.185?1090.223?1090.260?1090.297?1090.334?1090.0039780.0047620.0055460.0063310.0071150.0078990.0086840.0094680.0102520.01103636120.70.16610?80.332?1080.497?1080.663?1080.828?1080.994?1080.116?1090.133?1090.149?109图6 整体、横梁位移、等效应力云图F i g.6 O v e r a l l n e p h o g r a m,n e p h o g r a m o f b e a m d i s p l a c e m e n t,a n d n e p h o g r a m o f e q u i v a l e n t s t r e s s(a)一阶模态云图(b)二阶模态云图0.230?1040.1126940.2253650.3380360.4507060.5633770.6860480.7887190.9013901.014060.331?10-60.1126430.2252860.3379290.4505720.5632150.6858580.7885010.9011441.01379STEP=1SUB=1FREQ=8.948 47USUM (AVG)RSYS=0DMX=1.01406SMN=0.23010SMX=1.01406?-4STEP=1SUB=2FREQ=8.959 73USUM (AVG)RSYS=0DMX=1.013 79SMN=0.33110SMX=1.013 79?-4图7 一阶、二阶模态云图F i g.7 N e p h o g r a m s o f f i r s t-o r d e r m o d a l a n d s e c o n d-o r d e r m o d a l由图6、7可知,从整体来看,弧形钢闸门整体最大等效应力为3 3 4 MP a,最大位移为1 1.7 3 2 mm;细部结构来看,其横梁最大等效应力为1 4 9 MP a,最大位移为1 1.0 3 6 mm;无论是整体或细部,闸门的强度刚度均满足规范要求9。从各阶模态频率看,一阶模态频率约为8.9 5 H z,二阶模态频率约为8.9 6 H z,均为支臂振动,且模态频率区间与水流脉动主频率(02 0 H z)有交集,有振动可能,需采取措施如对支臂添加弦杆或腹杆。5 结论a.以通用计算机语言V B为辅助,以AN-S Y S A P D L为基础,提出一种基于V B的AN-S Y S A P D L的弧形钢闸门设计与分析程序,并以某工程为例对该程序进行云图成果展示。b.实例应用结果表明,操作人员无需熟悉AN S Y S,也无需打开AN S Y S,即可快速、高效完成弧形钢闸门的有限元计算,具有一定的应用前景。参考文献:1 王正中,张雪才,刘计良.大型水工钢闸门的研究进展及发展趋势J.水力发电学报,2 0 1 7,3 6(1 0):1-1 8.2 王正中.水工钢闸门结构非线性分析理论与方法M.北京:科学出版社,2 0 2 1.3 任博,邓达人,谭守林,等.水利水电工程中平面钢闸门三维参数化设计与研究J.水电能源科学,2 0 2 2,4 0(7):2 1 0-2 1 2.4 陈笙,郑圣义,董继富,等.弧形钢闸门排水孔优化设计及有限元分析J.水电能源科学,2 0 1 8,3 6(1):1 6 5-1 6 7.5 翟超.弧形钢闸门数字化设计程序开发D.杨凌:西北农林科技大学,2 0 1 9.6 王正中,赵春龙,张雪才,等.水工钢闸门数字化设计新技术M.北京:中国水利水电出版社,2 0 2 1.7 张雪才,杨顺群,侯庆宏,等.水工闸门面板结构空间有限元分析原则J.水力发电,2 0 2 1,4 7(1 0):6 1-7 0.8 张雪才,陈丽晔,姚宏超,等.弧形闸门支臂结构空间有限元分析原则研究J.水力发电,2 0 2 1,4 7(7):7 3-8 2.9 中华人民共和国水利部.水利水电工程钢闸门设计规范:S L 7 4-2 0 1 9S.北京:中国水利水电出版社,2 0 1 9.A p p l i c a t i o n o f A N S Y S A P D L S e c o n d a r y D e v e l o p m e n t i n D e s i g n o f R a d i a l S t e e l G a t e B a s e d o n V BWANG C h e n1,WANG Z h e n g-z h o n g1,L I J i n-y u1,HAN Y i-f e n g2,C A I K u n2(1.C o l l e g e o f W a t e r R e s o u r c e s a n d A r c h i t e c t u r a l E n g i n e e r i n g,N o r t h w e s t A&F U n i v e r s i t y,Y a n g l i n g 7 1 2 1 0 0,C h i n a;2.P o w e r C h i n a H u a d o n g E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n L i m i t e d,H a n g z h o u 3 1 1 1 2 2,C h i n a)A b s t r a c t:A i m i n g a t t h e s h o r t c o m i n g s o f l o w e f f i c i e n c y a n d t i m e-c o n s u m i n g w h e n u s i n g t h e AN S Y S p a r a m e t r i c d e-s i g n l a n g u a g e(A P D L)t o c a r r y o u t t h e t h r e e-d i m e n s i o n a l f i n i t e e l e m e n t d e s i g n o f t h e g a t e s t r u c t u r e,t h i s p a p e r p r o p o s e d a A P D L d e s i g n-a n a l y s i s p r o g r a m b a s e d o n V B,a n d p e r f o r m e d n e p h o g r a m r e s u l t s o n a c e r t a i n p r o j e c t.T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e p r o g r a m c a n i m p r o v e t h e d e s i g n a n d a n a l y s i s e f f i c i e n c y o f s t e e l a r c h g a t e,a n d p r o g r a mm e r s c a n f l e x i b l y d e b u g r e-l a t e d t o p r a c t i c a l p r o j e c t c a s e s,s o t h a t t h e d e s i g n e d s t e e l a r c h g a t e c a n m e e t t h e n e e d s o f p r o j e c t c o n s t r u c t i o n.K e y w o r d s:r a d i a l s t e e l g a t e;f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s;p a r a m e t r i c d e s i g n l a n g u a g e A P D L;V B161