【摘要】本文論述了大型有限元分析軟件ANSYS在土木工程尤其是橋梁工程中的廣泛用途，展望了大型有限元軟件--ANSYS在橋梁工程中應(yīng)用的廣闊前景，尤其對于近幾年來由于計算機科學(xué)的飛速發(fā)展引起的橋梁工程界全橋仿真分析模型的熱潮，分析了ANSYS在其中的地位和應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞 ANSYS 計算機輔助工程 橋梁工程 仿真分析
一、引言
計算機技術(shù)正以超乎尋常的速度，給工程、科學(xué)以至人類社會帶來急劇的革命性變化。以虛擬樣機模擬為代表的計算機輔助工程（Computer
Aid Engineering,下簡稱 CAE），是這一技術(shù)革命在工程分析、設(shè)計中的具體表現(xiàn)。CAE在工程開發(fā)、項目研制及設(shè)計中所顯示出的無與倫比的優(yōu)越性，使其成為現(xiàn)代化工程業(yè)在日趨激烈的競爭中取勝的一個重要條件。這還要歸結(jié)于CAE可以極有效地縮短新技術(shù)、新產(chǎn)品的研發(fā)周期，對于提高競爭力起著至關(guān)重要的作用。"據(jù)統(tǒng)計，發(fā)達(dá)國家產(chǎn)品成本的80％是由研究發(fā)展過程決定的，同時這一過程決定整個產(chǎn)品從研制到推入市場所需時間的70％。"【1】而虛擬樣機的引入能從很大程度上降低實際模型的規(guī)模及試驗次數(shù)。由CAE完全取代實物模型試驗的例子不勝枚舉，CAE的應(yīng)用大大加快了研究速度，同時又降低了成本。縱觀未來，CAE在土木工程界將成為主角。
ANSYS程序【1】是順應(yīng)潮流而發(fā)展起來的 CAE仿真設(shè)計工具，它牢牢把握了CAE的發(fā)展方向，提供了通用到專用的全線CAE解決方案。作為有限元界的先導(dǎo)，ANSYS公司70年代率先在有限元軟件中引入了圖形技術(shù)及交互式操作方式，使有限元的前、后處理進(jìn)入一個嶄新的歷史階段；1983年，ANSYS公司又充分預(yù)計了PC機的發(fā)展，開發(fā)出世界上第一個PC機上的分析程序，并實現(xiàn)了PC機與其他硬件平臺上完全一致的用戶界面；90年代初期，ANSYS深刻領(lǐng)會到未來的設(shè)計技術(shù)將進(jìn)入"虛擬樣機"的仿真階段，從而推出了與虛擬樣機技術(shù)相對應(yīng)的"多物理場"仿真技術(shù)。在當(dāng)今世界正邁入網(wǎng)絡(luò)時代的同時，ANSYS又適時地推出了異種異構(gòu)平臺的全網(wǎng)絡(luò)浮動技術(shù)，通過不同硬件平臺數(shù)據(jù)文件統(tǒng)一、用戶界面統(tǒng)一為CAE的應(yīng)用提供了空前靈活的工作環(huán)境。
ANSYS公司為設(shè)計界提供了三大類產(chǎn)品：涉及多交叉學(xué)科的多物理場仿真工具（ANSYS/Multiphysics)智能化的快速設(shè)計校驗及優(yōu)化工具（ANSYS/DesignSpace）、針對某些專業(yè)領(lǐng)域的專用軟件包（板成形專用軟件包、土木工程專用軟件包、疲勞及耐久性專用軟件包）等。ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件，可廣泛用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造。能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利、日用家電等一般工業(yè)及科學(xué)研究。
近幾年，由于計算機技術(shù)及大型有限元軟件的發(fā)展，橋梁工程界掀起了全橋結(jié)構(gòu)仿真分析技術(shù)（structural
Simulation for Entire Bridge,SSEB)[2]研究的熱潮。其核心是建立完整、統(tǒng)一的整座橋梁結(jié)構(gòu)分析體系，在該體系下構(gòu)造全橋所有承載構(gòu)件的組合形式數(shù)學(xué)模型，準(zhǔn)確模擬承載構(gòu)件的空間位置、尺寸、材料特性、連接形式和荷載作用等，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行大規(guī)模的全橋結(jié)構(gòu)效應(yīng)分析計算，由此得到相對詳盡、精確和可靠的分析結(jié)果。該技術(shù)克服了傳統(tǒng)算法中實施某些假設(shè)帶來的不足。因此，全橋結(jié)構(gòu)仿真分析比傳統(tǒng)的橋梁分析計算有實質(zhì)性的提高，可以更廣泛地應(yīng)用到設(shè)計橋梁方案、橋梁結(jié)構(gòu)計算分析、橋梁施工過程模擬、準(zhǔn)確計算橋梁承載能力、甚至部分替代小比例尺橋梁模型試驗等各個方面。本文著重探討ANSYS這一強大的CAE仿真工具和我國橋梁工程發(fā)展的結(jié)合點。
二、ANSYS在橋梁工程中的應(yīng)用
作者在使用ANSYS過程中，對ANSYS在橋梁工程中的功能有一定程度的理解，預(yù)感到這一大型有限元軟件將對于橋梁工程界仿真學(xué)科的興起起到不可低估的推動作用。下面僅結(jié)合橋梁工程實際，談一下ANSYS的主要功能模塊。
該軟件和其他大型有限元軟件一樣包括三個部分：前處理模塊、分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學(xué)分析、電磁場分析聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也可將計算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。
1．完備的前處理器
ANSYS提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，可以方便地構(gòu)造數(shù)學(xué)模型及有限元模型。首先，基于設(shè)計分析應(yīng)緊密集成的現(xiàn)代設(shè)計法概念。該產(chǎn)品除標(biāo)準(zhǔn)的IGES，SAT，Parasolid幾何圖形傳遞方式外，還提供了與CAD軟件的專用數(shù)據(jù)接口，能夠使用實現(xiàn)與CAD軟件間無縫的幾何模型傳遞，避免了繁雜的重復(fù)工作。該類產(chǎn)品支持許多領(lǐng)先的CAD軟件，具體包括PTC公司的Pro／Engineer和CADDS，Unigraphics
Software公司的 Unigraphics和Solidedge，達(dá)索公司的CATIA和Solidworks，Autodesk公司的MDT，以及Solid
Designer，Microstation等。我們常用的是它的IGES接口，通過作者實踐表明了這一接口的無縫性，減小了工作量，提高了效率，并保證了模型的高精度。它通過直接建模與實體建模相結(jié)合、自頂向下與自底向上建模相結(jié)合的建模方法，輔以強大的布爾運算功能實現(xiàn)實體模型的"精雕細(xì)刻"。在網(wǎng)格劃分方面提供了有利的工具：自由網(wǎng)格劃分、映射網(wǎng)格劃分、智能網(wǎng)格劃分、自適應(yīng)網(wǎng)格劃分、P單元。提供了足夠的加載方法來模擬實際橋梁建造及使用中的各種工況。
ANSYS還專門設(shè)有與我們所熟悉的一些大型通用分析軟件的數(shù)據(jù)接口，它允許從這些程序讀取有限元數(shù)據(jù)，甚至材料特性與邊界條件。從而完成ANSYS中的初步建模。這樣的雙向轉(zhuǎn)換器有：CSA/NASTRAN，UAI／NASTRAN，MSC／NASTRAN，ALGOR，COSMOS，PATRAN，IDEAS及ABAQUS等。
ANSYS具有近190種單元類型，其中類似死/活單元、集中質(zhì)量單元、彈簧單元。斷裂單元、鋼筋混凝土單元（能清楚標(biāo)示出開裂和壓潰部位）、非線性阻尼元、非線性彈簧元等數(shù)十種單元，專門用于模擬各種特殊類型的非線性問題，這些都是土木工程人員比較關(guān)心的問題。工程人員可以充分發(fā)揮其豐富單元庫的優(yōu)勢，構(gòu)建較能反映實際結(jié)構(gòu)的仿真計算計算模型。
2．強大的求解器
ANSYA提供了對各種物理場量的分析，是目前世界范圍內(nèi)唯一能夠融結(jié)構(gòu)、熱、電磁。流體、聲學(xué)等于一體進(jìn)行有限元分析的分析軟件。除了常規(guī)的結(jié)構(gòu)線性、非線性結(jié)構(gòu)靜、動力分析外，它還能解決高度非線性結(jié)構(gòu)動力分析、隱式、顯式（ANSYS／LS-DYNA）及顯式一隱式－顯式耦合求解、線性及非線性屈曲分析。可以模擬70余種不同類型的非線性材料，包括橡膠、泡沫、巖石、土壤等各種特殊材料。ANSYS提供了多達(dá)20余種接觸類型，包括剛體對柔體、柔體對柔體接觸等，可以模擬任意的工程接觸問題。它可以進(jìn)行斷裂力學(xué)分析、復(fù)合材料分析、疲勞及壽命估算分析、超彈性材料的分析、壓電分析、熱分析、穩(wěn)態(tài)溫度場分析、瞬態(tài)溫度場分析、相變分析、輻射分析、熱一結(jié)構(gòu)耦合分析、電一磁一熱一結(jié)構(gòu)耦合分析及高度非線性結(jié)構(gòu)動力分析等。
因此，ANSYS對于實際橋梁工程中的混凝土徐變收縮、開裂壓潰，鋼橋的屈曲分析，焊縫焊接及疲勞破壞的仿真分析，橋梁施工過程的仿真模擬，地震作用下橋梁上部結(jié)構(gòu)與墩梁的碰撞仿真分析、樁上相互作用的仿真分析，風(fēng)荷載作用下橋梁性態(tài)的仿真分析，墩臺澆注水化熱的仿真分析以及溫度應(yīng)力的分析，甚至預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉過程的仿真，等等，幾乎涵蓋了橋梁工程的各個方面。后面的實例將涵蓋少部分內(nèi)容。
3．方便的后處理器
ANSYS軟件的后處理過程包括兩個部分：通用后處理模塊POST1和時間歷程后處理模塊POST26。可以很容易獲得求解過程的計算結(jié)果并對其進(jìn)行顯示。這些結(jié)果可能包括位移、溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、速度及熱流等，輸出形式可以有圖形顯示和數(shù)據(jù)列表兩種。在此不再贅述。
下面作者要強調(diào)指出的是其友好、開放的二次開發(fā)系統(tǒng)，將對橋梁工程仿真分析產(chǎn)生不可低估的影響。近期ANSYS公司推出的ANSYS／CIVilFEM土木工程專用軟件包，即是西班牙的土木工程人員基于其二次開發(fā)功能和西班牙的規(guī)范EH、歐規(guī)2和ACI規(guī)范而開發(fā)出的專用軟件包。
4． ANSYS提供了宏（ Macro）、用戶界面設(shè)計語言（UIDL）和用戶編程特性（UPFS）和參數(shù)設(shè)計語言（APDL）幾種工具
宏是指存于一個文件中被反復(fù)使用的一系列ANSYS命令集。宏帶有參數(shù)是宏更復(fù)雜的應(yīng)用同時使其功能也更強，這一功能容許在分析內(nèi)部建立輸入子程序。我們可看出，宏除了可以使用ANSYS內(nèi)部的命令外，還可以使用下面將要提到的UIDL，UPFS及APDL。
用戶界面設(shè)計語言 UIDL（ANSYS User lnterface Design Language）是一種程序化的語言，它允許用戶改變ANSYS的圖形用戶界面（GUI）中的一些組項。UIDL提供了一種使用戶靈活使用、按個人喜好來組織設(shè)計ANSYS圖形用戶界面的強有力工具，它在ANSYS的命令重組、架設(shè)其他用戶程序與ANSYS之間的橋梁方面將起到不可低估的作用。
用戶編程特性 UPFs（User Programmable Features）是 ANSYS給予用戶最大主動權(quán)的二次開發(fā)技術(shù)，它充分顯示了ANSYS的開放式體系。它允許用戶用C語言或FORTRAN編寫用戶自己的程序。實際上，ANSYS中的一些用戶使用的標(biāo)準(zhǔn)特性就來源于UPFs。使用UPFS可將ANSYS程序剪裁成符合用戶所需的任何組織形式。比如，可以定義一種新的材料，一個新的單元或改變屈服準(zhǔn)則。甚至允許用戶寫自己的優(yōu)化算法將整個ANSYS作為一個子列行子程序調(diào)用。UPFS提供了下列功能：
（1）將信息讀人 ANSYS數(shù)據(jù)庫或從 ANSYS數(shù)據(jù)庫返回信息。用戶可寫自己的列行程序或子列行子程序并將其直接與ANSYS連接起來或?qū)⑵渥鳛橥獠棵钐匦允褂茫?br>
（2）用戶可用ANSYS提供的一系列列行程序定義各種形式的載荷；
(3）某些UPFs子列行程序能使用戶定義如下的材料特性：
塑性、蠕變、膨脹方程、粘塑性、超彈性和層單元失效準(zhǔn)則；
（4）某些系列的UPFs能使用戶定義新的單元并調(diào)整節(jié)點坐標(biāo)系；
（5）某些UPFs能使用戶改變或監(jiān)控已存在的單元；
（6）用戶可用 UPF userop生成一個用戶設(shè)計優(yōu)化列行程序；
(7）用戶可在自己的程序中將ANSYS程序作為列行子程序調(diào)用。
ANSYS在其相應(yīng)的程序中提供了列行程序源代碼，用戶可根據(jù)自身實際情況選用調(diào)整。對于這部分的使用，要求用戶不但要對ANSYS了如指掌，并且要對FORTRAN（要求版本在
Ms Fortran Powerstation V4．0及以上）的編譯環(huán)境非常熟悉。當(dāng)然，功能最強大的工具，也是較難于掌握的工具。
參數(shù)設(shè)計語言 APDL（ANSYS Parametric Design Langunge）用建立智能分析的手段為用戶提供了自動完成上述循環(huán)的功能，APDL擴展了傳統(tǒng)有限元分析范圍之外的能力，并擴充了更高級運算包括靈敏度研究、零件庫參數(shù)化建模、設(shè)計修改及設(shè)計優(yōu)化。它包括了諸如命令的重復(fù)、宏、IF-THEN-ELSE分支、DO循環(huán)、標(biāo)量、向量及矩陣運算等功能。其語法結(jié)構(gòu)基本和FORTRAN語言一致。
ANSYS軟件是第一個通過ISO9001質(zhì)量認(rèn)證的大型分析設(shè)計類軟件，是美國機械工程師協(xié)會（ASME）、美國核安全局（NQA）及近20種專業(yè)技術(shù)協(xié)會認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)分析軟件。在國內(nèi)第一個通過了中國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會認(rèn)證并在國務(wù)院17個部委推廣使用。在我國即將進(jìn)入WTO之際，ANSYS的推廣使用無疑對我國的橋梁設(shè)計施工企業(yè)進(jìn)入國際建筑市場提供了有利保障。
ANSYS目前推出了前已述及的土木工程專用軟件包（ANSYS／CIVilFEM）和ANSYS／DesignSPace系列產(chǎn)品。西班牙土木工程人員利用ANSYS強大的二次開發(fā)功能，基于西班牙自身的規(guī)范EH、歐規(guī)2和ACI規(guī)范而開發(fā)出土木工程專用軟件包的經(jīng)驗是值得我們借鑒學(xué)習(xí)的。
5．應(yīng)用實例
（l）斜拉橋主塔空間局部應(yīng)力仿真分析
對鄂黃公路長江大橋斜拉橋主塔塔梁固結(jié)點進(jìn)行了實體建模，分析了幾種最不利荷載組合工況下，中、下橫梁塔梁固結(jié)處局部應(yīng)力分布規(guī)律。計算中采用提取子區(qū)模型的方法來保證模型計算的方法。中橫梁子區(qū)模型圖及主塔計算模型圖見圖1、圖2。
通過分析發(fā)現(xiàn)，對于所使用的每一種最不利荷載組合，主塔塔梁結(jié)合部的某些固定部位是相當(dāng)敏感的，最大應(yīng)力總是出現(xiàn)在這些部位，從而對優(yōu)化塔梁固結(jié)節(jié)點的結(jié)構(gòu)形式提供了一條思路。
（2）OVM15-1，15-7型預(yù)應(yīng)力錨具的張拉全過程仿真分析
通過建立OVM15-l，15-7型錨具的實際模型，模擬整個預(yù)應(yīng)力束的張拉過程，其夾片及錨板的計算模型見圖3、圖4。
通過分析，真實再現(xiàn)了預(yù)應(yīng)力鋼束過程中，預(yù)應(yīng)力來、夾片及錨板中的應(yīng)力分布、相互傳遞及走勢。分析結(jié)果和實際試驗結(jié)果吻合較好，但對試驗提供了定量且直觀的表達(dá)。同時，還可以進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，尋求合理的結(jié)構(gòu)形式和張拉工藝。這無疑使錨具設(shè)計研制周期、費用和人力大大降低。
上述兩例的結(jié)果將另文分析討論。
三、結(jié)論與展望
（l）全橋結(jié)構(gòu)仿真分析技術(shù)（Structural simulation for EntireBridge，
SSEB）在計算機高速發(fā)展、有限元理論及軟件逐步完善的前提下，勢必掀起橋梁設(shè)計理論的一場革命，如何把握這一機遇，成為橋梁工作者面臨的問題。
（2）作者認(rèn)為，鑒于目前很多大型有限元分析軟件都有開放的二次開發(fā)平臺，與其花大量人力、物力來從頭開發(fā)有限元分析軟件，不如利用這些有限元分析軟件成熟、功能強大、穩(wěn)定的計算內(nèi)核，開發(fā)出自己的大型有限元分析軟件，可?quot;他山之石，可以攻玉"。
（3）ANSYS在橋梁工程仿真分析中的應(yīng)用可以替代一些費用昂貴的試驗，同時節(jié)省大量的人力和時間，其優(yōu)勢顯而易見。
（4）通過實踐證明，ANSYS強大的功能將在橋梁仿真分析過程中起到不可低估的作用。如何利用諸如此類的大型有限元軟件，充分應(yīng)用于實際，而又從實際工程中來不斷完善和提高有限元分析軟件的質(zhì)量和效率，使其高效經(jīng)濟(jì)地投入到國家建設(shè)中去，我們橋梁工作者任重而道遠(yuǎn)。
參考文獻(xiàn)
［1］鄭凱鋒，唐繼舜，王秀偉．全橋結(jié)構(gòu)仿真分析技術(shù)的最新進(jìn)展．第十三屆全國橋梁學(xué)術(shù)會議論文集，上海，
1998
