基于SCDM的二次开发快速重建变截面箱梁模型
时间：2023-02-19 23:30:04 来源：千叶帆 本文已影响人
谭也平，王干亮
（深圳大学 交通与土木工程学院，广东 深圳 518060）
混凝土连续体系梁桥作为桥梁工程的主要结构形式，在公路及铁路工程领域应用较广泛。关于混凝土连续体系梁桥分节段模型参数化的创建方法，目前已有少量文章介绍。张建军等介绍了通过Revit族文件创建常规桥梁的方法［1］；
赵伟兰等介绍了通过Revit自适应族创建复杂曲线拱桥模型的方法［2］。国内尚未找到基于SCDM二次开发创建混凝土连续体系梁桥模型的相关技术及介绍。
目前，我国在建和已建跨径在200 m以上的连续刚构桥已达到20多座，跨境100～200 m的预应力梁桥超过100座；
全世界有20多座跨径在240 m以上的特大跨径连续刚构桥，中国就占了一半以上。大跨径预应力混凝土桥在我国城市交通发展建设中发挥着非常重要的作用。大跨连续桥的结构形式变化多样，其中连续体系桥以其优良的结构性能在桥梁建设中占有极其重要的地位。混凝土连续刚构桥主梁连续、墩梁固结，具有较大的跨越能力、合理的受力、良好的整体性和较强的抗震性，抗弯刚度、抗扭刚度较大，该桥型为大跨度预应力混凝土桥首选桥型，具有造型简单、维护方便等优点。
2.1 开发目标
在对桥梁模型进行数值分析时，由于有限元分析软件的建模能力较弱，我们常常需要将桥梁模型从外部CAD系统导入到有限元分析软件中进行仿真分析［3］，求解结构强度、刚度、弹塑性等力学性能及优化设计。根据分析结果适当调整模型的几何和拓扑信息［4］，进而提高桥梁模型的相关力学性能。人工操作在此过程中不可避免地会产生一些偏差，达不到理想的效果，并且直接修改模型还会耗费大量的人力和时间。因此，模型的设计和管理可以按照参数化的方法进行［5］。根据需要，在适当调整相应参数和仿真分析条件后，自动进行模型的重建与管理［6］，节约时间的同时，可有效地避免不可预见的错误和风险。
2.2 思路及方法
以往的桥梁有限元分析处理，实体模型多是通过外部导入的方式，由于文件格式不兼容，此过程不可避免地会出现模型失真等问题，并且导入的模型不易修改和重复使用，频繁地修改和导入无疑会增加劳动和误差积累。为解决以上问题，我们选择对软件内部建模功能进行二次开发的参数化建模方案。
使用APDL 代码在ANSYS软件中进行二次开发已经被广泛地推广和应用［7］，这种方式可以通过 ANSYS 参数化设计语言 APDL 编写的文本数据文件，以命令流的形式完成，但存在创建大型模型时查错困难的问题，并且ANSYS APDL命令流的灵活性不高，繁杂的命令流掌握起来也比较困难，不易操作。赵晓宇等人对外部模型转换得到的信息模型是在SCDM中建立的，相对基于ANSYS APDL格式的模型，操作界面更加友好，基础建模功能更加实用，并且SCDM的功能也在不断地完善和补充当中。此外，通过对每个模型组件进行命名，还可以批量分类完成任意组件的材料属性的赋予和更改，便于调整和修改模型信息，在模型管理上会更加方便和实用。它能够快速实现理想模型的建立，大幅提高ANSYS的建模效率，一定程度上缩短有限元分析前处理阶段的时间。
本文研究内容主要是在ANSYS/SCDM平台上通过对其建模功能的二次开发，利用IronPython脚本语言创建桥梁单元参数化信息模块，实现输入截面尺寸等几何参数后，程序能够自动完成桥梁实体模型的创建。创建梁体节段模型，最终装配全部节段作为整桥实例；
繁杂的实体模型创建工作，都是由程序自动完成的，可快速实现仿真模型参数化创建及管理。
3.1 程序开发流程
ANSYS系列软件提供了可以扩展产品功能的应用程序编程接口——SCDMAPI，创建的参数化仿真模型是基于ANSYS SCDM 的IronPython脚本建模语言。利用脚本语言描述模型的几何及拓扑信息，结合ANSYS中的 SCDM.API V18的帮助文件实现连续箱梁实体参数化模型的创建，程序在SCDM项目环境下运行，程序开发流程如图1所示，主要分为以下几个主要步骤。
图1 程序开发流程图
在对应桩号处通过指定3个轴坐标向量及坐标原点的方式创建箱梁横截面局部坐标［参考ANSYS 中的SCDM.API V18中类和方法的坐标系创建命令（DatumOriginCreator.Create（origin，x_Direction，y_Direction，None）及选择草图平面编辑命令（plane.Create（Frame.Create（Point.Create（MM（），MM（），MM（）），Direction.DirY，Direction.DirZ）］，这样就可以在局部坐标系下，通过草图编辑模式开始创建参数化的实体模型，详细参考代码如下：
通过上述步骤创建的局部坐标系分别利用点创建命令（Point2D.Create（）生成对应桩号处的箱梁截面关键点，再通过线创建命令（SketchLine.Create（）依次连接关键点创建截面外轮廓及内轮廓，外轮廓和内轮廓所围成的平面就是箱梁截面。然后再通过（ViewHelper.SetViewMode（InteractionMode.Solid，None）命令使创建的箱梁截面实体化，这样就可以在三维模式下激活拉动命令，输入拉伸命令（ExtrudeFaces.Execute（selection，MM（），options）生成梁体节段的实体模型，重复操作以上命令，补充桥梁几何参数就可以生成桥各节段的实体模型，最后通过轮廓融合命令（Loft.Create（selection，None，options） 将相邻梁体节段融合在一起，形成完整的桥梁实体模型。参考代码如下：
为了便于后期对桥梁实体模型的编辑、优化和完善，我们需要对完成的脚本代码进行关键参数的提取，并将这些关键参数放置在脚本首段明显的位置。在对代码中提取的关键参数（形参）赋值实际参数后，就可以正常运行，重新创建的实体模型几何截面尺寸随着输入的实际参数大小进行变化。这样创建的参数化模型就可以实现重复变更和使用。该过程能够节省重建模型的时间，提高建模效率，并且参数化模型可以提高模型的准确性，而人工直接建模操作烦琐且很难保证截面尺寸的精确性。
在此基础上，我们可以直接在SCDM操作界面上对脚本参数的变量值进行更改，实现参数化实体模型的重建，通过调用SCDM自带的脚本交互输入API类的方法，在提取关键参数的同时调用Beta.InputHelper.CreteTextBox（）命令创建文本输入控件，具体可按ANSYS中的 SCDM.API V18方法提示完成，运行程序后就会在“选择面板”选项中显示创建的控件及文本输入框，在文本框内输入桥梁截面尺寸及各节段项目需要的信息及参数，确认后运行程序，就可以得到参数化的实体模型。更新模型时，需再次运行程序，重新在控件文本框里输入新的参数值，就可以创建新的桥梁参数化的实体模型。为了便于重复调用编辑的脚本代码，我们可以将代码发布为脚本工具，使用时只需在工具菜单栏里点击脚本工具按钮就可以进行调用，交互式输入主要参考代码如下：
对创建的模型脚本代码进行算法优化，开发用户输入界面。
为了便于用户更加直观地创建参数化的模型，我们还可以在WinForms［8］客户端软件开发平台上进行用户窗体界面的开发，在用户窗体界面中输入桥梁路线数据及箱梁截面尺寸，梁高及腹板厚度通过变化公式自动录入界面，并标识各截面所处箱梁节段类型。生成参数化模型后，可根据实际需求对模型的几何及拓扑参数进行调整。保存并发布成工具，方便调用。发布脚本工具如图2所示。
图2 发布脚本工具
3.2 窗体开发流程
SCDM脚本是IronPython语言，这种语言可以加载.NET程序集，使用其框架下的WinForms类库开发界面。用户输入界面开发前，需要对界面和输入控件的位置、尺寸进行设计，对各类参数输入控件进行命名并进行合理的归类和布置，参考代码和对应界面如下：
图3为创建的用户输入界面，保存时，同样可以发布为脚本工具。在重新创建模型时，可以直接在工具菜单栏里找到该脚本工具，点击脚本按钮，用户输入窗口就会自动弹出，然后根据图片及文字提示，将具体的参数值输入到对应的文本框里，待数值确认后，点击“创建模型”，新的模型会在数秒内生成，此时弹出“模型创建完成”的提示窗口，说明模型创建完成。用户输入界面能够更加直接地创建模型，并且使用时操作简单。
图3 窗体代码及界面
本文以在建的雁山大道东及连接线大桥为例，论述桥梁上部结构参数化模型的创建方法。连续刚构上部结构节段主要分0 号块、中间块和现浇块3种类型，需要依次创建3种类型的节段实体模型。0号块模型的创建相对简单，但是建立桥梁实体模型时，端部横隔板必须设置。桥梁受力是通过横隔板传递给支座的，它能够承受一定的支反力和梁体的扭转变形，所以在梁体的支座位置都需要合理设置横隔板。根据连续桥梁的受力特点，连续桥梁的中间块要设置为变截面，截面的变化规律最常采用折线或二次抛物线。除此之外，为满足不同截面位置处的受力情况，箱型截面的顶板、底板和腹板厚度也是变化的，这无疑会增加建模的难度，一般会采用节段式的建模方法或者函数关系式的建模方法，本案例模型采用节段式的建模方法。节段式的建模方法需要将各节段的截面关键参数详细地输入到用户界面中，函数关系式的建模方法只需将0号块及中间现浇块截面参数输入到用户界面，依次选择梁体截面（顶板、底板、腹板厚度）的变化关系函数式，可以轻松建立梁体模型。函数关系式的建模方法模型的参数化程度更高，操作步骤更加简单。现浇块建立完成后，程序执行截面融合命令，相邻节段截面开始融合，就可以轻松地创建完整的实体模型。
图 4为雁山大道东及连接线大桥模型。结果显示，开发的程序能够准确快速地创建桥梁实体模型。
图4 雁山大道东及连接线大桥模型
首先，在SCDM的工具菜单栏里选择脚本工具，点击BridgeGen工具按钮，就可以弹出用户输入对话框（如图5所示）。
图5 BridgeGen脚本工具
然后在用户输入对话框里按照参数名称及其下方的提示帮助下，输入桥梁路线数据和箱梁截面关键参数。参数输入完成后，经确认无误，方可点击输入框下方的“创建模型”，等待程序运行生成桥梁实体模型。用户输入对话框界面如图6所示。
图6 用户输入对话框
模型创建完成后程序会自动弹出创建成功提示窗，提示模型创建完成。整个梁实体单元的创建过程会在几秒内完成。梁实体单元如图7所示。结果显示，本文开发的程序能够准确快速地实现参数化实体模型的创建。
图7 梁实体单元
至此，桥梁参数化的实体模型创建完成，后续我们可以继续在前处理阶段定义材料属性（钢筋混凝土结构的弹性模量、密度和泊松比），添加支座约束、施加桥面荷载、网格划分等步骤，然后对桥梁实体进行数值分析，验证梁体的可靠性，根据分析结果反馈的问题，及时调整桥梁单元的几何尺寸。在对模型的几何或拓扑参数进行调整时，按照以上操作步骤，只需重新启动脚本参数按钮，在弹出的用户输入对话框里输入调整后的桥梁实体模型参数值，再次创建模型即可。开发的该程序能够简便快捷地实现模型的调整更新。
本文使用IronPython脚本语言、SCDM API（直接建模工具SCDM的编程接口）和WinForms（客户端软件开发平台）窗体开发技术，实现参数化建立多跨变截面箱梁模型，从而避免了模型从外部导入文件内容丢失的风险，并且简化了建模流程，整个过程无须人工干预，大大减少直接建模花费的时间，在建模及参数管理上有很大的优势。
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