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ANSYS前处理与AutoCAD的集成


第 21 卷第 1 期 2004 年 3 月 

华 中 科 技 大 学 学 报 ( 城市科学版) J. of HU ST. (U rban Science Ed ition )

V o l 21 N o. 1 . M a r. 2004

AN SYS 前处理与 A u toCA D 的系统集成
梁声闻1  杨新华1  杨文兵1  龚亚琦1
( 1. 华中科技大学 工程计算与仿真研究所, 湖北 武汉 430074)

摘 要: 介绍了一种基于 O b jectA RX 的 AN SYS 前处理与 A u toCAD 的系统集成方法. 开发的系统以面向对象
SYS 有限元模型.

1 AN SYS 与 A u toCAD

软件, 它计算分析功能强大, 其前处理模块提供了 强大的图形处理功能. A u toCAD 是广泛应用的 图形系统, 它操作简单, 功能强大, 易学易用, 工程 人员比较熟悉. 在工程应用中希望将 A u toCAD 图形系统的优势和 AN SYS 的强大计算功能结合 起来. AN SYS 和 A u toCAD 各自带有的二次开发 功能为这一想法的实现提供了可能性 . AN SYS 的二次开发技术主要包括 U PF s, U I , 和 A PDL. U PF s 是用户子程序, U I DL DL 是 编写、 定制 AN SYS 图形界面的专用语言, 能够实 现系统主菜单、 菜单项及对话框的界面功能 通过 . 这些图形界面, 用户可以调用 AN SYS 内部命令 及用户编写的 A PDL 程序, 用户子程序. U I DL 文 件以 GRN ” “ 为后缀名. A PDL 是一种参数化解释 语言, 它能将 AN SYS 命令有机组织起来完成系 统的分析. A PDL 具有计算机语言要素, 如循环、 判断、 分支、 变量、 子过程 ( 宏) 、 数学函数及 AN 2 . SYS 函数等 用户应用 A PDL 可进行系列产品的 分析, 甚至可以开发用户自己的专用程序. O b jectA RX 应用程序是一个共享 A u toCAD 地址空间, 被 A u toCAD 直接调用的 DLL ( 动态链 接库). O b jectA RX 编程环境提供了一个面向对 象的 C + + 应用程序开发界面, 用户可以访问 A u toCAD 的数据库, 与 A u toCAD 编辑器交互作 用, 利用 M FC 创建用户界面, 创建自定义类 .
收稿日期: 2003209226.

作者简介: 梁声闻 (19762) , 男, 硕士研究生; 武汉, 华中科技大学工程计算与仿真研究所 (430074).

的 O b jectA RX 作为开发工具, 实现与 A u toCAD 的无缝结合, 能够方便地将 A u toCAD 几何模型转换为 AN 2 关键词: 有限元前处理;  二次开发;  AN SYS;  A u toCAD;  O b jectA RX 中图分类号: T P 319: U 433  文献标识码: A   文章编号: 167227037 ( 2004) 0120081203

2 前处理的实现

AN SYS 是我国引入较早的大型通用有限元

AN SYS 在进行桥梁的整体分析时常采用

. beam 单元 相对于实体单元, beam 单元的计算精

度有所不足, 但其好处也是明显的. 首先是建模简 单、 快捷; 其次是载荷、 边界条件的施加方便, 对集 中力、 弯矩及扭矩的处理明确; 最后是后处理, 单元能够直接得到单元的内力结果, 而这正 beam 是 桥 梁 设 计 中 所 需 要 的. AN SYS 提 供 的 beam 188 和 beam 189 等单元具有用户自定义截 面, 用户只需要输入自定义的截面, 而不用手工计 算截面的几何参数, 大大方便了用户的使用. 因此 对于桥梁工程中常使用的 beam 和 link 单元, 所

开发的系统须具有截面导入功能, 能够实现从 A u toCAD 几何模型到有限元计算模型的转换 ( 图 1).

图 1 前处理的实现过程

2. 1 截面的导入

桥梁工程里, 构件的截面在 A u toCAD 中一 般都是以曲线来描述, 而不是直接用面来描述的 . 这些曲线在 A u toCAD 的数据库中没有相互联 系, 即 A u toCAD 无法得知构成截面的曲线以及 这些曲线的排列顺序. 因此, 要对构成截面的几何 线条进行识别, 根据构成截面的几何曲线, 转换形

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成 AN SYS 中的面. 利用 A u toCAD 的搜索函数 “bounda ry ”可以识别构成截面的几何曲线. 该函 , 数根据截面的边界生成一闭合的 A cD bPo ly line. A cD bPo ly line 是平面内线的连续集合, 从 A cD 2 bcu rve 派生, 能提供顶点坐标和顶点凸度系数 (bu lge ) 等信息 凸度系数可以根据公式 2H L 计 . 算, H 为弧的高度, L 是弦长. 根据 A cD bPo ly line 的几何信息, 利用 C + + 的文件流类可以生成 . 线 A PDL 文本文件 A PDL 文件通过调用关键点、 和面的生成函数以及布尔操作函数等来构造截 面 AN SYS 解释执行此文件, 即可生成与 CAD . 中几何信息一致的截面. 值得注意的是,“bounda ry ” 函数只能处理闭 合的曲线, 对于有缺口的非闭合曲线则无法处理 . 由于截面绘图时难免出现一些误差, 以致出现肉 眼无法察觉的缺口, 而使曲线不闭合, 因此, 有必 要对 A u toCAD 中的截面进行预处理, 使得在一 定容差范围内分属两条曲线的两点重合为一点, 保证截面边界闭合. 刚构桥等变截面桥截面高度沿纵向变化比较 大, 建模时需较多的截面才能模拟出梁沿纵向的 形状改变. 为此, 需通过程序算法自动生成截面. 实现方法为: 首先获取标准截面; 然后根据梁底纵 向线型, 移动标准截面下底板上的点 ( 可把位于截 面几何形心下的点视为下底板上的点) , 移动的距 离根据梁底纵向线型确定 ( 图 2) ; 最后根据生成 截面上点的几何信息, 生成 AN SYS 中的截面.
图 2 截面的自动生成

2. 2 模型的转换

在将要转换的 CAD 图形中, 构件以单根曲

线如直线、 圆弧等来描述, 对应于有限元中梁、 杆 等单元, 称这些几何曲线为几何对象. 几 何 对 象 保 存 于 A u toCAD 数 据 库 中, 是

能够以图形显示出 A u toCAD 系统内部定义的、 来的实体类 (A cdbEn t ity ) 的实例化. 每个对象都 终点坐标和法向; 圆弧有圆心坐标、 半径、 起始角

拥有特定的几何参数信息, 例如直线有起点坐标、 度和终止角度等. 在 CAD 中, 可以通过选择几何 对象进行查询, 从而获取相关的几何信息 有限元 .

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计算中的单元除了几何信息外, 还有有限元的相 关数据信息: 材料、 节点及边界条件等, 这些信息 称为特征属性. 单元的数据信息 ( 特征属性) 可以 通过对话框等输入途径获取. 起初, 几何对象和特 征属性是相互独立的, 没有关联. 然而, 构建有限 元模型需要有完整的信息, 因此, 在模型转换过程 中必须将特征属性对象和几何对象关联起来, 然 后整理、 输出到一个文件中. 该文件是 AN SYS 的 A PDL 语言文件, 包含了相关数据信息以及利用 这些数据信息进行建模的命令语句 ( 如 K 生成关 键点, L ine 生成线, O p era te 进行布尔操作,M esh 进行网格划分等). AN SYS 调用该文件, 解释执 行, 实现建模功能 . A u toCAD 提供的关联方法主要有: 扩展数 据、 扩展记录、 扩展词典和实体类派生等. 扩展数 据、 扩展记录都需要结果缓冲区, 操作烦琐且不直 观 派生实体类有关方法的重载使得开发工作量 . 急剧增大, 实现难度很大 扩展词典的要求虽然比 . 扩展数据、 扩展记录更高, 但它也为添加数据提供 了更灵活的机制和更高的容量. 扩展词典方法采 用命名关键字机制, 把关键字作为索引使用, 每个 对象可以拥有一个扩展词典, 其步骤如下. . a. 选择几何对象 b. 用 A cD bO b ject: : crea teEx ten sion D ict io 2 . na ry () 函数为该对象生成一个扩展词典 c. 用 A cD bO b ject: : ex ten sionD ict iona ry () 函 数获取扩展词典的对象 I D. d. 利用全局函数 acdbO p enO b ject ( T OB 2 J ECT 3 & pO b j, A cD bO b ject Idob jId, A cD b: : O p enM ode m ode, boo l op enE ra sed = fa lse ) 打 开扩展词典. e. 用 A cD bD ict iona ry: : setA t ( con st cha r 3 在 A cD bD ict iona ry: : setA t ( ) 中, newV a lue 是 指 向 A cD bO b ject 对 象 的 指 针. 因 此 可 以 从 A cD bO b ject 派生出包含有关特征属性信息的自 定义对象, 然后把该对象加入到对象的扩展词典 中, 实现关联. 下面是派生自定义对象的实例.
{ cla ss FemB eam : p ub lic A cD bO b ject p ub lic:

srchKey, A cD bO b ject 3 newV a lue, A cD b O b 2 . ject Id & retO b jId ) 向扩展词典添加自定义对象
in t nodea, nodeb; in t elem en t; in t m a teria l; doub le loada, loadb;

……

第1期 以上添加有关的属性信息
p ub lic:

梁声闻等: AN SYS 前处理与 A u toCAD 的系统集成

      ?83?

A CRX D ECLA R E M EM B ER S (FemB eam ) ; FemB eam () ; F iler 3 ) ; F iler 3 ) ; }. virtua l A cad: : E rro rSta tu s dw g InF ield s (A cD bDw g2 virtua l A cad: : E rro rSta tu s dxf InF ield s (A cD bD xf2 virtua l A cad: : E rro rSta tu s dxfO u tF ield s (A cD bD xf2

事件函数给 CAD 发送一个消息时, CAD 的内部 指令不会立即停下来处理消息, 因此必须考虑指 令执行的先后顺序, 才能正确地实现交互操作 .

将定期获得 WM _ A CAD _ KEEPFO CU S_ W I 2 N DOW S 消息, 如果对话框要保持焦点, 那么在消 息处理函数中将返回 TRU E, 否则返回 FAL SE. 再如 A cA pDocM anager: : sendSt ringToExecu te ( ) 和 SendM essage () 都采用消息传递, 这两个消息

w gF iler3 ) con st; F iler 3 ) con st;

. A cD bD ict iona ry Itera to r 的实例对象进行查找 2. 3 界面的设计

A RX 提供的 M FC 库可分为 A dU i 和 A cU i 两个

R esou rceO verride. CA cEx ten sionM odu le 追踪模 块的资源源和缺省资源源, 使得 M FC 在缺省资

DLL 程序创建一个 CA cEx ten sionM odu le 类的 实 例 ( 可 以 利 用 A C _ I PL EM EN T _ EXT EN 2 M S I _ M ODU L E () 宏简化操作). 当实现资源源 ON

几何数据, 同样可以采用自定义对象作为载体存 储 在数据库的命名字典 (N am ed O b ject D ict io 2 . na ry ) 中 字典类数据可以通过 A cD bD ict iona ry: : getA t ( ) 查找关键字或者通过生成词典遍历器
A RX 提供了一系列基于 M FC 的类, 给软件

开发者提供了方便快速地建立用户界面的方法.

库 A dU i 是一般库; A cU i 是特殊库, 包含了 CAD . 的外观和行为, 利用这些类库开发的用户界面可

与 CAD 实现无缝结合. A RX 与 CAD 共享 M FC 库时, 资源管理是相当重要的. A RX 提供了两种

机制: 显式设置资源的方法—获取资源句柄, 设置

资源, 然后恢复资源; 利用 A RX 提供的两个管理 资 源 的 类: CA cEx ten sionM odu le 和 CacM odu le

源和模块资源之间的查找和转换更为简单. 首先

的转换功能时, 生成 CA cM odu le R esou rce O ver2 ride 的一个实例; 当 CA c odu le R esou rce O ver2 M ride 对象被构造时, 新的资源源被转换进来; 当对 象被析构时, 原来的资源源被恢复. 此外, 还需注 意 A RX 中 M FC 的消息机制. 例如非模式对话框

virtua l A cad: : E rro rSta tu s dw gO u tF ield s (A cD bD 2

……

对于其它与几何实体对象没有直接关联的非

图 3 导入的有限元模型

前处理的界面设计完成以后, 通过 GU I 的选 择等操作, 可以提取结构的各种几何数据, 以及有 限元的边界条件、 材料、 荷载和截面等属性, 形成 有限元模型. 图 3 中的模型, 使用了 beam 188 单 元, 截面采用智能网格划分. 具体操作过程是: a. 选择标准截面, 自动生成截面, 并对生成的截面进 行有序地编号; b. 选择几何模型, 把截面编号等参 数信息赋予给代表构件的几何对象 ( 即和几何对 象关联) ; c. 导出 A PDL 文件. A PDL 文件通过调 用关键点、 线的生成、 网格划分函数以及其它建模 函数, 构造有限元模型. 如果在 AN SYS 中直接 建模, 由于是不等截面梁, 沿着梁纵向须分成较 多数量的截面, 才能使得有限元模型较为精确. 而 AN SYS 中每个截面都需要手工创建面, 划分网 格, 给各个截面编号, 再保存到截面文件中, 最后 才能根据截面的编号分配给相应的梁段. 整个操 作过程繁琐重复, 效率是比较低的.

3 结 语
利用 AN SYS 与 A u toCAD 提供的二次开发 技术开发建立在 CAD 平台上的前处理程序, 实 现了对 AN SYS 中有关建模命令的封装, 对于梁 杆、 桁架等由线描述的构件能减少在 AN SYS 中 建模的工作量, 帮助工程人员快速地建立有限元 模型, 进行有限元分析计算. 目前, 在我国土木工 程领域, A u toCAD 和 AN SYS 的使用十分广泛, 因此作者提出的方法具有较高的实用价值. 下转第 96 页

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  96? ?            华 中 科 技 大 学 学 报 ( 城市科学版)             2004 年
stra in ts, Sep tem ber, 2000. Section 18 [ 2 ]  D inesh J Pa tel Shock T ran sm ission un its in b ridge . eng ineering [ J ]. Eng ineering W o rld, N ovem ber, 2000. O ctober

冲击传递装置 ( STU ) 设计及其在孟加拉国帕克西桥中的应用
谢红兵1
( 1. 中铁大桥勘测设计院, 湖北 武汉 430050)

摘 要: 工程师设计桥梁时可选用的结构装置越来越多, 这些装置能改变特定时段内桥梁的特性. 工程师可使用阻尼器 或隔振装置来减小桥梁受力, 或使用冲击传递装置 (STU ) 来加固桥梁. 这种冲击传递装置能及时锁定并传递荷载从而形 成一个固接的整体结构. 重点介绍了 STU 在孟加拉国帕克西桥中的应用. 由于梁体超长, 帕克西桥中使用的最大 STU 行程超过 750 mm , 极限承载力达 11 500 kN , 总安装长度 3 530 mm , 是曾经应用于桥梁中的最大的 STU 之一. 关键词: 冲击传递装置;  抗震设计;  试验;  帕克西桥

( 上接第 83 页)
参 考 文 献

[ 1 ]  李世国 A u toCAD 高级开发技术 A RX 编程及应用 . [M ]. 北京: 机械工业出版社, 1999. [ 2 ]  孙江宏, 丁立伟, 米 洁. A u toCAD O b jectA RX 开

发工具及应用 [M ]. 北京: 清华大学出版社, 1999.
[ 3 ]  宋延杭, 王 川, 等. O b jectA RX 应用指南 [M ]. 北

京: 人民邮电出版社, 1999.

System In tegra t ion of ANSY S Preprocessor and AutoCAD
1 1 1

Abstract: A new m ethod of sy stem in teg ra t ion of AN SYS p rep rocesso r and A u toCAD is d iscu ssed.

W ith the O b jectA RX a s a developm en t too l, the sy stem can be em bedded in to A u toCAD seam lessly . it ea sier fo r eng ineering designers to u se AN SYS fo r ana lyzing b ridge st ructu res

. and t ran sfer an A u toCAD geom et ric m odelto an AN SYS fin ite elem en t m odel T he m ethod w ill m ake Key words: fin ite 2elem en t p rep rocessing; seconda ry developm en t; AN SYS; A u toCAD; O b jectA RX
? 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.

L IA N G S heng 2 en   YA N G X in 2hua   YA N G W en 2bing   GON G Y a 2qi w

( 1. In st. of Eng. Ca lcu la t ion & Si u la t ion, HU ST , W uhan 430074, Ch ina ) m

[ 4 ]  余承飞. 方 勇 A u toCAD 2000 二次开发技术 (O b 2 . jectA RX ) [M ]. 北京: 人民邮电出版社, 1999. [ 5 ]  谭也平 工程结构电算与 OO P 编程 [M ]. 北京: 中 .

国建材工业出版社, 1999.

[ 6 ]  邵俊吕, 李旭东 A u toCAD O b jectA RX 2000 开发技 .

术指南 [M ]. 北京: 电于工业出版社, 2000. 算机辅助工程, 2003, 22 ( 1) : 53258.

[7 ]  谭也平. 有限元前处理系统的图形集成实现 [J ]. 计

1


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