Ansys中DuncanChang本构模型的二次开发

ANSYS的二次开发技术ANSYS 的二次开发技术ANSYS 提供的二次开发工具有三个：参数化设计语言(ANSYS Parametric Design Language，APDL)，用户界面设计语言(User Interface Design Language，UIDL)以及用户可编程特性(User Programmable Features，UPFs)。

其中，前两种可归类为标准使用特性，后一种为非标准使用特性。

ANSYS 参数化设计语言(APDL)APDL 扩展了传统有限元分析范围之外的能力，提供了建立标准化零件库、序列化分析、设计修改、设计优化以及更高级的数据分析处理能力，包括灵敏度研究等。

ANSYS 用户可编程特性(UPFs)利用UPFs，用户可以开发下列方面的功能程序：(1) 开发用户子程序实现从ANSYS 数据库中提取数据或将数据写入ANSYS 数据库。

该种子程序可以编译连接到ANSYS 中，此时ANSYS 提供了10 个数据库操作命令；如果作为外部命令处理，可以在ANSYS 的任何模块中运行；(2) 利用ANSYS 提供的子程序定义各种类型的载荷，其中包括BF 或BFE 载荷、压力载荷、对流载荷、热通量和电荷密度等；(3) 利用ANSYS 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；(4) 利用ANSYS 提供的子程序定义新单元和调整节点方向矩阵，ANSYS 最多可以有6 个独立的新单元USER100-USER105；( 5) 利用ANSYS 提供的子程序修改或控制ANSYS 单元库中的单元；(6) 利用UEROP 创建用户优化程序，可以用自己的算法和中断准则替换ANSYS 优化过程。

(7) ANSYS 程序作为子程序在用户程序中调用，如用户自定义的优化算法。

ANSYS 软件本身是通过FORTRAN 和C 语言开发的。

使用UPFs 进行二次开发，在安装ANSYS 的基础上，还需要Compaq Visual FORTRAN 和MS Visual C++的支持。

ANSYS二次开发思路一、基于VC++和ANSYS组合的开发：1.整体思路：利用VC++ 6.0设计界面，设计人员在界面上输入相应的参数。

设置提前已经建好的命令流文件中的对应参数。

将命令流文件提交给ANSYS软件进行批处理操作，分析计算后生成各种结果。

通过点击界面的按钮来查看输出的图形等结果。

2.设计中的关键点：2.1 修改命令流相应的参数：ANSYS软件自带一种批处理语言APDL语言，APDL命令流文件中包含了设置参数的命令，因此可以将修改的参数输入到命令流文件中。

2.2 调用ANSYS软件进行分析：通过VC++ 6.0自带的调用其他应用程序的函数，启动ANSYS运行命令流文件。

2.3 结果的显示：如何实现图形结果的显示是设计的一个关键和难点，在这个软件设计中，通过对后处理部分的封装，实现了用户点击界面的按钮就可以在对话框中显示结果的功能。

二、基于VC++和ANSYS相对分离的开发：1.整体思路：用VC++设计一个文本框，可以输入需要修改的参数，修改之后点击按钮，就可以在ANSYS的工作目录下生成与输入参数相关的建模分析和显示相关的命令流清单的宏文件。

然后当再点击结束按钮时，自动退出上面的界面。

进入ANSYS7．0的主界面，这时在ANSYS7．0的toolbar栏中应包括可以调用相应宏的按钮，当点击相关的按钮后，就可以达到自动调用前面生成的宏，自动完成建模加载分析，自动显示的目的。

2.特点：这种思路由于利用了VC++和ANSYS相对独立的开发，比第一种思路完成起来简单。

三、利用ANSYS的二次开发技术直接在ANSYS软件上进行开发：1.整体思路：ANSYS为用户进行程序界面设计提供了一种专用语言即UIDL。

UIDL是一种程序化的语言，它允许用户改变ANSYS的图形用户界面(GUI)中的一些组项。

UIDL提供了一种允许用户灵活使用、按个人喜好来组织设计ANSYS图形用户界面的强有力工具。

在修改参数方面ANSYS提供参数设计语言APDL，以更方便的方式进行程序编辑。

文章编号:1007Ο2993(2004)02Ο0100Ο03ANS YS 结构计算二次开发技术研究及应用 李新坡1 袁文忠2(11中科院Ο水利部成都山地灾害与环境研究所,四川成都　610041;21西南交通大学土木工程学院,四川成都　610031) 【摘　要】　针对采用大型有限元程序ANSYS 进行结构计算中存在的问题,对以ANSYS 为平台,利用APDL 语言进行的计算程序二次开发用于结构计算时的一些关键性技术进行了研究。

采用APDL 语言编程,并以预应力锚索桩为例进行计算,通过与传统算法进行比较,结果比较满意。

【关键词】　ANSYS ;APDL 语言;预应力锚索桩;二次开发技术【中图分类号】　TU 2Study on the Further Development T echnique of ANSYS and Its UseLi Xinpo 1 Yuan Wenzhong 2(11Chengdu Institute of Mountain Hazards and Environment ,Chinese Academ y of Sciences &Ministry of Water Conservancy ,S ichuan Chengdu 610041;21School of Civil Engineering ,S outhwest Jiaotong University ,S ichuan Chengdu 610031China )【Abstract 】　S ome important techniques are discussed to the problems in designing calculation of retaining piles on ANSYS sys 2tem.The problem can be solved by the method of programming with APDL.Also ,the method is used in the calculation of piles with prestressed anchor 2cable and the results are reasonable com pared with that acquired by routine method.【K ey Words 】　ANSYS ;APDL ;piles with prestressed anchor 2cable ;further development technique0　引　言ANSYS 是由美国ANSYS 公司开发的一种大型通用有限元分析软件。

ansys技巧总结_二次开发调试技术在调试用户子程序过程中，可以利用非《ANSYS命令参考手册》某些命令和其它特性帮助用户提供许多有用的信息。

但是，它们仅仅适合于极小问题并只包含较少迭代求解情况；否则，它们将会输出大量的数据。

下面将详细介绍/TRACK 和 /DEBUG两个命令；另外有两个ANSYS文档没有包含的命令：OUTEQ 与 /NERR。

命令OUTEQ,on 能够用于控制所有平衡迭代计算的输出结果。

命令/NERR,,,-1 使系统一直报错，并保持程序继续运行。

这时，正常的中断方式有：1) 系统中断； 2) 错误结果。

1、跟踪程序运算逻辑顺序/TRACK命令：当程序按逻辑顺序进入和离开某些更高级别的子程序时发送一条信息。

子程序的TrackBegin（开始）和TrackEnd（结束）(参看UPFs第六章)一起构成/TRACK命令的程序跟踪。

然后，按下列格式执行命令：/TRACK,MonLevel,PrintLevel,SumLevel其中：MonLevel是时间监视级别；PrintLevel是进入/退出输出状态开关；SumLevel是输出累积时间状态开关。

这三个参数可以是0到9之间的任何值(缺省为0)。

用户可以使用/TRACK命令查找出程序中断发生的代码位置。

例如，将所有子程序标识为八个级别，以便确定程序进入与退出它们的时间, 此时用户应当执行的命令为：/TRACK,,82、调试单元与求解/DEBUG命令能够在输出的许多位置点进行调试。

/DEBUG命令具有下列三种调试格式：求解（solution）调试格式单元（element）调试格式一般调试格式（1）求解（solution）调试格式执行命令：/DEBUG,-1,F1,F2,F3,F4,F5,F6,F7,F8,F9参数说明：F1—1 (输出基本求解结果控制调试结果)F2—1 (输出使用Newmark常数的瞬态计算调试结果)2 (输出使用速度与加速度的瞬态计算调试结果)F3—1 (输出单元矩阵调试结果，包括矩阵与载荷矢量)2 (输出单元矩阵调试结果，只包括载荷矢量)3 (输出单元矩阵调试结果，包括矩阵对角元素和载荷矢量)F4—1 (输出自动时间步长(auto time stepping)调试结果)F5—1 (输出多物理场调试结果)F6—1 (输出弧长(arc-length)调试结果)F7—1 (输出基本Newton-Raphson调试结果)2 (输出Newton-Raphson调试结果，包括非平衡力或增量位移或每个DOF)3 (输出Newton-Raphson调试结果，包括施加载荷与每个DOF 上的n-r恢复力)F8—1,2 (输出位移矢量以及位移指针调试结果)2 (输出位移矢量以及增量位移调试结果)3 (输出位移矢量以及接触数据库调试结果)F9—1 (输出临时程序员调试结果)（2）单元(element)调试格式执行命令：/DEBUG,-3,G1,G2,G3,G4,G5,G6,G7,G8,G9参数说明：G1—1 (输出基本单元通过(pass)调试结果)G2—1 (输出单元位移和坐标调试结果)G3—1 (输出单元矩阵调试结果，包括矩阵与载荷矢量)2 (输出单元矩阵调试结果，只包括载荷矢量)3 (输出单元矩阵调试结果，包括矩阵对角元素和载荷矢量)G4—1 (输出单元载荷调试结果)G5—1 (输出单元实常数(real constant)调试结果)G6—1 (输出单元存储变量(saved variable)调试结果)G7—1 (输出线性材料特性单元材料特性调试结果)2 (输出非线性材料特性单元材料特性调试结果)G8—1,2 (输出塑性单元非线性调试结果)2 (输出大变形单元非线性调试结果)3 (输出接触数据库单元非线性调试结果)G9—1 (输出临时程序员调试结果)（3）一般调试格式执行命令：/DEBUG,H1,H2,,H4,H5参数说明：H1—1 (输出文件头纪录(file header record)信息)2 (输出字符输入行(character))3 (输出解码输入行(decoded))H2—1 (输出波前重新排序(wavefront reordering)与单元检查调试结果)2 (输出网格划分调试结果)H4—1 (输出节点坐标系转换格式调试结果)2 (输出位移更新调试结果)H5—1 (输出pre-单元、单元特性(characteristics)以及单元场载荷调试结果)。

邓肯张本构模型在FLAC3D中的开发与实现一、本文概述随着计算机技术的不断发展和数值模拟方法的日益成熟，岩土工程领域的数值模拟分析已成为研究岩土工程问题的重要手段。

邓肯张本构模型（Duncan-Chang Constitutive Model）作为一种能够描述岩土材料非线性、弹塑性行为的本构模型，在岩土工程领域具有广泛的应用。

然而，在岩土工程数值模拟软件FLAC3D中，邓肯张本构模型并未直接内置，因此需要对其进行开发与实现。

本文旨在探讨邓肯张本构模型在FLAC3D中的开发与实现过程。

将介绍邓肯张本构模型的基本原理和特点，包括其应力-应变关系、屈服准则、硬化法则等。

然后，将详细阐述如何在FLAC3D中通过用户自定义本构模型（User-Defined Constitutive Model）接口实现邓肯张本构模型，包括模型的初始化、应力更新、应变更新等关键步骤。

还将讨论邓肯张本构模型在FLAC3D中的数值实现方法，如如何设置模型参数、如何处理模型的非线性问题等。

通过本文的研究，旨在为FLAC3D用户提供一种在岩土工程数值模拟中应用邓肯张本构模型的有效方法，也为其他岩土工程数值模拟软件的本构模型开发与实现提供借鉴和参考。

本文的研究成果将有助于提高岩土工程数值模拟的准确性和可靠性，推动岩土工程领域的数值模拟研究向更高水平发展。

二、邓肯张本构模型基本理论邓肯张本构模型（Duncan-Chang Model）是一种广泛使用的岩土工程材料本构模型，主要用于描述土的应力-应变关系。

该模型基于土的弹塑性理论，能够模拟土的非线性、弹塑性和剪胀性等行为。

邓肯张本构模型的基本假设包括土的应力-应变关系是非线性的，土的应力路径对其后续行为有影响，以及土的体积变化与其应力状态有关。

模型的核心在于其应力-应变关系的数学描述，其中包括弹性部分和塑性部分。

在弹性部分，邓肯张模型采用了切线弹性模量来描述土的弹性行为，这个模量随着应力的变化而变化，体现了土的非线性弹性特性。

ANSYS二次开发概述标准ANSYS程序是一个功能强大、通用性好的有限元分析程序，同时它还具有良好的开放性，用户可以根据自身的需要在标准ANSYS版本上进行功能扩充和系统集成，生成具有行业分析特点和符合用户需要的用户版本的ANSYS程序。

开发功能包括四个组成部分：⑴．参数化程序设计语言（APDL）⑵．用户界面设计语言（UIDL）⑶．用户程序特性（UPFs）⑷．ANSYS数据接口APDL所能实现的功能通俗的说来应该是次于UPF而强与UIDL，但实际上是由于三者具体侧重点不同造成的：UIDL主要控制GUI界面的各类二次开发方法，涉及的分析部分就要少一些，APDL可以称其为和分析部分频繁打交道的一组小型工具，功能强大，但不和UIDL一样能够非常具体的针对某一两方面的二次开发处理，通常情况下融合在分析的角角落落中。

UPF是三者之间的最强者，能完成最复杂的二次开发工作，比如说构建新单元，复杂数据库交互，外围命令定制等，但UPF在很多情况下也借助了APDL命令来完全实现其功能。

同样也能在UIDL中嵌入APDL命令，来构建比较复杂的GUI二次开发工作。

UIDL、APDL和UPF三者各有所长，密不可分。

结合使用三者，就能够实现任何强大的分析功能。

5.2 Ansys的开发功能组成部分Ansys的开发功能由三个部分组成：参数化程序设计语言（APDL）、用户界面设计语言（UIDL）、用户程序特性（UPFs）5.2.1 参数化程序设计语言（APDL）参数化程序设计语言(APDL-ANSYS Parametric Design Language)实质上由类似于FORTRAN77的程序设计语言部分和1000多条ANSYS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。

标准的ANSYS程序运行是由1000多条命令驱动的，这些命令可以写进程序设计语言编写的程序，命令的参数可以赋确定值，也可以通过表达式的结果或参数的方式进行赋值。

ANSYS二次开发与应用简介目录1 ANSYS经典界面的二次开发简介 (2)1.1 利用ANSYS参数化设计语言（APDL）进行开发 (2)1.2 利用ANSYS用户界面设计语言（UIDL）进行开发 (3)1.3 利用ANSYS提供的接口软件与ANSYS进行实时交流 (3)1.4 ANSYS的用户可编程特征（UPFs） (3)2 ANSYS新一代协同仿真平台WORKBENCH二次开发简介 (4)3 ANSYS二次开发的典型案例 (5)4 一个ANSYS二次开发方案详细介绍（国内） (7)4.1 CCSS的构成 (7)4.2 ANSYS for CCSS与规范设计模块的关系 (7)4.3 ANSYS for CCSS的开发方案： (8)4.3.1 FEA模块将包含如下功能： (8)4.3.2 评估模块 (9)4.3.3 部件方法： (10)5 一个ANSYS二次开发成果详细介绍（国外） (11)5.1 前 言 (11)5.2 ANSYS体系结构的优势 (11)5.3 BladePro程序概览 (12)5.4 BladePro分析功能概述 (15)5.5 涡轮机械专用的后处理工具 (15)5.6 某算例的分析结果 (16)5.7 总结 (17)1ANSYS经典界面的二次开发简介1.1利用ANSYS参数化设计语言（APDL）进行开发ANSYS参数化设计语言是一种类似于FORTRAN语言的解释执行语言，它主要由两部分构成，其一为ANSYS的命令、内部函数，可以执行ANSYS的所有操作；其二为FORTRAN语言的几乎所有语法和函数，如DO循环、IF-THEN-ELSE结构、SIN和COS等所有三角函数、带参数子程序、“=”赋值语句、SQRT平方开方等运算、取绝对值、乘方等等。

因此，可以利用这种APDL语言进行各种参数化建模分析工作，当需要对模型做改动时，只需变化几个参数即可。

优点：可以用于参数化设计；与ANSYS的数据库直接通讯；可以充分利用ANSYS命令所具有的强大功能；编程容易，直管，易于调试；易于修改和扩展。

ANSYS 二次开发教程（以复合材料失效准则为例）（原创不易，盗版必究）目录第一部分 ANSYS15.0+Win7 64 位安装及 UPFs 二次开发环境设置 (2)1软件的安装 (2)2环境变量的设置 (2)3修改ANSCUST.BAT 文件 (3)4替换cvtres.exe文件 (4)5编译连接过程 (4)第二部分 userfc 子程序编制 (5)第三部分复合材料受力破坏APDL 算例（板壳模型） (6)第四部分复合材料另一个算例（实体模型） (8)附件1 算例1apdl命令流 (10)附件2 算例2apdl命令流 (12)附件3 子程序源代码 (19)第一部分 ANSYS15.0+Win7 64 位安装及 UPFs 二次开发环境设置本文给出64 位Win7 系统下ANSYS15.0 软件UPFs 二次开发环境设置方法。

本文所提供的方法仅用于个人研究学习，商业用途请购买正版软件，并按照软件商提供的方法操作。

为保证UPFs 二次开发环境的成功设置，请严格按照本文所述方法操作。

执行本文操作前，为了保证系统环境变量的清洁，系统最好是全新安装的Win7 64 位系统。

本文用到的软件为：（1）64 位ANSYS 15.0；（2）Visual Studio 2010；（3）Intel Fortran Composer XE 2013 SP1。

1软件的安装1.1ANSYS 15.0 的安装本文建议将ANSYS 15.0 安装在D 盘。

安装方法如下：Step 1 If you have installed an earlier version of ANSYS, please make sure to uninstall it, the ANSYS License Manager in especial (This can be done by deletingthe "\ANSYS Inc\Shared Files" folder, if it can not be deleted, then end the related processes in the task manager and try again!).Step 2 Install only ANSYS products on disk D, do not install ANSYS License Manager. When ask for Hostname 1, just select Skip this configuration!Step 3 After installation, Put ansyslmd.ini and license.dat into the following directory: D:\Program Files\ANSYS Inc\Shared Files\Licensing\ Modify the second line of the ansyslmd.ini into the followingline: LICKEYFIL=D:\Program Files\ANSYS Inc\Shared Files\Licensing\license.dat1.2Visual Studio 2010 的安装安装在C 盘，默认安装设置。

ANSYS的二次开发技术ANSYS提供的二次开发工具共有三个：参数化设计语言(ANSYS Parametric Design Language，APDL)，用户界面设计语言(User Interface Design Language，UIDL)以及用户可编程特性(User Programmable Features，UPFs)。

其中，前两种可归类为标准使用特性，后一种为非标准使用特性。

ANSYS参数化设计语言(APDL)APDL扩展了传统有限元分析范围之外的能力，提供了建立标准化零件库、序列化分析、设计修改、设计优化以及更高级的数据分析处理能力，包括灵敏度研究等。

ANSYS用户可编程特性(UPFs)利用UPFs，用户可以开发下列方面的功能程序：(1)开发用户子程序实现从ANSYS数据库中提取数据或将数据写入ANSYS数据库。

该种子程序可以编译连接到ANSYS中，此时ANSYS提供了10个数据库操作命令；如果作为外部命令处理，可以在ANSYS的任何模块中运行；(2)利用ANSYS提供的子程序定义各种类型的载荷，其中包括BF或BFE载荷、压力载荷、对流载荷、热通量和电荷密度等；(3)利用ANSYS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；(4)利用ANSYS提供的子程序定义新单元和调整节点方向矩阵，ANSYS最多可以有6个独立的新单元USER100-USER105；(5)利用ANSYS提供的子程序修改或控制ANSYS单元库中的单元；(6)利用UEROP创建用户优化程序，可以用自己的算法和中断准则替换ANSYS优化过程。

(7)ANSYS程序作为子程序在用户程序中调用，如用户自定义的优化算法。

ANSYS软件本身是通过FORTRAN和C语言开发的。

使用UPFs进行二次开发，在安装ANSYS的基础上，还需要Compaq Visual FORTRAN和MS Visual C++的支持。

邓肯-张E-B模型的ANSYS二次开发及应用孙明权;陈姣姣;刘运红【摘要】随着土石坝坝体高度的增加,土石坝的应力和变形分析已成为大型土石坝设计中不可缺少的一部分,有限元法是进行应力和变形分析的一种有效方法.在土石坝有限元计算中,难点主要是ANSYS中并不包含土石坝材料的本构关系.利用ANSYS提供的APDL语言二次开发平台,开发出了在土石坝工程中应用广泛的邓肯-张E-B模型,并应用于安宁水电站沥青混凝土心墙堆石坝的应力与变形计算,结果较好地反映了土石坝的实际应力变形规律.【期刊名称】《华北水利水电学院学报》【年(卷),期】2013(034)002【总页数】5页(P30-34)【关键词】ANSYS;邓肯-张E-B模型;二次开发;应力;变形【作者】孙明权;陈姣姣;刘运红【作者单位】华北水利水电学院,河南郑州450045【正文语种】中文【中图分类】TV314土石坝历史悠久，具有就地取材、施工简单、可以适用多种复杂地质条件等优势，已成为坝工界的主导坝型．随着坝体高度的增加，除了渗流和稳定计算外，其应力和变形分析已经成为大型土石坝设计中不可缺少的一部分．有限元法是进行应力和变形分析目前最准确、最有效的方法之一．ANSYS［1］是大型通用的有限元计算软件，已经成为土木建筑行业分析软件的主流，但在ANSYS中却没有适合于土石坝材料的本构模型．邓肯－张E－B模型是一种土体的本构模型［2］，被广泛应用于岩土工程中［3］．笔者通过ANSYS提供的APDL语言二次开发平台，实现了在ANSYS中对邓肯－张E－B模型的模拟．1 计算原理1．1 邓肯张E－B模型邓肯（Duncan）和张（Chang）提出的邓肯－张E－B模型是一种非线性弹性模型，非线性弹性模型是根据广义胡克定律建立刚度矩阵D，但考虑到非线性，包含在矩阵D中的弹性常数E，ν不再视为常量，而是看作随应力状态而改变的变量．1．1．1 弹性模量的计算依据邓肯－张模型，应当首先判断单元处于卸荷还是加荷状态：当（σ1－σ3）＜（σ1－σ3）0且 S＜S0时，单元处于卸荷状态，用弹性模量Eur表示;反之，单位处于加荷状态，弹性模量用 Et表示．（σ1－σ3）0为历史上曾经达到的最大偏应力，S0为历史上曾经达到的最大应力水平．对于加荷状态，切线弹性模量Et为式中：c为材料凝聚力;φ为材料内摩擦角;pa为标准大气压;σ1，σ3分别为单元的大主应力、小主应力;Rf为破坏比;K为弹性模量系数;n为弹性模量指数;Kur为卸载和再加载时的弹性模量系数;nur为卸载和再加载时的弹性模量指数．1．1．2 体积模量的计算切线体积模量采用下式计算式中：Kb为体积模量系数;m为体积模量指数．引入切线体积模量Bt后，相当于假定土的泊松比为只要确定 c，φ，Rf，K，n，Kur，nur，Kb，m 这几个参数，就可以确定邓肯－张E－B模型，而这些参数均可由常规三轴试验获得．1．2 ANSYS的二次开发原理1．2．1 APDL语言编写邓肯－张E－B模型的宏命令APDL［4－5］即 ANSYS 参数化设计语言，用其编写的邓肯－张E－B模型的宏命令如下：1．2．2 ANSYS 模拟土石坝施工分层加载［6－7］ANSYS模拟土石坝的施工填筑过程，主要利用ANSYS中的“激活”和“杀死”单元．按照填筑顺序，首先只激活地基的单元，代表只有地基，荷载是地基的自重;然后在此基础上激活第一层结构的单元，代表此时施工进行到第一层，荷载是该层结构的自重;进而按照施工顺序继续激活各层的结构，直至填筑到坝顶．有限元法利用逐级加荷增量法进行土体的非线性计算．由于计算过程涉及到非线性计算和生死单元，因此应当应用自适应下降关闭的完全牛顿－拉普森选项，即每进行一次平衡迭代，修改刚度矩阵一次．1．2．3 ANSYS 重启动分析在坝体施工阶段，为了进行下一级施工，每完成一次施工求解，必须进行重启动分析，以保证结果的正确．重启动分析并不保存生死单元的设置，因此在重启动分析时应当重新设置单元的生死情况．1．2．4 初始应力状态的设置根据邓肯－张E－B模型的公式可以看出，要计算单元的Et和Bt，必须知道单元的σ1和σ3，但每级新填筑层各单元的初始应力状态是{σ}=0．如果以此代入邓肯张公式，则Et=0，无法进行计算．通常采用下面方法确定新填筑层的初始应力状态［8－9］：式中：γ为填土的重度;h为单元形心在土层表面以下的深度;K0为土的静止侧压力系数;φ为此种材料的内摩擦角．1．2．5 计算步骤首先建立土石坝三维模型;然后通过控制单元生死来模拟土石坝的分层施工，在每一层施工完成后通过编制的宏命令来提取各个活单元的最大、最小主应力，执行宏修改每个单元的弹性常数;再把当前填筑高度所计算的结果作为下次继续计算的初始条件进行重启动计算．从而可动态模拟土石坝的施工过程，并在每一层填筑的过程中动态修改土石坝的弹性常数，进而可实现邓肯－张本构模型在土石坝中的应用．1．2．6 对结果进行后处理后处理程序的基本设计思想［10］是：将没有填筑部分的坝体位移归零．实现方法如下：假设坝体共分n层进行填筑，进行了n步计算，则每一步都包含所有坝体单元的计算结果．对于第一层，第n步的计算结果中的第一层单元的结果即为真实结果;第二层单元的结果需要用第n步的计算结果减去第1步的计算结果得到;同理，第i步的计算结果应当用第n步的计算结果减去第（i－1）步的计算结果得到．假如要求蓄水后正常运行期位移，则可以利用前述步骤求得的结果，加上水压力单独作用下坝体产生的位移．2 工程实例2．1 计算模型安宁水电站拦河坝为沥青混凝土心墙堆石坝，坝顶高程为2 135．00 m，最大坝高62．00 m，坝顶宽度10．00 m，坝顶轴线长度336．00 m．沥青混凝土心墙厚度为0．80 m，心墙基础位于混凝土垫座上，垫座宽3．00 m，高3．00 m．坝体河床覆盖层最大深度约为92．00 m．坝基防渗形式采用混凝土防渗墙（坝基覆盖层）和帷幕灌浆（坝基基岩），混凝土防渗墙最大深度为87．00 m，厚度为1．00 m．拦河坝筑坝材料分区从上游到下游分为上游干砌石护坡（厚度为1．00 m）、上游垫层（厚度为 0．50 m）、上游堆石区、上游2．00 m厚过渡层、沥青混凝土心墙（厚度为0．80 m）、下游 3．00 m 厚过渡层、下游堆石区、下游垫层（厚度为0．50 m）、下游干砌石护坡（厚度为1．00 m）．在下游坝基设置厚为1．00 m的过渡料和厚为1．00 m水平反滤层．水库设计正常蓄水位高程为2 130．00 m．计算选取具有代表性的土石坝断面建立二维有限元模型．共剖分2 671个节点，2 617个单元．分8个荷载步，地基为第1荷载步，坝体填筑分为6个荷载步，蓄水到正常蓄水位为1个荷载步．边界条件：底部取竖直约束，上、下游取水平约束．计算取定的坐标系：x为顺河向，指向下游;y为竖直向，方向向上．2．2 计算工况及计算参数计算工况：竣工期（坝体自重）;蓄水期（坝体自重、浮托力、水压力），蓄水期上游正常蓄水位57．00 m．计算参数见表1和表2．表1 覆盖层及坝体土石料计算参数材料堆积密度/（kN/m3）模型参数c/kPaφ0/（°）△φ/（°） Rf K n Kb邓肯－张E－B m 23．0 0 47．3 6．4 0．79 960 0．25 500 0．34含卵含砾中粗砂层 18．5 0 35．0 1．0 0．71 320 0．38 200 0．39含砂含漂卵、砾石 21．0 0 43．5 3．6 0．93 500 0．48 280 0．15含卵含砾中砂 18．5 0 35．0 1．0 0．71 300 0．38 180 0．39含砂砾石、卵石21．0 0 43．5 3．6 0．93 500 0．48 280 0．15含砾粉细砂 17．5 0 35．4 1．4 0．68 300 0．42 180 0．53含砂含砾卵、漂石 23．0 0 47．3 6．4 0．79 960 0．25 500 0．34上游堆石Ⅰ 21．0 0 52．0 10．0 0．72 1 3000．21 700 0．10下游堆石Ⅰ 21．0 0 53．0 11．0 0．73 1 450 0．23 750 0．10下游堆石Ⅱ 21．0 0 51．0 9．5 0．70 1 200 0．20 600 0．15反滤料20．5 0 48．0 10．5 0．85 750 0．45 440 0．21过渡料 21．0 0 50．0 12．5 0．88 840 0．43 480 0．12沥青混凝土心墙含砂含砾漂、卵石24．0 300 30．0 0．0 0．60 400 0．20 1 000 0．70表2 混凝土及基岩参数cE名称φ0/kPa /（°）/GPa ν密度/（g/cm3混凝土防渗墙）2 000 48 22 0．17 2．4基岩2 000 48 30 0．17 2．43 计算分析竣工期及蓄水期对应坝体及覆盖层的大小主应力、位移如图1至图8所示．图形只截取中间较重要的一段，自上游坝角向上游延伸132．42 m，自下游坝角向下游延伸138．03 m．图中应力的符号规定为：压应力为正，拉应力为负，单位为MPa;位移的符号规定为：竖向位移以向下为正，水平位移以向下游方向为正，单位都为cm．3．1 坝体竣工期竣工期坝体最大沉降为50．70 cm，占最大坝高图1 竣工期坝体及覆盖层竖直位移（单位：cm）竣工期大主应力如图3所示．可以看出在防渗墙以及防渗帷幕与基岩接触部位附近，有应力集中现象．坝体大主应力的最大值为1．48 MPa，发生在坝底靠近心墙的位置．竣工期小主应力如图4所示．图3 竣工期坝体及覆盖层大主应力（单位：MPa）3．2 坝体初次蓄水初次蓄水后坝体的最大沉降为56．60 cm，与竣工时相比沉降了5．90 cm，发生的位置仍然是在上、下游坝体中部与覆盖层邻近的位置处，如图5所示．图5 初次蓄水坝体及覆盖层竖直位移（单位：cm）竣工期大主应力如图7所示．可以看出在防渗墙以及防渗帷幕与基岩接触部位附近，有应力集中现象．坝体大主应力的最大值为1．58 MPa，依然发生在坝底靠近心墙位置处．竣工期小主应力如图8所示．可以看出蓄水后，由于水荷载的作用，上游坝壳内的小主应力急剧减少，心墙及下游坝壳内的小主应力有所增大，不再是对称分布．坝体小主应力的最大值为0．47 MPa，发生在下游堆石体下方靠近覆（62．00 m）的0．82%，发生在上、下游坝体中部与覆盖层邻近的位置处，如图1所示．向上游水平位移最大值2．66 cm，占最大坝高的0．04%，发生在上游覆盖层内;向下游水平位移最大值7．93 cm，占最大坝高的0．13%，发生在下游覆盖层内，如图2所示．可以看出小主应力关于心墙和防渗墙对称分布，坝体小主应力的最大值为0．24 MPa，发生在围堰下方接近覆盖层位置处．与竣工期相比，蓄水后坝体及覆盖层的水平位移变化较为明显，覆盖层的向下游水平位移达到了19．87 cm，占最大坝高0．32%，如图6所示．盖层处．图2 竣工期坝体及覆盖层水平位移（单位：cm）图4 竣工期坝体及覆盖层小主应力（单位：MPa）图6 初次蓄水坝体及覆盖层水平位移（单位：cm）图7 初次蓄水坝体及覆盖层大主应力图（单位：MPa）图8 初次蓄水坝体及覆盖层小主应力图（单位：MPa）4 结语1）在ANSYS软件中，开发邓肯－张E－B模型是完全可行的，ANSYS提供的二次开发功能能够满足实际的需要．2）利用ANSYS二次开发功能进行的土石坝计算程序理论充足，计算过程由ANSYS自生的非线性求解器实现，保证了计算结果的准确性．3）通过对安宁水电站沥青混凝土心墙堆石坝的计算，结果表明，此程序能充分反映土石坝材料的特性和施工过程．4）通过后处理之后，最终输出的等值线能够反映土石坝的竖直沉降和水平位移，符合一般规律，表明程序是可行的．参考文献［1］张胜民．基于有限元软件ANSYS7．0的结构分析［M］．北京：清华大学出版社，2003．［2］钱家欢，殷宗泽．土工原理与计算［M］．北京：中国水利水电出版社，2000．［3］戴跃华，薛继乐．ANSYS在土石坝有限元计算中的应用［J］．水利与建筑工程学报，2007，5（4）：74 －77．［4］龚曙光，谢桂兰．ANSYS操作命令与参数化编程［M］．北京：机械工业出版社，2004．［5］博弈创作室．APDL参数化有限元分析技术及其应用实例［M］．北京：中国水利水电出版社，2004．［6］张爱军，谢定义．复合地基三维数值分析［M］．北京：科学出版社，2004．［7］朱伯芳．有限单元法原理与应用［M］．2版．北京：中国水利水电出版社，1998．［8］陈慧远．土石坝有限元分析［M］．南京：河海大学出版社，1988．［9］范泳贤，刘芳．邓肯－张E－B模型的ANSYS二次开发及其应用［OL］．［2009－02－12］．中国科技论文在线，http：//www．paper．edu．cn/releasepaper/content/200902 －568．［10］彭国伦．FORTRAN 95程序设计［M］．北京：中国电力出版社，2002．。