基于VB与ANSYS的门式刚架优化设计

第２５卷第３期２００９年３月建囊科学

ＢＵＩ删ＮＧＳＣＩＥＮＣＥＶ０１．２５，Ｎｏ．３Ｍａｒ．２００９

［文章编号】１００２．８５２８（２００９）０３－０１０８—０３

基于ＶＢ与ＡＮＳＹＳ的门式刚架优化设计邱冬瑞Ｌ２，董宏英２，薛祥３（１．北京市建筑工程研究院，北京１０００３９；２．北京工业大学建筑工程学院，北京１００１２４；３．北京市勘察设计研究院有限公司，北京１０００３８）

［摘要】利用ＶＢ对ＡＮＳＹＳ进行二次开发，借助ＶＢ语言的强大功能，完成门式刚架的优化设计。首先，本文通过有限元分析软件ＡＮＳＹＳ中ＡＰＤＬ语言的软件开发功能，开发出了单跨变截面门式刚架优化设计程序。然后，利用ＶＢ开发了方便的参数输入图形化界面，结合笔者编制的ＡＮＳＹＳ参数化设计语言（ＡＰＤＬ）程序，自动完成门式刚架优化设计过程。最后通过ＶＢ结果后处理界面提取计算结果数据，比较优化前后参数，得出该结构设计是否合理的结论。【关键词】门式剐架；优化设计；ＶＢ；ＡＮＳＹＳ；Ｚ．次开发［中圈分类号】ＴＵ３１１．４１【文献标识码］Ａ

ＯｐｔｉｍａｌＤｅｓｉｇｎｆｏｒｔｈｅＰｏｒｔａｌＦｒａｍｅＢａｓｅｄｏｎＶＢ＆ＡＮＳＹＳＱｍＤｏｎｇ－ｒｕｉｌ’２，ＤＯＮＧ胁，学巫孵。，ＸＵＥＸｉａｎ９３

（１．＆ｉｊｉｎｇＢｕｉｌｄｉｎｇＣｏ邶ｔｒｕｃｔｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔａｔｅ，Ｂｅｉｎｇ１０００３９，Ｃｈ／ｎａ；２．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ＆ＣｉｖｉｌＥｎ＃ｒｗｒｉ，，Ｓ，，ＢｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｌｔｉｎｇ１００１２４，Ｃｈ／ｎａ；３．＆撕锄蚍艄础‰诧姚Ｃｏ．，删．，＆撕１０００３８，Ｃｈｉｎａ）

［Ａｂｓｔｒａｃｔ］ＴｈｉｓｐａｐｅｒｍａｋｅｓｓｅｃｏｎｄａｒｙｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＡＮＳＹＳｔＱｗｏｒｋｏｕｔｏｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｐｏｒｔａｌｆｒａｍｅｂａｓｅｄｏｎＶＢ．Ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ

ｐａｒａｍｅｔｍ，ｉｎｐｕｔｆｉｇｕｒｅ・ｉｎｔｅｒｌａｃｅｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｂｙＶＢ．ＡｎｄｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅＡＮＳＹＳＰａｒａｍｅｔｒｉｃＤｅｓｉｇｎＬａｎｇｕａｇｅ（ＡＰＤＬ）。ｃｏｍｐｕｔｅｒ

ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓｗｅｒｅｅｘｐｌｏｉｔｅｄｂｙｔｈｅａｕｔｈｏｒ８．Ｔｈｕｓ，ｔｈｅｐｏｒｔａｌ－ｆｒａｍｅｏｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎｃａｎｂｅｃｏｍｐｌｅｔｅｄａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｒｅａｓｏｎａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｓｉｇｎＣＳｌｔｌｂｅｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｅｘｔｒａｃｔｉｎｇｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｔｈｒｏｕｇｈｄｅａｌｉＩｌｇｗｉｔｈＶＢｉｎｔｅｒｆａｃｅａｎｄｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒ

ｏｐｔｉｍａｌ．［Ｋｅｙｗｏｒｄｓ］ｐｏｒｔａｌｆｒａｍｅ；ｏ—ｍａｌｄｅｓｉｇｎ；ＶＢ；ＡＮＳＹＳ；ｓｅｃｏｎｄａｒｙ

ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ

１．概述ＡＮＳＹＳ软件是融热、电、磁、流体、结构、声学于一体的大型通用有限元分析软件。具有强大的求解器和前、后处理功能，为解决复杂、庞大的工程项目提供了一个强有力的工具…。然而，正是由于ＡＮＳＹＳ的通用性特点，使其对不同行业的专业性模块的分析不具有针对性，复杂的英文界面和繁琐的分析步骤都给从事有限元分析的技术人员造成了很大的障碍。ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ是可视化的程序设计语言，它提供了一套基于Ｗｉｎｄｏｗｓ平台的可视化编程环境，开发人员不必为界面的设计而编写大量的程序代码，只

［收稿日期】２００８ｄ３４－０１［基金项目】北京工业大学城市与工程安全减灾省都共建教育部重点实验室资助项目［作者简介】邱冬瑞（１９８１一），女，工学硕士［联系方式】ｂｅｔｔｙ．ｑｄｒ＠ｙａｈｏｏ．ｃｎ

需按设计的要求，用系统提供的工具在屏幕上茴出各种对象即可。ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ采用面向对象的设计方法，从应用领域内的问题着手，以直观自然的方式描述客观世界的实体心】。ＶＢ以其快捷方便受到很多程序设计者的青睐，因此得到了越来越广泛的应用。将ＶＢ与ＡＮＳＹＳ结合起来开发，可以有效地提高开发设计的效率和质量，充分体现专业化、用户化、便捷化的特点。

２基于ＶＢ的ＡＮＳＹＳ二次开发ＡＰＤＬ语言是ＡＮＳＹＳ软件提供给用户的一个依赖于ＡＮＳＹＳ程序的交互式软件开发环境。ＡＰＤＬ语言具有类似一般计算机语言的常见功能，如类似于常数定义、变量定义和赋值的参数定义，分支和循环控制语句，类似于子程序调用的宏调用等功能。除此以外，还包含有比较强的数学运算能力。利用ＡＰＤＬ的程序语言与宏技术组织管理ＡＮＳＹＳ的有限

万方数据第３期邱冬瑞，等：基于ＶＢ与ＡＮＳＹＳ的门式刚架优化设计１０９

元分析命令，就可以实现参数化有限元分析的全过程。在参数化分析过程中可以简单地修改其中的参数达到反复分析各种尺寸、不同荷载大小的多种设计方案或者序列性产品，极大的提高分析效率，减少分析成本”３。ＡＰＤＬ虽然功能强大，但完全用ＡＰＤＬ编写的宏存在以下不足：①用ＡＰＤＬ语言较难控制程序的进程。虽然它提供了循环语句和条件判断语句，但总的来说还是难以用来编写结构清晰的程序；②利用ＡＰＤＬ虽然能够进行简单的界面设计，但其功能不够强大，交互性不够流畅。为了解决这一问题，笔者基于ＶＢ对ＡＮＳＹＳ进行二次开发，可以有效地提高ＡＮＳＹＳ开发设计的效率和质量。图１是对ＡＮＳＹＳ利用ＶＢ进行二次开发系统的结构图。用户输入计算参数，即可调用后台的ＡＮＳＹＳ命令进行计算，ＡＮＳＹＳ把计算结果返回给用户，进行后处理。图１程序系统结构图４门式刚架优化设计软件开发首先，本文利用ＡＰＤＬ语言编制单跨门式刚架优化设计的前处理、加载求解、后处理以及优化设计通用程序ｂ１。然后，利用ＶＢ语言设计出方便的图形化参数输入界面，方便用户完成门式刚架参数输入，进而将此参数生成相应的ＡＰＤＬ命令流，补充写入笔者编制的ＡＰＤＬ程序；调用ＡＮＳＹＳ读取此程序，进而自动完成单跨门式刚架的优化设计；最后通过ＶＢ结果后处理界面提取计算结果数据，比较优化前后参数，得出该结构设计是否合理的结论。通过以上思路和步骤，笔者成功地开发出基于ＶＢ的ＡＮＳＹＳｆ－ｊ式刚架优化设计有限元分析程序。下面通过一个优化设计实例来说明其实现的原理及方法。５算例分析北京某生态环卫中心轻型门式刚架结构，跨度１８ｍ，柱高６ｍ，柱距５ｍ，屋面坡度１／１５。变截面斜梁三段长度之比：０．２：０．６：０．２。屋面活荷载标准值０．５ｋＮ／ｍ２，基本风压０．４５ｋＮ／ｍｚ，地面粗糙度Ｂ类，基本雪压０．４ｋＮ／ｍ２［４１。主体钢结构采用焊接Ｈ钢，钢材采用Ｑ２３５．Ｂ。结构立面图如图２。本工程已于２００３年出具了设计施工图。本次优化的初始截面的赋值即为原设计截面数值。

图２ｆ－ｊ式刚架立面图由于ＶＢ采用事件编程，因此程序的系统框架设计尤为重要。程序系统主要有用户界面前处理、调用ＡＮＳＹＳ分析计算和优化设计、结果后处理三个部分组成。（１）用户界面前处理用户界面前处理程序实现系统和用户的交互，完成计算参数的输入。用户点击编制程序按钮，系统就会弹出对话框提醒用户输入参数，设计师针对各种具体工程，在参数化建模过程中可以通过界面“确认”命令输入其中的参数（门式刚架跨度、檐口高度、屋面坡度、纵向柱距、荷载）。当所有的参数输人完毕，系统将自动生成用ＡＰＤＬ语言进行二次开发的ＡＮＳＹＳ计算命令流并以文档的格式存在指定的目录下。该程序交互界面如图３所示。

图３参数输入界面万方数据１１０建筑科学

第２５卷

通过界面“退出”命令调用后台的ＡＮＳＹＳ命令流进行计算和优化设计。（２）调用ＡＮＳＹＳ分析计算和优化设计ＶＢ调用ＡＮＳＹＳ分析计算和优化设计在该系统中起着接受用户界面的输入、创建进程调用ＡＮＳＹＳ模块、将生成的宏命令文件提交给ＡＮＳＹＳ程序进行批处理操作的重要作用。通过以上步骤程序就能计算出最大变形和最大应力，并得出设计工程师的方案是否可行，从而实现用钢量最少的优化目标。其体积优化曲线如图４。０．２８０．２４ｇ０．２０意Ｏ．１６０．１２Ｏ．０８ｒｆ【Ｊ．ＪＩ，川Ｉ／ｎｎ．－■ｒ１＾ＪＩＶｏ—Ｕｌ６１１１６２ｌ２６３ｌ３６４ｌ４６５】ＳｅｔＮｕｍｂｅｒ图４刚架体积优化曲线（３）结果后处理优化设计结果后处理主要是提取计算结果数据，比较优化前后目标函数、设计变量、状态变量的数值，得出该结构设计是否合理的结论。如图５所示。图５优化结果输出界面将图５输出的ＡＮＳＹＳ优化后截面结果取整数，以符合我国定型钢板的型号，得到表１、表２所示的优化前后的截面、体积对比表。在此，采用原设计单位使用的ＰＫＰＭ．ＳＴＳ进行复核，刚架材料强度利用率最高达到９４％，刚架刚度和稳定性均满足要求。单榀刚架省钢量为２１．９％。ＳＴＳ得到的刚架应力图如图６所示。裹１优化前后截面对照裹柱截面参数原优粱截面参数原优（ｍｍ）设计化后（ｒａｍ）设计化后柱翼缘宽丑ｚ２００２００梁翼缘宽曰２００２００

柱小头截面高日ｏｚ４００３００梁小头截面高日。３５０３００

柱大头截面高日ｚ４００３６０梁大头截面高日６００３６０

柱翼缘厚ｎ：１３ｌＯ梁翼缘厚ｒ－８１０

柱腹板厚如ｚ８８梁腹板厚疋６８

表２优化前后体积重量对照表

体积（ｍ３）重量（ｋｇ）省钢量原设计Ｏ．２４６０８７

１９３２

２１．９％优化后０．１９２１０２１５０８

梁上；作用弯矩与考虑屈曲后强度抗弯承载力比值。图６ＳＴＳ显示门式刚架应力情况

６结论

本文开发出基于ＶＢ的ＡＮＳＹＳ门式刚架优化设计有限元分析程序。该程序主要分三步实现门式刚架优化设计：（１）本文利用ＡＰＤＬ所提供的软件开发环境，开发了用于单跨变截面门式刚架优化设计的ＡＰＤＬ程序。（２）用户针对各种具体工程。在参数化建模过程中可以通过ＶＢ人机交互界面“确认”命令输入其中的参数，进而补充写入笔者编制的ＡＰＤＬ程序；通过界面“退出”命令调用后台的ＡＰＤＬ命令流进行计算和优化设计。（３）通过ＶＢ人机交互结果后处理界面提取计算结果数据，比较优化前后目标函数、设计变量、状态变量的数值，得出该结构设计是否合理的结论。【参考文献】［１］叶先磊，史亚杰．ＡＮｓＹｓ工程分析软件应用实例［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００３．２．［２］周察金，唐敏．ＶｉｓｕａｌＢａ８ｉｃ程序设计案例教材［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００７．４．［３］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，２００４．１．［４］ＧＢ５０００９．２００１Ｉｓ］．［５］邱冬瑞，董宏英，刘佳．基于ＡＰＤＬ进行门式刚架优化设计的程序开发［Ｊ］．钢结构．２００８．（１）：７０．７１．