【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在橋梁工程中應用的廣闊前景，尤其對于近幾年來由于計算機科學的飛速發展引起的橋梁工程界全橋仿真分析模型的熱潮，分析了ANSYS在其中的地位和應用前景。
關鍵詞 ANSYS 計算機輔助工程 橋梁工程 仿真分析

一、引言
計算機技術正以超乎尋常的速度，給工程、科學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），是這一技術革命在工程分析、設計中的具體表現。CAE在工程開發、項目研制及設計中所顯示出的無與倫比的優越性，使其成為現代化工程業在日趨激烈的競爭中取勝的一個重要條件。這還要歸結于CAE可以極有效地縮短新技術、新產品的研發周期，對于提高競爭力起著至關重要的作用。"據統計，發達國家產品成本的80％是由研究發展過程決定的，同時這一過程決定整個產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模及試驗次數。由CAE完全取代實物模型試驗的例子不勝枚舉，CAE的應用大大加快了研究速度，同時又降低了成本?？v觀未來，CAE在土木工程界將成為主角。
ANSYS程序【1】是順應潮流而發展起來的 CAE仿真設計工具，它牢牢把握了CAE的發展方向，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，ANSYS公司70年代率先在有限元軟件中引入了圖形技術及交互式操作方式，使有限元的前、后處理進入一個嶄新的歷史階段；1983年，ANSYS公司又充分預計了PC機的發展，開發出世界上第一個PC機上的分析程序，并實現了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深刻領會到未來的設計技術將進入"虛擬樣機"的仿真階段，從而推出了與虛擬樣機技術相對應的"多物理場"仿真技術。在當今世界正邁入網絡時代的同時，ANSYS又適時地推出了異種異構平臺的全網絡浮動技術，通過不同硬件平臺數據文件統一、用戶界面統一為CAE的應用提供了空前靈活的工作環境。
ANSYS公司為設計界提供了三大類產品：涉及多交叉學科的多物理場仿真工具（ANSYS/Multiphysics)智能化的快速設計校驗及優化工具（ANSYS/DesignSpace）、針對某些專業領域的專用軟件包（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軟件是融結構、熱、流體、電磁、聲學于一體的大型通用有限元分析軟件，可廣泛用于核工業、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、生物醫學、輕工、地礦、水利、日用家電等一般工業及科學研究。
近幾年，由于計算機技術及大型有限元軟件的發展，橋梁工程界掀起了全橋結構仿真分析技術（structural Simulation for Entire Bridge,SSEB)[2]研究的熱潮。其核心是建立完整、統一的整座橋梁結構分析體系，在該體系下構造全橋所有承載構件的組合形式數學模型，準確模擬承載構件的空間位置、尺寸、材料特性、連接形式和荷載作用等，在此基礎上進行大規模的全橋結構效應分析計算，由此得到相對詳盡、精確和可靠的分析結果。該技術克服了傳統算法中實施某些假設帶來的不足。因此，全橋結構仿真分析比傳統的橋梁分析計算有實質性的提高，可以更廣泛地應用到設計橋梁方案、橋梁結構計算分析、橋梁施工過程模擬、準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展的結合點。

二、ANSYS在橋梁工程中的應用
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，預感到這一大型有限元軟件將對于橋梁工程界仿真學科的興起起到不可低估的推動作用。下面僅結合橋梁工程實際，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格劃分工具，用戶可以方便地構造有限元模型；分析計算模塊包括結構分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學分析、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的相互作用，具有靈敏度分析及優化分析能力；后處理模塊可將計算結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（可看到結構內部）等圖形方式顯示出來，也可將計算結果以圖表、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格劃分工具，可以方便地構造數學模型及有限元模型。首先，基于設計分析應緊密集成的現代設計法概念。該產品除標準的IGES，SAT，Parasolid幾何圖形傳遞方式外，還提供了與CAD軟件的專用數據接口，能夠使用實現與CAD軟件間無縫的幾何模型傳遞，避免了繁雜的重復工作。該類產品支持許多領先的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合、自頂向下與自底向上建模相結合的建模方法，輔以強大的布爾運算功能實現實體模型的"精雕細刻"。在網格劃分方面提供了有利的工具：自由網格劃分、映射網格劃分、智能網格劃分、自適應網格劃分、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還專門設有與我們所熟悉的一些大型通用分析軟件的數據接口，它允許從這些程序讀取有限元數據，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、集中質量單元、彈簧單元。斷裂單元、鋼筋混凝土單元（能清楚標示出開裂和壓潰部位）、非線性阻尼元、非線性彈簧元等數十種單元，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心的問題。工程人員可以充分發揮其豐富單元庫的優勢，構建較能反映實際結構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，是目前世界范圍內唯一能夠融結構、熱、電磁。流體、聲學等于一體進行有限元分析的分析軟件。除了常規的結構線性、非線性結構靜、動力分析外，它還能解決高度非線性結構動力分析、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。它可以進行斷裂力學分析、復合材料分析、疲勞及壽命估算分析、超彈性材料的分析、壓電分析、熱分析、穩態溫度場分析、瞬態溫度場分析、相變分析、輻射分析、熱一結構耦合分析、電一磁一熱一結構耦合分析及高度非線性結構動力分析等。
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構與墩梁的碰撞仿真分析、樁上相互作用的仿真分析，風荷載作用下橋梁性態的仿真分析，墩臺澆注水化熱的仿真分析以及溫度應力的分析，甚至預應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果并對其進行顯示。這些結果可能包括位移、溫度、應力、應變、速度及熱流等，輸出形式可以有圖形顯示和數據列表兩種。在此不再贅述。
下面作者要強調指出的是其友好、開放的二次開發系統，將對橋梁工程仿真分析產生不可低估的影響。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功能和西班牙的規范EH、歐規2和ACI規范而開發出的專用軟件包。
4． ANSYS提供了宏（ Macro）、用戶界面設計語言（UIDL）和用戶編程特性（UPFS）和參數設計語言（APDL）幾種工具
宏是指存于一個文件中被反復使用的一系列ANSYS命令集。宏帶有參數是宏更復雜的應用同時使其功能也更強，這一功能容許在分析內部建立輸入子程序。我們可看出，宏除了可以使用ANSYS內部的命令外，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計ANSYS圖形用戶界面的強有力工具，它在ANSYS的命令重組、架設其他用戶程序與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的二次開發技術，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準特性就來源于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則。甚至允許用戶寫自己的優化算法將整個ANSYS作為一個子列行子程序調用。UPFS提供了下列功能：
（1）將信息讀人 ANSYS數據庫或從 ANSYS數據庫返回信息。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連接起來或將其作為外部命令特性使用；
（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則；
（4）某些系列的UPFs能使用戶定義新的單元并調整節點坐標系；
（5）某些UPFs能使用戶改變或監控已存在的單元；
（6）用戶可用 UPF userop生成一個用戶設計優化列行程序；
(7）用戶可在自己的程序中將ANSYS程序作為列行子程序調用。
ANSYS在其相應的程序中提供了列行程序源代碼，用戶可根據自身實際情況選用調整。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）的編譯環境非常熟悉。當然，功能最強大的工具，也是較難于掌握的工具。
參數設計語言 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的功能，APDL擴展了傳統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、零件庫參數化建模、設計修改及設計優化。它包括了諸如命令的重復、宏、IF-THEN-ELSE分支、DO循環、標量、向量及矩陣運算等功能。其語法結構基本和FORTRAN語言一致。

ANSYS軟件是第一個通過ISO9001質量認證的大型分析設計類軟件，是美國機械工程師協會（ASME）、美國核安全局（NQA）及近20種專業技術協會認證的標準分析軟件。在國內第一個通過了中國壓力容器標準化技術委員會認證并在國務院17個部委推廣使用。在我國即將進入WTO之際，ANSYS的推廣使用無疑對我國的橋梁設計施工企業進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系列產品。西班牙土木工程人員利用ANSYS強大的二次開發功能，基于西班牙自身的規范EH、歐規2和ACI規范而開發出土木工程專用軟件包的經驗是值得我們借鑒學習的。
5．應用實例
（l）斜拉橋主塔空間局部應力仿真分析
對鄂黃公路長江大橋斜拉橋主塔塔梁固結點進行了實體建模，分析了幾種最不利荷載組合工況下，中、下橫梁塔梁固結處局部應力分布規律。計算中采用提取子區模型的方法來保證模型計算的方法。中橫梁子區模型圖及主塔計算模型圖見圖1、圖2。

通過分析發現，對于所使用的每一種最不利荷載組合，主塔塔梁結合部的某些固定部位是相當敏感的，最大應力總是出現在這些部位，從而對優化塔梁固結節點的結構形式提供了一條思路。
（2）OVM15-1，15-7型預應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，模擬整個預應力束的張拉過程，其夾片及錨板的計算模型見圖3、圖4。

通過分析，真實再現了預應力鋼束過程中，預應力來、夾片及錨板中的應力分布、相互傳遞及走勢。分析結果和實際試驗結果吻合較好，但對試驗提供了定量且直觀的表達。同時，還可以進行優化設計，尋求合理的結構形式和張拉工藝。這無疑使錨具設計研制周期、費用和人力大大降低。
上述兩例的結果將另文分析討論。

三、結論與展望
（l）全橋結構仿真分析技術（Structural simulation for EntireBridge， SSEB）在計算機高速發展、有限元理論及軟件逐步完善的前提下，勢必掀起橋梁設計理論的一場革命，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平臺，與其花大量人力、物力來從頭開發有限元分析軟件，不如利用這些有限元分析軟件成熟、功能強大、穩定的計算內核，開發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用可以替代一些費用昂貴的試驗，同時節省大量的人力和時間，其優勢顯而易見。
（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量和效率，使其高效經濟地投入到國家建設中去，我們橋梁工作者任重而道遠。

參考文獻
［1］鄭凱鋒，唐繼舜，王秀偉．全橋結構仿真分析技術的最新進展．第十三屆全國橋梁學術會議論文集，上海， 1998