空间钢结构APDL参数化

1. 基于APDL语言和工程实例，编写常用空间钢结构形式的参数化建模程序和分析程序，为读者提供一套完整的APDL程序和详细的程序注释

2. 不仅可以方便快速地学习ANSYS的APDL语言，而且可以轻松地掌握利用ANSYS进行空间钢结构各类分析的技术和技巧

3. 配合使用ANSYS帮助文件中的命令介绍，查阅书中的命令流的相关用法，可以拓展读者的知识面，形成一套完整的参数化分析与计算知识体系

随着2008年北京奥运会和2010年上海世博会等大型社会经济活动的开展，我国空间钢结构的综合技术得到快速发展，尤其是大型空间钢结构的有限元分析技术得到了较为全面的飞速发展。ANSYS作为最为通用和有效的大型商业化有限元软件，在空间钢结构领域得到了广泛的应用，成为我国空间钢结构领域科学研究和工程应用的主要工具之一。

APDL语言是ANSYS软件提供给使用者的一种参数化设计语言，是类似于FORTRAN的解释性语言。ANSYS的APDL语言，不仅可以方便地用于结构模型的参数化建模、参数化荷载施加与求解以及参数化后处理结果显示等方面，还是实现结构优化设计分析的基础。因此熟练掌握和应用APDL语言是能否充分利用ANSYS软件的关键。

本书基于APDL语言和工程实例，编写常用空间钢结构形式的参数化建模程序和分析程序，为读者提供一套完整的APDL程序和详细的程序注释。本书的特色是不仅可以使读者方便快速地学习ANSYS的APDL语言，而且可以轻松地掌握利用ANSYS进行空间钢结构各类分析的技术和技巧。作者建议读者使用本书时，配合使用ANSYS帮助文件中的命令介绍，通过本书提供的命令流，查阅该命令流的相关用法，以扩展读者的知识面，形成一套完整的参数化分析与计算知识体系。

本书共分为8章。第1章对空间钢结构和ANSYS软件的基本知识进行简要介绍；第2章介绍APDL语言的使用方法；第3章给出四种常用网架结构形式的参数化建模程序，并介绍如何使用ANSYS进行空间网架结构的静力分析、优化分析和节点受力分析；第4章给出五种常用单层网壳结构的参数化建模程序，并介绍如何使用ANSYS进行单层网壳结构的静力分析、稳定分析（包括特征值屈曲分析和非线性屈曲分析）和地震作用分析等；第5章以工程实例为背景，详细介绍如何利用ANSYS进行弦支穹顶结构的参数化建模、等效节点荷载计算、形态分析、优化设计、稳定分析、动力分析、风振响应分析和施工模拟分析；第6章详细介绍如何使用ANSYS软件进行日照温度场下空间结构中外露构件的温度场分析；第7章以工程实例为背景，详细介绍如何使用ANSYS软件的APDL语言进行空间钢结构的火灾反应分析；第8章根据作者在学习、工作中的经验，给出ANSYS软件的一些使用经验和应用技巧。

本书适用于土木、力学、建筑等相关专业的高年级本科生、研究生和工程技术人员，并且可作为高校或其他相关CAE培训机构的参考教材。另外本书特别适合希望利用ANSYS的APDL语言进行二次开发的读者。

本书主要由陈志华、刘红波、周婷、曲秀姝负责编写。在编写过程中，天津大学建筑工程学院博士生闫翔宇、硕士生王大伟和何彩云等为本书提供了宝贵的资料和建议，在此对他们表示感谢。

在此还要感谢中国水利水电出版社/北京万水电子信息有限公司杨元泓等编辑为本书出版而付出的辛勤劳动。

由于作者水平的局限，书中不当之处在所难免，欢迎读者朋友批评指正。作者联系方式E-mail：zhchen@tju.edu.cn；hb_liu2008@163.com。

编 者

2009年5月于天津大学

前言

第1章 绪论 1
1.1 空间钢结构概述 1
1.1.1 空间钢结构的特点 1
1.1.2 空间钢结构与计算机辅助设计 1
1.2 ANSYS软件概述 2
1.2.1 ANSYS软件的应用现状 2
1.2.2 ANSYS软件在空间钢结构中的
应用优势 2
1.2.3 ANSYS文件系统 3
1.3 杆系结构有限元基本理论 4
1.3.1 结构的离散化 4
1.3.2 单元分析 5
1.3.3 整体分析 12
1.3.4 结构的节点位移、支座反力与
杆件内力求解 13
1.3.5 直接刚度法解平面刚架算例 13
1.4 ANSYS分析基本步骤 17
1.4.1 基本步骤 17
1.4.2 实例分析 17
第2章 APDL语言 31
2.1 参数与参数系统 31
2.1.1 参数 31
2.1.2 标量参数的定义与赋值 31
2.1.3 数组参数的定义与赋值 33
2.1.4 参数的显示与删除 38
2.2 数据文件的读入与写出 41
2.2.1 使用*VREAD命令读取数据文件
填充数组 41
2.2.2 使用*TREAD命令读取数据文件
并填充TABLE类型数组 42
2.2.3 使用*VWRITE命令写出数据文件 44
2.3 ANSYS数据库数据的调用 46
2.3.1 *GET提取命令 46
2.3.2 与*GET等价的内嵌提取函数 51
2.3.3 查询函数 55
2.4 流程控制 57
2.4.1 *IF-*ELSEIF-*ELSE-*ENDIF
条件分支 58
2.4.2 *DO-*ENDDO循环 59
2.4.3 函数表达式 60
2.5 宏文件 62
2.5.1 宏文件的创建 63
2.5.2 宏文件的运行 65
第3章 网架结构分析 67
3.1 网架结构有限元模型 67
3.1.1 Link8单元简介 67
3.1.2 Beam4单元简介 68
3.1.3 建模中需要注意的问题 71
3.2 用APDL语言实现空间网架结构的
参数化建模 72
3.2.1 两向正交正放网架 72
3.2.2 两向正交斜放网架 78
3.2.3 正放四角锥网架 85
3.2.4 斜放四角锥网架 90
3.3 网架结构静力分析 95
3.4 网架结构优化分析 98
3.4.1 结构优化概述 98
3.4.2 结构优化在ANSYS中的实现 99
3.4.3 优化分析命令适用简介 100
3.5 网架节点受力性能分析 108
第4章 网壳结构分析 121
4.1 单层球面网壳结构的参数化建模 121
4.1.1 肋环型网壳参数化建模 121
4.1.2 施威德勒型网壳参数化建模 126
4.1.3 联方型网壳参数化建模 129
4.1.4 凯威特网壳参数化建模 133
4.1.5 短程线型网壳参数化建模 137
4.2 等效节点荷载的施加 143
4.3 网壳结构静力分析 145
4.4 网壳结构的稳定分析 149
4.4.1 特征值屈曲分析 149
4.4.2 考虑初始缺陷的非线性屈曲分析 150
4.5 网壳结构的地震作用分析 152
4.5.1 等效质量节点的施加 152
4.5.2 网壳结构振动模态分析 155
4.5.3 网壳结构地震作用瞬态动力
响应分析 156
第5章 弦支穹顶结构分析 160
5.1 弦支穹顶结构概述 160
5.1.1 弦支穹顶的基本概念 160
5.1.2 弦支穹顶结构实例描述 161
5.2 弦支穹顶结构有限元模型的建立 163
5.2.1 基本理论 163
5.2.2 实例分析 164
5.3 等效节点荷载宏文件的形成 171
5.3.1 基本理论 171
5.3.2 实例分析 171
5.4 弦支穹顶结构的形态分析 179
5.4.1 基本理论 179
5.4.2 实例分析 183
5.5 弦支穹顶结构的预应力优化分析 188
5.5.1 基本理论 188
5.5.2 实例分析 189
5.6 弦支穹顶结构的静力分析 197
5.6.1 基本理论 197
5.6.2 实例分析 198
5.7 弦支穹顶结构稳定性分析 208
5.7.1 基本理论 208
5.7.2 弦支穹顶结构特征屈曲实例分析 209
5.7.3 弦支穹顶结构非线性屈曲实例分析 220
5.8 弦支穹顶结构的模态分析 221
5.8.1 基本理论 221
5.8.2 实例分析 222
5.9 弦支穹顶结构的风振响应分析 227
5.9.1 基本理论 227
5.9.2 实例分析 228
5.10 弦支穹顶结构的预应力施工模拟 233
5.10.1 基本理论 233
5.10.2 施工反分析法简介 233
5.10.3 施工反分析法的APDL实例 234
5.10.4 施工正分析法简介 237
5.10.5 弦支穹顶结构张力补偿法施工
模拟的APDL程序实例 238
第6章 空间钢结构日照温度场分析 245
6.1 ANSYS热分析及热应力分析概述 245
6.1.1 ANSYS热分析概述 245
6.1.2 热分析基本知识 245
6.1.3 热分析的基本类型 248
6.2 太阳辐射作用下方矩形截面钢管的
稳态热分析 248
6.2.1 稳态热分析基本步骤 248
6.2.2 实例分析 249
6.3 太阳辐射作用下方矩形钢管的瞬态
热分析 254
6.3.1 瞬态热分析的基本步骤 254
6.3.2 问题描述 255
6.3.3 太阳辐射强度计算理论 256
6.3.4 对流换热计算理论 258
6.3.5 长波辐射计算理论 258
6.3.6 本实例中相关参数取值 259
6.3.7 分析步骤 259
第7章 空间钢结构火灾反应分析 277
7.1 预应力组合网架结构概述 277
7.1.1 预应力组合网架结构概念 277
7.1.2 预应力组合网架结构实例描述 278
7.1.3 预应力组合网架结构火灾分析
的基本方法与步骤 278
7.2 高温材料模型文件的生成 279
7.2.1 生成结构钢的材料模型文件 279
7.2.2 生成混凝土的材料模型文件 285
7.2.3 预应力索的高温材料特性文件
的形成 289
7.3 构件温度－时间曲线数据宏文件的形成 292
7.3.1 环境温度假定 292
7.3.2 钢管的温度－时间曲线数据文件
的形成 293
7.3.3 钢索的温度－时间曲线数据文件
的形成 295
7.3.4 上弦混凝土梁板的温度－时间曲
线数据文件的形成 299
7.4 预应力组合网架结构整体火灾反应分析 303
7.4.1 基本理论 303
7.4.2 ANSYS分析过程 303
7.4.3 APDL分析程 304
第8章 ANSYS软件使用经验与常用技巧 312
8.1 巧用Toolbar 312
8.2 ANSYS 数据库查询方法总结 313
8.3 如何正确理解ANSYS的节点坐标系 314
8.4 巧用MATRIX27单元模拟弹簧 314
8.5 COMBIN14单元模拟半刚性节点 316
8.6 ANSYS表面效应单元的使用经验 318
8.7 利用BEAM188或者BEAM189进行
材料非线性分析 319
8.8 利用BEAM单元分析温度梯度作用下
构件截面的温度应力分布 322
参考文献 328

1. ANSYS APDL参数化有限元分析技术及其应用实例（第二版） [李占营 阚川 等编著]
2. ANSYS APDL参数化有限元分析技术及其应用实例 [张涛 等编著]
3. ANSYS/APDL高级工程应用实例分析与二次开发 [周宁 等编著]