摘要：限单元法是拱坝应力分析计算的重要方法，编制命令流文件进行有限元分析，可增强分析过程的通用性和自动化程度，大幅提高工作效率。但是，掌握命令流文件对设计人员要求较高，导致其难以普遍应用。通过VB编程为拱坝有限元分析提供交互界面，后台生成命令流文件并调用有限元程序执行，实现了分析计算过程的封装，设计人员只需合理设置参数即可实现类似工程的快速分析。本文基于VB和ANSYS进行拱坝有限元分析二次开发研究。
关键词：拱坝 有限元分析 过程复用 ANSYS 二次开发
1.概述
拱坝是国内外水利水电工程挡水建筑物广泛采用的坝型之一。拱坝以其材料强度发挥充分，承载能力大，体积小、泄洪布置方便，潜在安全度高及抗震能力好等优点，而受到国内外坝工界的重视。
有限单元法是高拱坝应力分析计算的重要方法。与传统的拱梁分载法相比，有限单元法不但可以比较合理地考虑拱坝的整体作用，还能够进行各种复杂条件下拱坝的受力分析。随着计算机技术的发展和有限元等效应力法的提出，有限单元法越来越广泛地应用于拱坝的分析。拱坝有限元分析要求设讨人员熟练掌握软件功能、熟悉有限元计算理论并具有丰富的工程应用经验，普通设讨^人员的应用效率通常不高。有限元分析通常包括前处理、分析计算和后处理3个步骤，其中前处理是一项复杂而关键的工作，前处理的质量直接影响着分析结果。前处理包括建立分析模型、网格划分、施加约束等内容，质量要求高，处理耗时长，优化调整工作量大，是有限元分析的难点。
不同拱坝的有限元分析过程具有一定的相似性，分析研究其过程复用对于提升拱坝有限元分析的质量和效率具有重要意义。以常用的有限元分析软件ANSYS为例，它的命令流运行方式为用户提供了更为灵活高效的分析手段，通过对命令流文件的编写和修改，可以方便地总结经验，重用分析过程。但是，命令流文件的使用对设计人员软件应用能力和理论知识水平的要求较高，一般设计人员难于掌握。基于VB和ANSYS对拱坝有限元分析进行二次开发，形成友好、方便、易用的人机交互系统，将复杂、难于理解和掌握的ANSYS命令流进行封装，并后台调用有限元程序进行前处理、分析计算及后处理，设计人员无需熟练掌握有限元软件也能方便地进行拱坝有限元分析，可显著提高工作效率。
2 开发平台简介
Visual Basic，简称VB，是Microsoft公司推出的一种Windows应用程序开发工具，是当今世界上使用最广泛的编程语言之一。VB提供了开发Microsoft Windows（R）应用程序最迅速、最简捷的方法。无论是开发功能强大、性能可靠的商务软件，还是编写能处理实际问题的实用小程序，VB都是最快速、最简便的方法。
ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，由美国ANSYS公司开发，是现代产品设计中的高级CAE工具之一，是水电工程中大坝、地下洞室、发电厂房等水工建筑物进行有限元分析的高效工具。
3 基本原理
3.1 系统结构
基于VB和ANSYS的拱坝有限元分析二次开发系统的基本结构见图1，用户通过交互界面输入建模分析参数，程序根据输入的参数生成相应的命令流文件，后台调用ANSYS软件建模计算并生成结果文件，系统再根据用户的设定将部分关键结果处理并反馈到交互界面，辅助分析判断计算结果，得到结论。
3.2 基本功能
（1）允许用户根据工程实际输入特定的计算参数，如拱坝结构尺寸、材料、水位等。
（2）用户在计算前可以对输入的数据进行添加、修改和删除操作，以保证输入正确的参数。
（3）用户通过程序后台调用ANSYS进行计算，将部分关键结果反馈到交互界面，其他结果全部存放在设定目录下，方便用户查看。
（4）用户可以以文本文件的形式对交互界面输入的参数进行存取，以保证设计的连续性和工程参数设置的重复使用。
（5）程序能自动判断ANSYS的安装情况、版本情况和主文件路径，确保程序有较强的适应能力。
4.程序实现中的关键问题
4.1 后台调用ANSYS
ANSYS并未提供类似于office软件的可编程对像模型接口，因而无法直接调用和控制ANSYS程序的运行，但ANSYS为使用者提供了批处理（batch）运行模式，在VB中通常采用带参数的shell命令调用ANSYS，格式如下：
Shell ANSYSExePath&”-b-i”& InNane&”-o”&OutName.vbHide
4.2 判断ANSYS运行结束
由于ANSYS独立于主程序运行，主程序无法控制ANSYS，也无法直接判断ANSYS运行结束，因而如何判断ANSYS程序运行结束成为关键。
由于每次运行ANSYS都会在命令流文件指定目录生成file.err文件，目前通常采用定期检查指定目录是否生成file.err文件来判断ANSYS运行结束。为保证同一命令流多次运行时对ANSYS运行结束的判断仍然有效，调用ANSYS前应先将指定目录下的file.err文件删除。由于该方法获得的时间为file.err文件初次生成的时间，通常早于ANSYS运行结束的真正时间，当需要在交互界面调用ANSYS运行生成的结果文件时就会出现错误。
采用进程监控的方法可得到ANSYS运行结束的准确时间。首先通过shell取得ANSYS进程的pid号，再根据pid号取得ANSYS进程的句柄，通过循环检查进程的ExitCode，当ExitCode不等于STILL―ALIVE即表示ANSYS进程运行结束，就可进行下一步操作了。
4.3 操作顺序的控制
拱坝有限元分析过程包括：建立分析模型、定义材料参数、施加边界条件、求解计算、结果分析等步骤。程序设计时将上述各步骤考虑为独立模块分别生成命令流文件进行计算。上述各步骤有严格的先后顺序，后序模块的执行需要先序模块的计算结果，因此有必要禁用交互界面中不具备分析条件的模块。
程序采用选项卡控件布置各独立分析过程的交互界面，通过检查各模块运行必须的文件来决定相应选项页是否禁用，保证有限元分析过程按预先的设定进行。
5.程序应用实例
本文采用基于上述方法开发的双曲拱坝有限元应力及等效应力分析软件对某水电工程碾压混凝土拱坝进行分析计算，计算时对碾压混凝土拱坝进行了一定的简化，不考虑坝身孔口，不考虑地基岩体的断层、裂隙、夹层等结构面，考虑岩层分区和岩层倾角。同时，为了求得数值稳定的坝基面应力，在坝基面设置了薄层单元，薄层厚度为最大坝高的1/200。
运行分析计算程序后，在程序的图形交互界面设定拱坝建模的水位、泥沙、材料、体形等参数和工作路径，点击“生成模型”按钮，程序即转入后台执行，生成命令流文件并调用ANSYS程序建模，生成的模型文件反馈到交互界面。建模完成后，依次设定并执行温度场、材料设定、施加约束、应力计算、等效应力计算模块，得到有限元分析计算结果，最后在结果显示模块反馈主要计算结果。
6.结语
本程序基于VB和ANSYS开发，根据用户交互参数生成命令流文件，通过batch方式后台带参数调用ANSYS程序进行计算分析，再将计算结果反馈到交互界面，辅助进行计算结果的判断。实践证明，该程序方便、易用，一般工程技术人员也能利用本程序进行拱坝有限元分析，显著提高了工作效率。