1 ANSYS的二次開發(fā)平臺
   
    ANSYS向用戶提供了一個強大的二次開發(fā)平臺。通過這個平臺，用戶就可以ANSYS原有強大的計算功能為基礎，延伸出各行業(yè)工程設計中必需的或常用的功能，開發(fā)出適用于各個相關行業(yè)的ANSYS配套計算軟件。
   
    ANSYS提供參數(shù)設計語言APDL(ANSYS Parametric Design Language是一種解釋性語言，可以通過參數(shù)來建立模型，從而可以自動完成一些通用性強的任務，也可以根據(jù)參數(shù)建立模型。此外，APDL還包括其他許多特性，如重復某條命令、宏、條件語句、Do循環(huán)以及標量、矢量和矩陣運算，文件的讀寫，定制用戶化圖形交互界面等。可將程序操作中常遇到的一些命令的命令流編制成宏文件。宏文件既可以在ANSYS命令行執(zhí)行，也可以將其與屏幕按鈕關聯(lián)，從而使得一系列的操作可以一步快速完成。宏中除了可以填寫ANSYS命令外，還可以調用GUI函數(shù)，給變量賦值以及調用另一個宏。因此，宏的靈活運用會給用戶在處理復雜問題時提供極大的方便。
   

    ANSYS的二次開發(fā)平臺還包括ANSYS的用戶界面設計語言(UIDL)和ANSYS的用戶可編程特性(UPFS)。山于篇幅所限，木文暫不展開討論。

2 參數(shù)化設計的概念
   
    工程設計的參數(shù)化設計與設計優(yōu)化是密不可分的，參數(shù)化建模的最終目的就是為了設計優(yōu)化得以進行。設計優(yōu)化是一種尋求最優(yōu)方案的設計技術。最優(yōu)的方案是最有效率的方案，可以滿足所有設計的要求，而且所需要的支出(如重量、而積、體積、應力、內力、位移或費用等)最小。   
   
    ANSYS優(yōu)化設計的基本概念
   
    1)設計變量v(或設計參數(shù))ANSYS的設計變量為自變量(如結構的尺寸、初始應變等)。通過設計變量的數(shù)字變化來實現(xiàn)結果的優(yōu)化，設計變量的上下限決定了設計變量的變化范圍。每次優(yōu)化設計可定義多個設計變量，但建議不要過多，以免導致程序運算困難而難以收斂。ANSYS最多可以定義60個設計變量。
   
    2)狀態(tài)變量W(或狀態(tài)參數(shù))。狀態(tài)變量是設計變量的函數(shù)。通過定義狀態(tài)變量可以實現(xiàn)狀態(tài)變量對設計的約束。程序運行結果得到的內力、應力、位移等都可以采擷下來賦子狀態(tài)變量，作為整個優(yōu)化設計的條件(或約束)。每次優(yōu)化設計可定義多個狀態(tài)變量，但也建議不要定義過多。
   
    3)目標變量f(V)或(目標參數(shù))目標變量也是設計變量的函數(shù)，是設計者希望其最終值盡量小的變量。程序運行結果得到的內力、應力、位移、變形能等都可以作為設計的優(yōu)化目標。目標變量只能定義一個。
   
    以上3個變量是優(yōu)化設計必須同時具備的，可用一種典型的數(shù)學表達式為：
   

    AND(min f(V))

3 橋梁中常見的設計優(yōu)化問題
   
    通常橋梁設計首先要進行方案比選和方案優(yōu)化。在方案比選和優(yōu)化中常常涉及到眾多的可變因素，如:拱橋的單元截面尺寸、吊桿的初始應變、跨徑、矢跨比、拱肋的傾角、材料的選用;斜拉橋的單元截面尺寸、拉索的初始應變、跨徑、橋塔高度、橋塔的傾角、輔助墩的數(shù)量和布置;懸索橋單元截面尺寸、主纜初始應變、主纜的矢跨比、跨徑。以上可變因素都可以在參數(shù)化建模時定義為設計變量(必須先賦一個初始值)。對于一些工程中己經確定或難以更改的因素(如跨徑)以及根據(jù)設計者的經驗容易確定的因素(如矢跨比)也可不被定義為設計變量，這樣做是為了減少設計變量的個數(shù)，提高程序運行效率。#p#分頁標題#e#
   
    在第一次運行結束后，進入后處理可以得到結構的計算結果，如:內力、應力、索的軸力、位移、支反力、變形能。這些結果值，都是設計變量的函數(shù)，設計者可以根據(jù)自己的需要將其賦給狀態(tài)變量或者目標變量。例如:
   
    *GET,moment316,ELEM,316,ETAB,SMIS5(將316號單元的I端彎矩值賦給變量moment316)
   
    *GET,disp745,NODE,745,U,Y(將節(jié)點745的Y句位移賦給變量disp745)

4 工程實例
   
    某蝶形拱橋(見圖1)跨徑L=120m,鋼拱肋，與堅直面夾角為θ，吊桿在橋面上的吊點與結構邊緣的距離為a，矢跨比為B /L，拱肋在橋而高度拉有縱向水平鋼束。由于拱肋傾斜(自重產生拱肋平面外彎矩)、縱向水平鋼束的集中力以及吊桿對拱肋的作用，使得A點的應力情況極為復雜，成為控制方案成立的主要因素。

    此時橋梁的跨徑已經確定，而且經過對拱肋截面和縱梁自重(其操作起來相對比較方便)的反復調整之后仍不能得到滿意的結果。因此必須嘗試調整θ,  a,  B/L等參量。從有限元程序建模的常識可知:建一次空間模型己經要花費相當?shù)臅r間和精力，而且調試需多次反復地在GUI(人機交互模式)下進行刪除單元、重建模型的編輯過程，其工作量之大，往往是讓人無法忍受的。
   
    ANSYS的APDL參數(shù)化設計語言可以讓這個艱難的工作輕松完成。有限元建模及求解的主體過程存為宏文件BUILD.MAC。宏文件在建立有限元節(jié)點時，將節(jié)點坐標定義為θ、B、a的函數(shù):
   
    N，1, fix(θ,B,a), fiy(θ,B,a), fiz(θ,B,a),......!定義i號節(jié)點

    N, i, fix(θ,B,a), fiv(θ,B,a), fim(θ,B,a),......!定義i號節(jié)點

    通過建模及求解主體過程的命令流(宏文件BUILD.MAC)，就可以開始求解過程。根據(jù)優(yōu)化過程中設計人手工參與程度可分為手工方法、半手工方法和程序優(yōu)化法。
   
    1)手工優(yōu)化法。這種方法是設計人不斷變化設計參量(θ,B和a)的值，然后再運行宏文件BUILD.MAC程序根據(jù)變化后的設計參數(shù)自動建模并計算，直到計算結果滿足設計人的要求為止。手工賦值可以通過在宏文件里而插入設計參量的賦值語句，也可以運用ANSYS二次開發(fā)功能，在每次運行宏文件時產生賦值對話框。手工優(yōu)化法可適用于設計變量較少以及變量的取值范圍較窄的情況，對于設計參數(shù)較多而且其取值范圍較寬時這種優(yōu)化方法則不可取。手工優(yōu)化法使設計人對設計參數(shù)最佳取值范圍有了初步的了解，可作為程序優(yōu)化法的參考，同時程序優(yōu)化結束之后，可以用手工優(yōu)化來驗證。
   
    2)半手工優(yōu)化法。這種方法是利用APDL語言的循環(huán)語句反復執(zhí)行宏文件BUILD.MAC，循環(huán)的步長則由設計人根據(jù)優(yōu)化精度的要求酌定。在每次循環(huán)結束時，自動讀取計算結果(如應力值)，并將其賦值給一個變量，下一次循環(huán)得到的值與此變量比較，如較之小，則覆蓋之并進入下一次循環(huán);如較之大，則直接進入下一次循環(huán)。此方法實質與手工優(yōu)化法一樣，不同的是每一次設計參數(shù)賦值是通過循環(huán)語句自動實現(xiàn)的。
   
    3)程序優(yōu)化法。ANSYS軟件包具有強大的設計優(yōu)化的功能，具體方法包括單步運行法、隨即搜索法、等步長搜索法、乘子計算法以及最優(yōu)梯度等功能。這種方法的自動化程度最高，得到的結果也較為精確。但要注意設計變量和狀態(tài)變量不要定義得太多，以免程序優(yōu)化的迭代過程無法收斂，而且以上幾種方法往往要結合使用以得到最優(yōu)結果。
   
    經過上述這3種優(yōu)化方法，得到一致的結果:θ=32°, B=0.25 m,  a= 1.20 m,最終得到A點的主拉應力σ1=50 MPa，σ3=-175 MPa，滿足要求。

5 如何編制APDL命令流
   
    從以上的步驟可以看出，幾乎所有的操作(建模、運行、后處理、優(yōu)化、命令流程控制)都是用命令流來進行的。這是無法避免的，因為但凡涉及到二次開發(fā)運用的問題，都必須語言編程。對于任何操作命令對應的APDL語句都可以查找下拉菜單的“log file”直接得到，而且不需要編譯，調試起來極為方便。筆者編寫的轉換程序“CONVERT.MAC"其用途是當初學者GUI建模完成之后執(zhí)行此程序，就可以得到建模過程的完整整齊的命令流(此部分語句占整個操作過程語句行數(shù)的絕大部分)。然后就可以局部修改這個命令流(如將其中的一些數(shù)據(jù)用變量表示，再加上少量的運行執(zhí)行語句和優(yōu)化語句)，實現(xiàn)參數(shù)化建模和優(yōu)化設計。#p#分頁標題#e#

6 結語
   
    本文所述的實例僅是ANSYS二次開發(fā)和參數(shù)化設計的一點粗淺的應用，但通過以上的介紹可以看出，具有強大功能的ANSYS軟件在經過二次開發(fā)之后，其優(yōu)越性又被史大程度地提高了，其應用前景是令人驚嘆的。