摘要：基于对门窗幕墙结构分析的应用与研究现状分析，提出了门窗幕墙结构有限元分析系统的体系结构。在针对参数化建模技术、有限元分析技术以及ANSYS二次开发技术等关键实现技术的研究基础之上，以AutoCAD作为图形处理及运行支持平台，开发了一套针对门窗幕墙结构的有限元分析专业应用系统，并在门窗幕墙行业进行推广应用。
关键词：门窗幕墙，有限元分析，参数化建模，ANSYS二次开发
1、引言
随着门窗幕墙行业的发展，各种复杂结构形态的门窗幕墙结构相继出现，使得传统计算方法已难以适应工程分析的需要，出现了计算精度差、计算效率低下、难以分析计算等问题。有限元分析技术是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法，是进行工程计算的有效方法，自五十年代起，在航空、水利、土木建筑、机械等多方面得到广泛的应用。
随着计算机技术的进一步发展，一些大型有限元通用软件相继出现，如德国的ASKA、英国的PAFEC、法国的SYSTUS、美国的ABQUS、ANSYS、ADINA、BERSAFE、BOSOR等等，使得有限元法逐渐成为广大工程技术人员进行复杂结构分析的首选方法。通用有限元软件以其强大功能支持，受到了用户的好评，然而该类软件针对性不强，用户学习周期长，对与CAD集成、工程建模及其后处理等缺乏必要支持，因而给工程分析带来了不少麻烦，难以满足由于行业竞争加剧而逐渐提倡的节约设计和制造成本、减少设计周期以及提高设计质量的要求。
基于此，本文以AutoCAD作为图形处理及运行支持平台，基于自行研制的有限元分析计算软件和ANSYS通用有限元分析软件，开发了一套适合门窗幕墙结构的专业有限元分析系统。该系统支持与AutoCAD的无缝集成，提供了诸如模型设计、模型计算、模型校核、结果出图以及计算书生成等一整套工程应用解决方案，解决了通用有限元软件的专用性不强、设计效率低、操作不方便、计算模型难以统一等问题。
2、系统体系结构
专业有限元分析软件的构建有两种思路可循：一是开发具有自主知识产权的有限元分析软件，二是基于现有成熟的有限元分析软件进行二次开发。本系统采用两种思路相结合的方法，一方面自主研发的有限元分析软件有利于降低系统对其它软件的依赖性以及软件生命周期中存在的各种风险，同时便于软件的升级与维护；另一方面对成熟有限元分析软件的兼容与集成，有利于运用其强大的计算功能弥补系统理论研究与应用上的不足。
系统采用面向对象程序设计方法，基于AutoCAD 提供的ObjectARX开发支持环境、图形处理与运行平台，完成了有限元分析的前后处理功能，使以前棘手的前后处理工作变得快捷方便。基于分层设计的思想，系统可分为接口层、事务处理层以及支持层等三层，其体系结构如图１所示。
（1）接口层以AutoCAD图形用户界面为基础，以菜单和命令行方式提供用户系统功能访问接口，实现用户与系统之间的可视化信息交互。接收并结构化用户界面输入信息，为事务处理层准备建模、模型修改、约束、载荷、材料、截面以及校核标准等相关信息。
（2）事务处理层响应接口层命令调用，并根据接口层提供的结构化数据完成建模、模型编辑、模型分析计算、模型校核、计算结果出图与计算书生成等功能。系统事务处理层主要包括前处理、模型分析计算、后处理等三大部分。a) 前处理：为模型分析计算提供基本数据准备与支持。本文所定义的模型主要包括两个方面的内容：一是与模型组成元素几何位置形状以及几何拓扑关系等相关的信息，二是与模型组成元素的性质（如所选择材料、截面形状与规格）、模型所受载荷约束等相关的模型工程信息。因而模型的前处理也主要是对这两大类信息进行构建与编辑。前处理主要包括标准模型的参数化建模、非标准模型的图形识别建模、模型元素属性编辑、载荷及约束添加与编辑、模型计算数据准备等等。b) 模型分析计算：提供模型的有限元分析、单元内力、弯矩及挠度计算以及模型校核等功能。本系统提供的有限元分析功能是基于自主研发的有限元分析软件和ANSYS通用有限元分析软件之上所构建起来的，具有较强的通用性与实用性，能够适合各种复杂结构的线性杆（梁）体系和非线性索（杆）体系的有限元分析计算。采用有限元法进行结构分析，工程人员一般只能得到单元节点处的位移及单元内力，难以直接得到单元的整体位移变形（挠度）及单元内力。本系统在充分利用传统力学理论的基础之上，提供了一整套关于单元内力、弯矩及挠度计算与出图的相关功能，有利于提高工程人员的设计效率。c) 后处理：根据结构分析与计算、模型校核的结果绘制相应的位移、弯矩、内力图以及生成计算书。（3）支持层包括自行研制的有限元分析软件、ANSYS通用有限元分析软件以及AutoCAD内核支持平台，提供系统有限元分析以及图形显示和存取等基本功能支持。另外，系统还提供一系列应用工具包，以方便门窗幕墙工程应用分析。主要有：载荷计算、玻璃计算、玻璃肋计算以及相应计算书生成等相关工具支持包。
2 系统关键实现技术 2.1 参数化建模技术 参数化建模技术是一种抽取模型中的相关特征信息并提供模型生成、信息读取与编辑的一整套技术。通过将模型中的定量信息变量化，使之成为可调整参数。用户通过对变量化参数赋予不同数值，就可建立具有独立特征的工程模型。要实现参数化建模，参数化模型的建立是关键。本系统所确立的参数化模型主要包括三个方面的内容：几何约束信息、拓扑约束信息、工程约束信息。几何约束是指描述模型组成元素的几何位置的相关信息，在本系统里主要表现为节点位置信息。拓扑约束信息，是指描述模型组成元素之间的几何拓扑关系，在本系统里主要表现为单元相关信息。工程约束信息是指与具体工程应用相关的信息，如截面类型与规格、材料、约束、外荷载等信息。系统参数化建模过程如图2所示。
参数化建模过程主要包含两个阶段：一是系统所支持的标准模型生成阶段，二是满足特定工程应用的个性化模型生成阶段。基于系统所提供的参数化建模支持库，设计者只需在集成的软件环境下，录入建模及模型编辑相关特征信息，系统即可自动生成与维护模型信息。图3为鱼腹形平面翼架参数化建模实例。
图3 典型模型参数化建模实例
2.2 有限元分析技术 有限元分析技术是随着计算机技术的发展而逐渐兴起的一种数值分析方法。一般说来，任何复杂结构的模型有限元求解都有如下几个步骤：（1）结构体系离散化。（2）选择恰当的位移模式或应力模式，建立单元的刚度矩阵或柔度矩阵。（3）装配总刚度矩阵或柔度矩阵。（4）求解大型线性方程组。（5）计算各单元的应力和位移。（6）结果保存。线性结构有限元分析求解模型如图4所示。
采用有限元分析技术进行线性结构分析，最终必然归结为求解一系数矩阵为对称正定阵的线性方程组。因而线性方程组求解的效率和精度是线性结构有限元分析软件成功与否的关键因素。线性方程租的求解一般可以考虑以下几个关键问题：（1）总刚度矩阵的存储空间效率以及读取时间效率。（2）总刚度矩阵算法选择以及对总刚度矩阵的计算预处理。（3）计算模型的完整性检验。2.3 ANSYS二次开发技术 ANSYS二次开发技术主要包括UPFs、UIDL与APDL。三者具体侧重点各不相同: UIDL 是主要用于控制GUI界面；UPFs向用户提供丰富的开发子程序和函数，基于此用户可以进行较为复杂的二次开发；APDL是一种参数化解释语言，可以用于实现参数化的有限元分析、分析批处理、专用分析系统的二次开发以及设计优化等。本系统采用APDL技术，实现了系统与ANSYS的有效集成。系统与ANSYS的集成模型如图5所示。
以APDL技术为基础，系统将ANSYS作为基本服务子程序，以文本文件为数据集成载体，实现了系统与ANSYS的松散耦合与集成。ANSYS集成调用过程主要有四个步骤：（1）基于参数化建模技术提供的模型信息读取功能读取个性化模型信息。（2）根据模型信息生成APDL宏文件。（3）根据生成的宏命令文件提交给ANSYS进行批处理操作。（4）读取结果文件并保存。 3 系统实现 基于对上述关键技术的研究，我们成功基于AutoCAD开发了一套实用的针对门窗幕墙结构分析领域的专业有限元分析系统——门窗幕墙结构有限元分析系统（简称：W-SCAS2006）。该系统是内江百科科技有限公司和重庆大学等单位在BKCADPM系列软件产品的基础上推出的又一重要软件系统，能够完成常见的门窗幕墙结构的计算分析和校核全过程，用户通过在AutoCAD中简单直观的图形界面交互操作，可一气呵成完成复杂的门窗幕墙结构的图形建模、模型修改、计算分析和校核等工作。采用系统后，可大大提高设计效率，优化设计结果，降低产品成本，提高产品质量和可靠性。系统主要由几何建模、载荷约束处理、计算分析和校核、载荷及玻璃计算、图形与计算书生成及环境参数设置等几个模块组成。 系统具有以下特色： 系统提供了丰富的标准模型库，包括一端简支一端固定梁、固定梁、悬臂梁、等跨度梁、不等跨度梁、任意约束梁、鱼腹式桁架、平行弦桁架、单梁三角性桁架、单梁平面翼架、单梁立体翼架、鱼腹形平面翼架、平行弦平面翼架、单拉索、菱形拉索、鱼腹式拉索、弓形单拉索、张拉自平衡索杆等，对常见门窗幕墙支承结构均能通过参数化方式快速建模，可大大提高了用户的设计效率； W-SCAS2006基于目前最为流行的图形辅助设计软件AutoCAD开发，具有与AutoCAD风格完全一致的用户界面和操作方法，操作方便，容易掌握； 对于系统未提供的模型，比如雨棚、门架等，可采用系统的识别图形建模功能进行建模，然后进行计算分析，系统全面兼容AutoCAD的文件格式，能够与其它多种同类型CAD系统进行数据交互，系统适用面广； 采用基于ObjectARX的AutoCAD二次开发技术，系统扩展升级方便； 4 结束语 本文在对门窗幕墙结构分析的应用与研究现状分析的基础之上，提出了门窗幕墙结构有限元分析系统的体系结构。在针对参数化建模技术、有限元分析技术以及ANSYS二次开发技术等关键实现技术的研究基础之上，开发了一套针对门窗幕墙结构的专业有限元分析系统，对提高设计人员工作效率、缩短设计周期、降低设计成本以及提高设计质量具有一定的现实意义，目前系统已经在我国门窗幕墙行业中推广应用。