基于ANSYS平臺的結構可靠度編程分析論文

時間：2021-04-16 15:12:52 畢業(yè)論文范文我要投稿

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　　摘要：本文針對結構可靠度計算較復雜的難題，提出了基于ANSYS平臺編寫二次開發(fā)程序來進行可靠度計算的方法，文中對ANSYS進行可靠度分析的關鍵點進行了研究，編寫了相關的開發(fā)程序，并采用開發(fā)程序對一個算例進行了分析驗證。分析結果表明，基于ANSYS進行二次開發(fā)可避免可靠度分析的計算困難，可大大提高可靠度計算的精度和效率。

基于ANSYS平臺的結構可靠度編程分析論文

　　關鍵詞：可靠度；ANSYS；二次開發(fā)；計算效率

　　1引言

　　結構的可靠度計算比較復雜，傳統(tǒng)方法處理可靠度問題時，往往需要大量的數(shù)學計算及編程實現(xiàn)，對于一般工程設計人員并不實用，也很難推廣。另一方面，2008年汶川地震之后，國家對建筑結構可靠度方面的重視程度不斷提高。在這種背景下，實現(xiàn)在ANSYS等有限元平臺上進行可靠度問題的分析，并編制相應的程序模塊，形成一種便于工程設計人員接受的計算方法，具有較大的工程意義。

　　ANSYS是廣大工程技術人員熟悉的有限元分析軟件，因此本文基于ANSYS平臺，從可靠度的角度，對 ANSYS行了二次開發(fā)，將可靠度的程序模塊與ANSYS軟件連接在一起，使其具有結構分析和可靠度計算的功能，以使可靠度計算分析能實現(xiàn)通用軟件的電算化。

　　2 ANSYS分析可靠度問題的關鍵點

　　進行可靠度分析時，如果僅僅是知道基本的方法很難真正計算出實際的失效概率的，因為體系可靠度的計算不但是一個復雜的數(shù)學邏輯問題，也是一個復雜的計算問題。如果不借助計算機軟件則很難實現(xiàn)這一要求，在通用有限元軟件ANSYS中如何進行可靠度分析有以下兩個關鍵點。

　　2.1 ANSYS中的APDL語言

　　APDL語言是ANSYS Parametric Design Language的縮寫，即ANSYS參數(shù)化設計語言，它是一種類似于FORTRAN的解釋性語言，提供了一般程序語言的功能，比如參數(shù)、宏、分支、循環(huán)、重復以及訪問ANSYS有限元數(shù)據(jù)庫等等，另外還提供了簡單界面定制功能，實現(xiàn)參數(shù)交互輸入、消息機制、界面驅動和運行應用程序等[1]。

　　2.2 ANSYS中實現(xiàn)隨機變量抽樣的方法

　　使用ANSYS的PDS求解器進行概率分析的核心就是多次抽樣然后對抽樣計算得到的結果進行數(shù)學分析，進而得到失效概率。說的再簡單些，就是如何在ANSYS中將需要求解的問題編制成一個宏，然后對隨機變量進行抽樣，并調用這個宏多次求解。將需要求解的問題編制成宏是應用有限元軟件的能力，它不是本文需要討論的`問題，這一節(jié)主要介紹如何在ANSYS中進行各種分布的有效抽樣。

　　對于建筑結構來說，最常見的分布類型為：正態(tài)分布，極值型分布，對數(shù)正態(tài)分布，伽馬分布等，而這些分布類型有些是PDS求解器所不具備的，這就需要采用數(shù)學的方式將其映射出來。而其中最為關鍵的就是如何產(chǎn)生隨機數(shù)，因為隨機變量主要體現(xiàn)在隨機性，雖然總體是滿足一定的分布類型，但是每一次出現(xiàn)的數(shù)據(jù)卻又是不定的，所以一種行之有效的辦法就是，先產(chǎn)生一組隨機數(shù)然后根據(jù)需要映射到不同的分布類型上。

　　3 驗證算例

　　設某拉桿材料強度為、桿件直徑為D、軸心拉力P，其中材料強度和桿件直徑為隨機變量，軸心拉力為常量，各隨機變量之間相互獨立。

　　在ANSYS中編制相應的分析程序，然后在PDS求解器中調用并采用響應面法進行求解，試驗點采用中心復合設計。通過分析得到擬合的響應面方程如公式代入均值計算得到Z的真實值為96.3478，而采用公式1計算得到Z的響應面值為96.5331，其相對誤差僅為0.19%，同時從圖1可以看出，大部分計算點均處于響應面上，因此可以認為響應面擬合的效果很好。

　　圖 1 擬合得到的響應面

　　圖 2 基于響應面的可靠度指標

　　得到響應面方程之后，可以采用確定性的分析方法如驗算點法計算失效概率，但是為了方便程序測試，本文中將基于響應面進行蒙特卡羅法抽樣，然后計算具體的失效概率。

　　通過圖2可以看出，由于響應面擬合的程度較好，因此當循環(huán)進入20000次之后的可靠度指標已經(jīng)處于收斂的狀態(tài)，直到50000次循環(huán)計算得到的可靠度指標，與精確解的相對誤差為0.14%，而由于僅僅循環(huán)計算響應面方程并不代入有限元模型進行求解，因此50000次循環(huán)所需時間也僅為9.8秒，可見如果可以通過響應面擬合得到較好的功能函數(shù)，則可靠度計算的效率則大大提高。

　　4 結論

　　本文基于ANSYS平臺，進行了可靠度分析的二次開發(fā)，編寫了基于通用有限元軟件的可靠度計算二次開發(fā)程序，并采用所編寫的程序對算例進行了有限元分析，分析結果表明，該方法可迅速收斂，可靠度指標計算準確，大大提高了可靠度分析的計算精度和計算效率。

　　參考文獻：

　　[1] 周寧. APDL高級工程應用實例分析與二次開發(fā)[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2007.

　　[2] 張新培. 建筑結構可靠度分析與設計 [M]. 北京: 科學出版社, 2000.

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