基于SAP2000的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模與分析

基于SAP2000的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模與分析摘要：本文簡(jiǎn)要介紹了SAP2000應(yīng)用編程接口即CSiOAPI的功能特點(diǎn)及其在結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用。我們以空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)建模分析過(guò)程為例詳細(xì)闡述了CSiOAPI在結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模、分析及后處理中的流程和方法。本文對(duì)應(yīng)用編程接口及Python語(yǔ)言在結(jié)構(gòu)分析方面的使用進(jìn)行了初步的探索，對(duì)同類型的工程項(xiàng)目具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：CSiOAPI；Python；參數(shù)化建模；結(jié)構(gòu)分析；空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

引言

SAP2000是美國(guó)CSi公司(ComputerandStructuresInc.)開(kāi)發(fā)研制的通用結(jié)構(gòu)分析程序，是一款集成化、高效率的通用結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)程序，在世界各國(guó)的結(jié)構(gòu)分析項(xiàng)目中得到廣泛應(yīng)用。SAP2000采用基于對(duì)象的有限元技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)方便的建模，并具有穩(wěn)定的分析內(nèi)核，可對(duì)其他分析程序的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和校核。

CSiOAPI(CSiOpenApplicationProgrammingInterface)，即CSi開(kāi)放應(yīng)用編程接口，原名SAP2000API，是SAP2000提供的二次開(kāi)發(fā)接口。它包含了SAP2000中大部分功能的函數(shù)，通過(guò)調(diào)用可以實(shí)現(xiàn)與SAP2000等效的操作或擴(kuò)充SAP2000的功能。并且，通過(guò)程序操作可以方便地實(shí)現(xiàn)批處理、參數(shù)化等過(guò)程。CSiOAPI目前支持C#、VisualBasic、Fortran、Matlab和Python等常用編程語(yǔ)言和應(yīng)用程序。

Python是一種面向?qū)ο蟆⒔忉屝偷挠?jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。其語(yǔ)法簡(jiǎn)潔清晰，具有很強(qiáng)的可讀性，支持面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)。Python屬于腳本語(yǔ)言，具有豐富和強(qiáng)大的函數(shù)庫(kù)，它常被昵稱為膠水語(yǔ)言，能夠把用其他語(yǔ)言制作的各種模塊很輕松地聯(lián)結(jié)在一起。基于這一特性，很多程序?qū)ython作為二次開(kāi)發(fā)的接口語(yǔ)言進(jìn)行支持，結(jié)構(gòu)分析中常用的Abaqus即支持Python進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，新版本的CSiOAPI也開(kāi)始支持Python。本文中涉及的程序即采用Python語(yǔ)言編寫(xiě)。

本文擬通過(guò)一個(gè)典型的二次開(kāi)發(fā)程序，介紹CSiOAPI應(yīng)用的一般過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)SAP2000既有功能的擴(kuò)充，使其能更有效地用于結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)。

1CSiOAPI開(kāi)發(fā)要點(diǎn)

在SAP2000最初是在V11版本中推出了應(yīng)用編程接口功能模塊，原名SAP2000API，作為開(kāi)放給用戶進(jìn)行擴(kuò)充開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序接口。在SAP2000V15中，SAP2000不僅完成了諸如界面上的重大改進(jìn)，也進(jìn)一步增加完善了API功能，并且API不只適用于SAP2000程序，同樣適用于CSIBridge程序中，此次版本的API更名為CSiOAPI[1]。在最新的SAP2000V20版本中，CSiOAPI的各項(xiàng)功能又進(jìn)行了升級(jí)和強(qiáng)化。

CSiOAPI作為一個(gè)通用性強(qiáng)的工具，允許用戶通過(guò)編程的方式，利用API調(diào)用函數(shù)，在結(jié)構(gòu)建模、分析和設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行定制來(lái)實(shí)現(xiàn)參數(shù)化的模型生成、分析和設(shè)計(jì)，完成自定義的結(jié)果輸出和數(shù)據(jù)提取。同界面交互操作的方式相比，這種操作方式將擴(kuò)展設(shè)計(jì)人員的分析能力，提高效率。用戶還可以應(yīng)用OAPI實(shí)現(xiàn)SAP2000分析程序與第三方軟件的連接，實(shí)現(xiàn)與其他程序?qū)ㄖY(jié)構(gòu)模型信息的共享。并且，通過(guò)Python可以方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)提取與分析，并對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行可視化，對(duì)進(jìn)一步的優(yōu)化提供了便利。

在安裝了SAP2000(V11版本以上)和相應(yīng)開(kāi)發(fā)環(huán)境的計(jì)算機(jī)上，都可以利用CSiOAPI進(jìn)行開(kāi)發(fā)。大多數(shù)編程語(yǔ)言都可以與OAPI結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶程序的定制，如C#，VisualBasic，C++，F(xiàn)ortran，Matlab、Python、VBA等。

不同的編程語(yǔ)言有各自的語(yǔ)法、限制和特點(diǎn)，但程序開(kāi)發(fā)過(guò)程都遵循相同的基本原理。

目前應(yīng)用OAPI二次開(kāi)發(fā)主要有以下兩種方式，外部調(diào)用和內(nèi)部調(diào)用。外部調(diào)用指通過(guò)一個(gè)調(diào)用API的程序，自動(dòng)啟動(dòng)SAP2000程序，然后執(zhí)行批處理的操作。內(nèi)部調(diào)用則是在SAP2000程序內(nèi)，封裝集成SAP2000既有的功能。

OAPI中的函數(shù)和數(shù)據(jù)以面向?qū)ο蟮姆绞浇M織在一起，在程序初始時(shí)定義類對(duì)象并初始化。各個(gè)函數(shù)可作為該對(duì)象的方法進(jìn)行調(diào)用。OAPI中的函數(shù)組織如圖1所示。

OAPI參數(shù)分為ByVal和ByRef兩種，第一種只是將參數(shù)的值傳遞給函數(shù)，第二種將參數(shù)的地址傳遞給函數(shù)，通過(guò)第二種方法，可得到多個(gè)返回值。參數(shù)允許使用默認(rèn)值，默認(rèn)值在函數(shù)定義中存在，在調(diào)用函數(shù)時(shí)可以不重新賦予。若要給后面參數(shù)賦值，前面參數(shù)可不賦值，但位置要留出。

OAPI函數(shù)以一個(gè)長(zhǎng)整形數(shù)作為返回值，如函數(shù)執(zhí)行成功，返回值為0；否則返回非零值。通過(guò)函數(shù)返回值，可以判定OAPI函數(shù)執(zhí)行情況。

圖1

OAPI函數(shù)組織圖

以下為利用python語(yǔ)言調(diào)用CSiOAPI的部分程序代碼：

importos

importwin32com.client

importmath

zso=win32com.client.Dispatch(("

Sap2000v15.SapObject"))

zso.ApplicationStart()

zsm=zso.SapModel

zsm.InitializeNewModel()

ret=zsm.File.NewBlank()

2空間網(wǎng)格建模分析要點(diǎn)

空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)包括球面網(wǎng)殼、圓柱面網(wǎng)殼、平板網(wǎng)架、弦支穹頂?shù)榷喾N。球面網(wǎng)殼又可以分為凱威特型、聯(lián)方型、施威德勒型、肋環(huán)型、短程線型等。空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的組成特點(diǎn)是：以桿件單元為主；節(jié)點(diǎn)和桿件的數(shù)量大；構(gòu)成具有較強(qiáng)的規(guī)律性，適合利用程序自動(dòng)生成并參數(shù)化施加荷載和約束。

各種球面網(wǎng)殼的建模過(guò)程均類似，下面以凱威特型K6球面網(wǎng)殼為例，介紹參數(shù)化建模過(guò)程。

2.1幾何構(gòu)成和控制參數(shù)

圖2所示是一個(gè)K6凱威特球面網(wǎng)殼的控制參數(shù)示意圖。凱威特型單層球面網(wǎng)殼的幾何構(gòu)型可由網(wǎng)殼跨度S，矢高H，扇區(qū)數(shù)Kn，徑向等分?jǐn)?shù)nx幾個(gè)參數(shù)確定。本例中Kn=6，nx=6。網(wǎng)殼節(jié)點(diǎn)編號(hào)圖和桿件編號(hào)圖分別如圖3、圖4所示。

圖2

凱威特網(wǎng)殼參數(shù)示意圖

通過(guò)控制參數(shù)，可在確定的笛卡爾坐標(biāo)系下計(jì)算得到各個(gè)節(jié)點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)；根據(jù)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和球面網(wǎng)殼的空間幾何組成，生成節(jié)點(diǎn)和全部桿件[3、4]。

2.2節(jié)點(diǎn)和桿件建立

規(guī)定球面網(wǎng)殼球面的球心作為空間三維坐標(biāo)系的原點(diǎn)，以豎直向上方向作為Z軸，以一水平軸作為X軸，由右手定則確定Y軸方向。則確定了空間坐標(biāo)系以及網(wǎng)殼在其中的定位。

在CSiOAPI中，分別通過(guò)PointObj和FrameObj兩個(gè)函數(shù)建立節(jié)點(diǎn)對(duì)象和桿件對(duì)象，python語(yǔ)法如下：

PointObj.AddSpherical(Radius，alpha，beta，pointname，name)

FrameObj.AddByPoint(pointname1，pointname2，name)

FrameObj.AddByCoord(xi，yi，xj，yj，name)

圖5所示為生成后的完整網(wǎng)殼模型。圖6、圖7為節(jié)點(diǎn)和桿件的透視圖。

圖3

凱威特網(wǎng)殼節(jié)點(diǎn)編號(hào)圖

圖4

凱威特網(wǎng)殼桿件編號(hào)圖

圖5

SAP2000中凱威特網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)模型

笛卡爾坐標(biāo)系下節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)可按下列公式計(jì)算：

計(jì)算所得到的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)可記錄在一個(gè)一維數(shù)組中。按照結(jié)構(gòu)桿件的構(gòu)成規(guī)律，可以通過(guò)連接對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)形成所有桿件。

圖6

通過(guò)程序生成的節(jié)點(diǎn)圖

圖7

通過(guò)程序生成的桿件圖

2.3支座約束

一個(gè)完整的有限元模型包括節(jié)點(diǎn)、單元、支座約束、材性信息、截面信息、方位、支座位移等信息。

通過(guò)網(wǎng)殼組成規(guī)律，可利用OAPI給底部節(jié)點(diǎn)對(duì)象設(shè)置約束，約束可以是固定、鉸接和彈性支座，并可施加支座位移。通過(guò)對(duì)一個(gè)長(zhǎng)度為6的布爾數(shù)組賦值即可實(shí)現(xiàn)。

語(yǔ)法為：PointObj.SetRestraint(pointname,[True,True,True,True,True,True])

本例中，將支座全部設(shè)置為固定支座，如圖8、圖9所示。

圖8

網(wǎng)殼支座示意圖

圖9

網(wǎng)殼節(jié)點(diǎn)荷載示意圖

2.4節(jié)點(diǎn)荷載的施加

在SAP2000中，可直接對(duì)點(diǎn)對(duì)象施加節(jié)點(diǎn)荷載。

在網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的構(gòu)造中，屋面荷載直接傳到網(wǎng)殼節(jié)點(diǎn)上，桿件為軸力桿，不承受橫向荷載，所以可將荷載按點(diǎn)荷載的方式施加在結(jié)構(gòu)上。

語(yǔ)法為：PointObj.SetLoadForce(point，loadpattern，[0,0,-force,0,0,0])

2.5結(jié)構(gòu)分析

參數(shù)化模型建立之后，可通過(guò)交互方式或命令方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和結(jié)果數(shù)據(jù)的后處理。

在SAP2000環(huán)境下，需要先保存模型然后再運(yùn)行分析，python代碼如下。

APIPath='C:SAPAPI_xzh'

#savemodel

ifnotos.path.exists(APIPath):

try:

os.makedirs(APIPath)

exceptOSError:

pass

ret=zsm.File.Save(APIPath+os.sep+'SAPAPI.sdb')

#runmodel

ret=zsm.Analyze.RunAnalysis()

經(jīng)過(guò)分析后，可以得到內(nèi)力圖、位移圖等靜力計(jì)算結(jié)果和特征值計(jì)算結(jié)果，如圖10、圖11所示。

圖10

部分靜力計(jì)算結(jié)果

圖11

部分特征值計(jì)算結(jié)果

3結(jié)論與展望

本文結(jié)合空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的建模特點(diǎn)和SAP2000API的應(yīng)用，介紹了在SAP2000平臺(tái)上利用OAPI進(jìn)行空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)快速參數(shù)化建模的方法和流程，為了說(shuō)明基本原理，本文通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)實(shí)例來(lái)具體介紹程序編制的過(guò)程和步驟，但利用API能做的工作遠(yuǎn)不止這些。API中包含了SAP2000中絕大部分功能的實(shí)現(xiàn)函數(shù)，并且與通用編程語(yǔ)言結(jié)合之后，可以利用python數(shù)據(jù)分析庫(kù)來(lái)進(jìn)行結(jié)果后處理，大大擴(kuò)展SAP2000的功能并顯著提高效率，并且通過(guò)程序控制，用批處理的方式進(jìn)行多步驟的分析則更能顯現(xiàn)API的便捷。后續(xù)開(kāi)發(fā)可以在以下幾個(gè)方面擴(kuò)展。

3.1單層球面網(wǎng)殼整體穩(wěn)定分析

空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ7-2010)4.3.1條規(guī)定：?jiǎn)螌泳W(wǎng)殼以及厚度小于跨度1/50的雙層網(wǎng)殼均應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。穩(wěn)定性計(jì)算可按考慮初始缺陷的幾何非線性分析，初始缺陷按第一階振型，位移最大值取為跨度的1/300[3]。

通過(guò)API可以讀取特征值分析的一階振型，按照比例通過(guò)改變節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)來(lái)施加初始缺陷，進(jìn)而進(jìn)行幾何非線性分析來(lái)獲取網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定系數(shù)。這個(gè)過(guò)程通過(guò)界面交互方式建模將耗費(fèi)大量建模時(shí)間甚至難以實(shí)現(xiàn)。

3.2數(shù)據(jù)共享與模型轉(zhuǎn)換

通過(guò)模型信息的建立，可以完成空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)模型建立，包括節(jié)點(diǎn)、單元、截面特性、材性、約束、荷載等有限元模型全部要素。通常數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的方式是對(duì)文本的處理，而通過(guò)API可直接訪問(wèn)SAP2000數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化的文本輸出。

3.3節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)網(wǎng)殼穩(wěn)定性的影響

在鋼結(jié)構(gòu)分析中，節(jié)點(diǎn)都模型化為完全鉸接或完全剛接，但實(shí)際的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造都是半剛接，在強(qiáng)度分析中，節(jié)點(diǎn)剛度會(huì)影響內(nèi)力分布，在穩(wěn)定分析中，節(jié)點(diǎn)剛度則會(huì)顯著影響極限荷載。

在Ansys中，節(jié)點(diǎn)剛度只能通過(guò)彈簧單元Combin14或矩陣單元Matrix27進(jìn)行節(jié)點(diǎn)剛度設(shè)置，設(shè)置時(shí)需要在桿件端部插入彈簧單元。而SAP20