摘 要：本文针对结构可靠度计算较复杂的难题，提出了基于ANSYS平台编写二次开发程序来进行可靠度计算的方法，文中对ANSYS进行可靠度分析的关键点进行了研究，编写了相关的开发程序，并采用开发程序对一个算例进行了分析验证。分析结果表明，基于ANSYS进行二次开发可避免可靠度分析的计算困难，可大大提高可靠度计算的精度和效率。
关键词：可靠度；ANSYS；二次开发；计算效率
1引言
结构的可靠度计算比较复杂，传统方法处理可靠度问题时，往往需要大量的数学计算及编程实现，对于一般工程设计人员并不实用，也很难推广。另一方面，2008年汶川地震之后，国家对建筑结构可靠度方面的重视程度不断提高。在这种背景下，实现在ANSYS等有限元平台上进行可靠度问题的分析，并编制相应的程序模块，形成一种便于工程设计人员接受的计算方法，具有较大的工程意义。
ANSYS是广大工程技术人员熟悉的有限元分析软件，因此本文基于ANSYS平台，从可靠度的角度，对 ANSYS行了二次开发，将可靠度的程序模块与ANSYS软件连接在一起，使其具有结构分析和可靠度计算的功能，以使可靠度计算分析能实现通用软件的电算化。
2 ANSYS分析可靠度问题的关键点
进行可靠度分析时，如果仅仅是知道基本的方法很难真正计算出实际的失效概率的，因为体系可靠度的计算不但是一个复杂的数学逻辑问题，也是一个复杂的计算问题。如果不借助计算机软件则很难实现这一要求，在通用有限元软件ANSYS中如何进行可靠度分析有以下两个关键点。
2.1 ANSYS中的APDL语言
APDL语言是ANSYS Parametric Design Language的缩写，即ANSYS参数化设计语言，它是一种类似于FORTRAN的解释性语言，提供了一般程序语言的功能，比如参数、宏、分支、循环、重复以及访问ANSYS有限元数据库等等，另外还提供了简单界面定制功能，实现参数交互输入、消息机制、界面驱动和运行应用程序等[1]。
2.2 ANSYS中实现随机变量抽样的方法
使用ANSYS的PDS求解器进行概率分析的核心就是多次抽样然后对抽样计算得到的结果进行数学分析，进而得到失效概率。说的再简单些，就是如何在ANSYS中将需要求解的问题编制成一个宏，然后对随机变量进行抽样，并调用这个宏多次求解。将需要求解的问题编制成宏是应用有限元软件的能力，它不是本文需要讨论的问题，这一节主要介绍如何在ANSYS中进行各种分布的有效抽样。
对于建筑结构来说，最常见的分布类型为：正态分布，极值 型分布，对数正态分布，伽马分布等，而这些分布类型有些是PDS求解器所不具备的，这就需要采用数学的方式将其映射出来。而其中最为关键的就是如何产生随机数，因为随机变量主要体现在随机性，虽然总体是满足一定的分布类型，但是每一次出现的数据却又是不定的，所以一种行之有效的办法就是，先产生一组随机数然后根据需要映射到不同的分布类型上。
3 验证算例
设某拉杆材料强度为 、杆件直径为D、轴心拉力P，其中材料强度和杆件直径为随机变量，轴心拉力为常量，各随机变量之间相互独立。
在ANSYS中编制相应的分析程序，然后在PDS求解器中调用并采用响应面法进行求解，试验点采用中心复合设计。通过分析得到拟合的响应面方程如公式(1)所示
（1）
代入均值计算得到Z的真实值为96.3478，而采用公式1计算得到Z的响应面值为96.5331，其相对误差仅为0.19%，同时从图1可以看出，大部分计算点均处于响应面上，因此可以认为响应面拟合的效果很好。
图 1 拟合得到的响应面
图 2 基于响应面的可靠度指标
得到响应面方程之后，可以采用确定性的分析方法如验算点法计算失效概率，但是为了方便程序测试，本文中将基于响应面进行蒙特卡罗法抽样，然后计算具体的失效概率。
通过图2可以看出，由于响应面拟合的程度较好，因此当循环进入20000次之后的可靠度指标已经处于收敛的状态，直到50000次循环计算得到的可靠度指标 ，与精确解的相对误差为0.14%，而由于仅仅循环计算响应面方程并不代入有限元模型进行求解，因此50000次循环所需时间也仅为9.8秒，可见如果可以通过响应面拟合得到较好的功能函数，则可靠度计算的效率则大大提高。
4 结论
本文基于ANSYS平台，进行了可靠度分析的二次开发，编写了基于通用有限元软件的可靠度计算二次开发程序，并采用所编写的程序对算例进行了有限元分析，分析结果表明，该方法可迅速收敛，可靠度指标计算准确，大大提高了可靠度分析的计算精度和计算效率。
参考文献：
[1] 周宁. APDL高级工程应用实例分析与二次开发[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2007.
[2] 张新培. 建筑结构可靠度分析与设计 [M]. 北京: 科学出版社, 2000.
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