CN112528376A

CN112528376A - 基于云服务的结构变形和应力分析方法及装置

Info

Publication number: CN112528376A
Application number: CN202011445571.8A
Authority: CN
Inventors: 郑之光; 唐朝国; 蒋俊杰; 银丽君; 李吻; 李科; 李冬; 朱夏乐; 银川; 张居力; 张毅; 于慧
Original assignee: Sichuan Crungoo Information Engineering Co Ltd
Current assignee: Sichuan Crungoo Information Engineering Co Ltd
Priority date: 2020-12-09
Filing date: 2020-12-09
Publication date: 2021-03-19

Abstract

本发明公开了基于云服务的结构变形和应力分析方法及装置，涉及结构分析领域，方法包括S1接收待分析结构相关数据，S2划分待分析结构，S3分析建立各单元结构的节点平衡关系；S4进单元组装获得整体平衡关系；S5分析整体平衡关系获得结构变形结果及应力受力情况，S6发送结构变形结果及应力受力情况至客户端进行展示；装置包括处理器，处理器安装在远程服务器内，处理器用于执行上述方法的步骤；计算功能不在客户端进行，而是在远程服务器进行计算，即使客户端是一台普通的计算机，也能完成非常复杂的结构计算，最大限度利用云服务强大运算能力提高结构计算运算效率，降低了结构计算硬件投入，节约了施工单位或设计单位结构计算成本。

Description

基于云服务的结构变形和应力分析方法及装置

技术领域

本发明涉及结构分析领域，尤其涉及一种基于云服务的结构变形和应力分析方法及装置。

背景技术

随着结构计算软件使用便捷性的提高，越来越多的国内外结构计算软件被设计和技术人员所采用，目前，求解结构力学问题的商用软件主要有：桥梁有限元分析MIDAS、钢结构分析SAP2000、通用有限元分析ANSYS、结构力学求解器SMSolver、桥梁设计系统桥梁博士、公路桥梁结构设计GQJS、钢与空间结构设计3D3S等软件系统；MIDAS是结构设计有限元分析软件，分为建筑领域、桥梁领域、岩土领域、仿真领域四个大类；MIDAS/Civil是针对土木结构分析的模块；SAP2000具有极强的功能，能为简单的二维框架静力分析到复杂的三维非线性动力分析提供解决方案；ANSYS是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件；

据调研，现在国内建筑结构领域使用的计算软件虽然各有其独到之处，也存在着以下问题：

1.大部分属于单机版，用户在本机进行建模，然后进行计算，查看计算结果。模型数据以及计算结果都是保存在本机，用户受限于地域、计算环境的不同，无法方便快捷获取模型及结果数据；

2.学习难度大，建模、数据填写及计算工作量大，硬件要求高，不适用于非专业性设计和技术人员；

3.购买费用较高，部分工程人员只能使用非授权或者破解软件进行计算，存在信息安全等风险。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题设计了一种基于云服务的结构变形和应力分析方法及装置。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

基于云服务的结构变形和应力分析方法，应用于远程服务器，远程服务器与客户端通讯连接，包括以下步骤：

S1、接收客户端发送的待分析结构相关数据，相关数据包括材料信息、截面信息、节点信息、单元信息、缆索信息、支座信息、修正信息和工况信息；

S2、根据待分析结构的相关数据划分离散待分析结构为n个单元结构；

S3、分析建立各单元结构的节点平衡关系；

S4、根据单元结构与单元结构之间的节点平衡关系进行单元组装获得整体平衡关系；

S5、分析整体平衡关系获得各单元结构的结构变形结果及应力受力情况；

S6、发送结构变形结果及应力受力情况至客户端进行展示。

基于云服务的结构变形和应力分析装置，应用于远程服务器，远程服务器与客户端通讯连接，包括至少一个处理器，处理器安装在远程服务器内，处理器用于执行上述的基于云服务的结构变形和应力分析方法的步骤。

本发明的有益效果在于：结构计算云平台基于云服务架构，计算功能不在客户端进行，而是在远程服务器进行计算，即使客户端是一台普通的计算机，也能完成非常复杂的结构计算，最大限度利用云服务强大运算能力提高结构计算运算效率，降低了结构计算硬件投入，节约了施工单位或设计单位结构计算成本；远程服务器结构计算后将结果发送至客户端，并在客户端通过图形性化的方式展示结构变形结果及应力受力情况，展示效果简单和直观，对用户修改设计方案十分方便，从而降低使用该软件的门槛，近一步提升结构计算的效率；多工况连续计算、单元或支座的安装和拆除、支座反力释放和恢复、非线性缆索单元的弹性模量修正、节点坐标值修正、剪切变形影响修正、截面特性计算等特殊功能方便设计出最合理的结构用于实际施工，计算结果数值差值小于万分之五，计算结果数据可信，数据分析方法直观便捷。

附图说明

图1是本发明基于云服务的结构变形和应力分析方法的流程示意图；

图2是本发明基于云服务的结构变形和应力分析方法中实施例的待分析结构示意图；

图3是本发明基于云服务的结构变形和应力分析方法中实施例的各单元结构受力分析示意图；

图4是本发明基于云服务的结构变形和应力分析方法中实施例的第一单元结构受力分析示意图；

图5是本发明客户端的结果展示图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。

如图1所示，基于云服务的结构变形和应力分析方法，应用于远程服务器，远程服务器与客户端通讯连接，包括以下步骤：

S1、接收客户端发送的待分析结构相关数据，相关数据包括材料信息、截面信息、节点信息、单元信息、缆索信息、支座信息、修正信息和工况信息。

S2、根据待分析结构的相关数据划分离散待分析结构为n个单元结构。

S3、分析建立各单元结构的节点平衡关系；

各单元结构的节点平衡关系为

对于每个单元i分别取两端截面作为节点进行分析，有

其中E_i为单元 i的弹性模量，l_i为单元i的长度，A_i为单元i的横截面，u_i，u_i+1表示单元i两端截面上所发生的位移，

分别表示单元i两端截面上节点所受的力；从整体上看，该结构被划分为了n+1个截面，其中n表示划分单元个数，因此，每个截面上发生的位移和所受的力分别用u_i,P_i表示，其中i∈{0,1,...,n+1}，其中支反力 F＝P_n+1。

S4、根据单元结构与单元结构之间的节点平衡关系进行单元组装获得整体平衡关系，整体平衡关系为

S51、根据整体平衡关系与位移边界条件限制获得各单元结构的节点位移；

S52、根据各单元结构的节点位移获得各单元结构的应变以及最后一个单元结构的支反力，其中应变表示为

通过位移边界条件u_n+1＝0(假设支柱未发生位移)以及已知其他节点上所受的力P_i,i∈[0,n]，通过整体刚度方程可以解出所有节点上的位移u_i,i∈[0,n+1]，再将解出的位移其带入S4中整体刚度方程解出最后一行即可求出支反力F＝P_n+1；

S53、根据各单元结构的应变获得各单元结构的应力，应力表示为σ＝Eε。

S6、发送结构变形结果及应力受力情况至客户端进行展示。

例如，求解如图2所示结构的所有力学参量。相关的材料参量和尺寸为 E₁＝E₂＝E₃＝2×10⁵Pa，3A₁＝2A₂＝A₃＝0.06m²，l₁＝l₂＝l₃＝0.1m，其中E为弹性模量， A截面积，l为单元长度；

将原整体结构按几何形状的变化性质划分节点并进行编号，然后将其分解为一个个小的构件(即：单元)，基于节点位移，建立每一个单元的节点平衡关系(叫做单元刚度方程)，对于上图单元来说是

其中E_i为单元i的弹性模量，l_i为单元i的长度， A_i为单元i的横截面，u_i，u_i+1表示单元i两端截面上所发生的位移，

分别表示单元i两端截面上节点所受的力。从整体上看，该结构被划分为了3个截面，划分2个单元数。因此，每个截面上发生的位移和所受的力可以用u_i,P_i表示，其中i＝1、2或3，其中支反力F＝P₃；

远程服务器的具体分析过程如下：

1.节点编号和单元划分。由于该结构由三根不同几何尺寸的杆件组成，并且在一些杆件连接处还作用有集中载荷，因此，需要在杆件连接处划分出节点，这样对于该结构就自动给出三个单元，其节点及单元编号见图2，将每一个单元分离出来，并标出每一个节点的位移和外力，如图3所示，注意，这里位移和力的方向都以x正方向来标注。

2.计算各单元的单元刚度方程。受力分析如图4所示只需要将其中的各个参数进行代换，下面直接给出对应于单元①、②、③的单元刚度方程；

单元①的刚度方程为

单元②的刚度方程为

单元③的刚度方程为

3.组装各单元刚度方程。由于整体结构是由各个单元按一定连接关系组合而成的，因此，需要按照节点的对应位置将以上单元①、单元②、单元③的刚度方程进行组装，以形成一个整体刚度方程：

刚度矩阵上方标明了所对应的变量，上面的组装过程，实际上就是将各个单元方程按照节点编号的位置进行集成,上式中的P₁ ⁽¹⁾,P₂ ⁽¹⁾+P₂ ⁽²⁾,P₃ ⁽²⁾+P₃ ⁽³⁾，P₄ ⁽³⁾就是节点1、2、3、4上的合成节点力，即P₁＝P₁ ⁽¹⁾,P₂＝P₂ ⁽¹⁾+P₂ ⁽²⁾,P₃＝P₃ ⁽²⁾+P₃ ⁽³⁾，P₄＝P₄ ⁽³⁾， P₁＝-100N,P₂＝0，P₃＝50N，而P₄为支座的支反力，将该结构的材料参数和几何尺寸参数代入上式中，则有

式中的为节点位移u₁,u₂,u₃,u₄，P₁,P₂,P₃,P₄为节点力，图3中分别就单元①、②、③写出了各自的节点力，如对于节点2，即写出了单元①中节点2的节点力，又给出了单元②中节点2的节点力，可以看出，在单元组装后，实际上只需要合成后的节点力(见P₁,P₂,P₃,P₄)；因此，对各个单元的刚度系数按对应节点位移的位置进行组装，而节点力只需直接写出即可。

4.图2所示结构的位移边界条件为：u₄＝0，将已知的节点位移和节点力

由于u₄＝0，则划掉上述刚度矩阵的第4列和第4行，则有

求解上述方程，则有：

5.求支反力；在求得所有节点位移后，并且u₄＝0，可求出支反力P₄为 P₄＝-1.2×10⁵×u₃＝50N；

6.求各个单元的其它力学量(应变、应力)；由公式

(u_b,u_a为节点位移，l单元长度)，可以求出各个单元的应变，即

由公式σ＝Eε(ε为应变，E弹性模量)，可以求出各个单元的应力，即

σ⁽¹⁾＝E₁ε⁽¹⁾＝4.999×10³Pa

σ⁽²⁾＝E₂ε⁽²⁾＝3.3333×10³Pa

σ⁽³⁾＝E₃ε⁽³⁾＝8.3333×10²Pa。

以材料为钢材，弹性模量为210GPa，不考虑杆单元自重即材料容重为0kN/m³；截面为高100cm、宽20cm；节点1坐标为(0,2)m，节点2坐标为(1,0)m，节点3坐标为(2,0.25)m，节点4坐标为(3,0.5)m，节点5坐标为(4，1.5) m；节点2为铰接、其它节点为固接；1节点5节点均设置双向约束水平、竖向、抗弯支座；节点3施加900000kN集中力的框架结构为例，如图5所示，计算结果对比如下。

(1)不考虑剪切变形影响计算结果对比

①节点位移对比如表1所示，注：1节点5节点位移均为0；

表1

②单元内力、应力对比如表2、表3所示，仅比较1—2、2—3单元内力。N为轴向力，M为弯矩，Q为剪力；仅比较3—4、4—5单元应力。ST为上翼缘应力，SB为下翼缘应力；

表2

表3

③支座反力对比如表4所示；

表4

(2)考虑剪切变形影响计算结果对比

①节点位移对比如表5所示，注：1节点5节点位移均为0；

表5

②单元内力、应力对比如表6、表7所；注：仅比较1—2、2—3单元内力。N为轴向力，M为弯矩，Q为剪力；仅比较3—4、4—5单元应力。ST为上翼缘应力，SB为下翼缘应力；

表6

表7

③支座力对比，如表8所示；

表8

基于云服务的结构变形和应力分析装置，应用于远程服务器，远程服务器与客户端通讯连接，其特征在于，包括至少一个处理器，处理器安装在远程服务器内，处理器用于执行上述的基于云服务的结构变形和应力分析方法的步骤。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。