CN113128092B - 一种结构动力弹塑性分析纤维模型的快速转换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种结构动力弹塑性分析纤维模型的快速转换方法，其特点是采用三种参数化文本模型的对接，将结构专业设计软件模型转换为通用有限元软件模型，具体转换包括：转换形成APDL参数化文本、生成K模型文本、调整K模型文本、检查K模型质量与周期、增加地震动和采用Ls‑dyna求解器进行动力弹塑性分析等步骤。本发明与现有技术相比具有将应用普遍的专业结构分析软件Midas/Gen的模型，快速转换为通用有限元软件Ls‑dyna的纤维模型，以便进行结构大震动力弹塑性分析，有效保证了转换模型与原模型的准确性，尤其适合采用编程进行开发，进一步提升转换效率。

Description

一种结构动力弹塑性分析纤维模型的快速转换方法
技术领域
本发明涉及建筑结构安全设计技术领域，具体地说是一种结构动力弹塑性分析纤维模型的快速转换方法。
背景技术
弹塑性分析是建筑抗震设计的重要内容，尤其是结构在大震下的变形验算。大震弹塑性分析的目的是：模拟结构在罕遇地震下的变形，并对其进行验算；根据主要构件的塑性损伤和整体变形情况，验证结构是否满足“大震不倒”的设防水准要求；对整体结构抗震性能给出评价，并对结构设计提出意见和建议。
目前，我国的《建筑抗震设计规范》5.5.2条规定，对于特别不规则的结构、板柱-抗震墙、高度不大于150m的高层钢结构、7度三、四类场地和8度乙类建筑中的钢筋混凝土结构和钢结构，宜进行弹塑性变形验算。对于高度大于150m的钢结构、甲类建筑等结构，应进行弹塑性变形验算。弹塑性分析的实现方式有：动力弹塑性分析(弹塑性时程分析)和静力弹塑性分析(Pushover)。其中，动力弹塑性分析将地震动作为一种荷载，直接加载在结构上，相比具有一定简化的静力弹塑性分析来说，准确性更高，且更容易反映结构在地震过程中的损伤积累情况，因而具有优势。可以进行动力弹塑性分析的软件较多，采用的构件有限元模型也不同。其中，建筑结构专业设计软件(如Midas/Gen、Etabs等)大多使用塑性铰模型，即采用宏观的构件承载力-变形曲线，模拟构件在地震下的受力、变形情况；而通用有限元软件(Absqus、Ls-dyna)等又大多使用纤维模型模拟杆件，即采用微观纤维离散截面，并采用材料的应力-应变曲线建立模型，这种有限元模型在理论上更接近实际构件。
近年来，随着计算机分析能力的进一步加强，动力弹塑性分析逐渐成为实际工程抗震专项审查的重要依据，并且基于通用有限元软件的纤维模型的应用也逐渐增多。在通用有限元软件中，Ls-dyna软件常用于研究结构动力学问题中涉及大变形、复杂材料模型和接触情况的物理现象，尤其适用于分析非线性程度较高的问题，因而在结构大震弹塑性分析中常有应用。但由于实际工程结构模型往往较复杂，截面形状(尤其钢结构)的种类较多，同时软件的前处理交互操作并不友好，耗费的人工与时间也较多，。
综上所述，现有技术的弹塑性分析前处理工程量大，效率较低，人工干预程度多，且容易出错，应用也受到限制。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而设计的一种结构动力弹塑性分析纤维模型的快速转换方法，采用Mgt、Apdl和K三种参数化文本模型的对接，实现结构专业设计软件模型与通用有限元软件模型间的转换，可将应用普遍的专业结构分析软件Midas/Gen的模型，快速转换为通用有限元软件Ls-dyna的纤维模型，以便进行结构大震动力弹塑性分析，有效保证了转换模型与原模型的准确性，尤其适合采用编程进行开发，进一步提升转换效率。
本发明的目的是这样实现的：一种结构动力弹塑性分析纤维模型的快速转换方法，其特点是采用三种参数化文本模型的对接，将结构专业设计软件模型转换为通用有限元软件模型，其具体转换包括下述步骤：
a、转换形成APDL参数化文本
使用结构专业设计软件Midas/Gen，导出结构模型的Midas Gen MGT文本文件.mgt。将MGT文本中的节点信息*NODE、单元信息*ELEMENT、材料信息*MATERIAL、截面信息*SECTION、厚度信息*THICKNESS、约束信息*CONSTRAINT、单元荷载*BEAMLOAD、节点荷载*CONLOAD，按Ansys/Ls-dyna显式有限元模型的定义逻辑，转换为APDL文本。其中，由于纤维截面无法在Ansys/Ls-dyna中定义，因此在APDL文本中统一按矩形进行截面初步定义。
b、程序自动生成K模型文本
运用Ansys软件读取APDL文本，完成显式有限元模型的单元定义、截面初步定义、材料定义、关键点定义，建立杆件、楼屋面单元，完成所有模型的网格划分，并将节点、杆件、面荷载，以《建筑抗震设计规范》GB50011中重力荷载代表值的组合方式，转换为节点质量源，布置在承受对应荷载的杆件上。完成模型定义后，运用程序输出K模型文本。其中，单元自由度释放无法在Ansys/Ls-dyna中完成定义，需要根据MGT文本中节点自由度释放情况*FRAME-RLS，找到Ansys生成模型中自由度释放的节点号及所在的单元号，该单元号等同于K模型中的单元号。
c、调整K模型文本
按下述步骤对生成的K模型中的杆件截面*SECTION_BEAM、壳截面*SECTION_SHELL、材料*MAT_option、部件*PART、单元*ELEMENT_BEAM进行调整：
1)线单元截面类型由矩形调整为任意截面，并对每个截面按MGT文本中的参数，设定纤维截面关键字*INTEGRATION_BEAM。
2)壳单元截面积分点数有默认值3调整为不小于7，并增加分层壳关键字*INTEGRATION_SHELL。
3)删除原有材料模型，对钢材采用03号二折线动力硬化模型，对混凝土材料采用124号可分别定义拉压应力-应变曲线的材料模型。其中，钢管混凝土构件中的核心混凝土应力-应变曲线与普通混凝土有明显区别，可基于目前较成熟的韩林海核心混凝土本构模型进行定义。
4)对钢-混凝土组合构件，采用钢材单元和混凝土单元共用节点叠合的方式，确保两者共同工作。在原有模型基础上，首先调整原有组合构件单元的材料为钢材，截面及纤维截面为组合构件中钢材对应截面。原位复制组合构件单元，增加混凝土材料定义、混凝土截面定义和纤维截面定义，并增加部件定义，使增加的材料、截面与增加的单元相关联。
5)根据在Ansys/Ls-dyna模型中找到的自由度释放节点及对应单元号，在K模型中找到对应的单元，并对该单元对应的节点增加自由度释放的设定。
d、检查K模型质量与周期
对调整好的K模型，增加*CONTROL_IMPLICIT_EIGENVALUE、*CONTROL_IMPLICIT_GENERAL关键字，进行模态分析。若转换模型与Midas/Gen模型的质量偏差绝对值≤1％、主要振型偏差绝对值≤5％，则表明转换模型与原模型振动特性相近，基于转换模型的动力弹塑性分析结果具有可靠性；若不满足要求，则检查质量源转换、材料模型定义、有限元类型选择是否合理，进行参数调整后再进行模态分析和质量周期对比。
e、增加地震动
删除模态分析添加的关键字，释放支座在地震动加载方向的位移约束，并增加地震动加载节点组定义、加载定义，采用Ls-dyna求解器进行动力弹塑性分析。
本发明与现有技术相比具有将应用普遍的专业结构分析软件Midas/Gen的模型，快速转换为通用有限元软件Ls-dyna的纤维模型，以便进行结构大震动力弹塑性分析，有效保证了转换模型与原模型的准确性，尤其适合采用编程进行开发，进一步提升转换效率。
附图说明
图1为本发明流程示意图；
图2为Midas/Gen结构模型的操作页面；
图3为Ls-dyna转换模型。
具体实施方式
实施例1
参阅附图1，本发明采用三种参数化文本模型的对接，将结构专业设计软件模型转换为通用有限元软件模型，其具体转换包括下述步骤：
a、转换形成APDL参数化文本
参阅附图2，使用结构专业设计软件Midas/Gen，导出结构模型的Midas Gen MGT文本文件.mgt。将MGT文本中的节点信息*NODE、材料信息*MATERIAL、截面信息*SECTION、厚度信息*THICKNESS、单元信息*ELEMENT、约束信息*CONSTRAINT、单元荷载*BEAMLOAD、节点荷载*CONLOAD，按Ansys/Ls-dyna显式有限元模型的定义逻辑，转换为APDL文本。其中，由于纤维截面无法在Ansys/Ls-dyna中定义，因此在APDL文本中统一按矩形进行截面初步定义，APDL参数化文本的转换如下所示：
Figure BDA0003034400560000041
Figure BDA0003034400560000051
其中：MGT文本中，“；”后为注释内容；APDL文本中，“！”后为注释内容。
b、程序自动生成K模型文本
运用Ansys软件读取APDL文本，完成显式有限元模型的单元定义、截面初步定义、材料定义、关键点定义，建立杆件、楼屋面单元，完成所有模型的网格划分，并将节点、杆件、面荷载，以《建筑抗震设计规范》GB50011中重力荷载代表值的组合方式，转换为节点质量源，布置在承受对应荷载的杆件上。完成模型定义后，运用程序输出K模型文本。其中，单元自由度释放无法在Ansys/Ls-dyna中完成定义，需要根据MGT文本中节点自由度释放情况*FRAME-RLS，找到Ansys生成模型中的自由度释放节点及所在的有限单元号，该单元号等同于K模型中的单元号，自由度释放信息的转换如下所示：
Figure BDA0003034400560000061
c、调整K模型文本
对生成的K模型中的杆件截面*SECTION_BEAM、壳截面*SECTION_SHELL、材料*MAT_option、部件*PART、单元*ELEMENT_BEAM进行调整，K模型文本的转换如下所示：
Figure BDA0003034400560000062
Figure BDA0003034400560000071
Figure BDA0003034400560000081
参阅附图3，完成调整后的模型如附图3所示。
d、检查K模型质量与周期
对调整好的K模型，增加*CONTROL_IMPLICIT_EIGENVALUE、*CONTROL_IMPLICIT_GENERAL关键字，进行模态分析。转换模型与Midas/Gen模型的质量偏差为0.3％<1％、主要振型偏差最大值为1.2％<5％。两模型周期、质量相近，表明转换模型与对比模型的振动特性相近，动力弹塑性分析的结果具有一定可靠性。
e、增加地震动
删除模态分析添加的关键字，释放支座在地震动加载方向的位移约束，并增加地震动加载定义、曲线定义，模型调整如下所示：
Figure BDA0003034400560000082
Figure BDA0003034400560000091
上述模型完成调整后，即可采用Ls-dyna求解器进行动力弹塑性分析。
以上实施例只是对本发明做进一步说明，并非用以限制本发明专利，凡为本发明等效实施，均应包含于本发明专利的权利要求范围之内。

Claims (3)

1.一种结构动力弹塑性分析纤维模型的快速转换方法，其特征在于采用三种参数化文本模型的对接，将结构专业设计软件模型转换为通用有限元软件模型，其具体转换包括下述步骤：
a、转换形成APDL参数化文本
使用结构专业设计软件Midas/Gen，导出结构模型的Midas Gen MGT文本文件.mgt，将MGT文本中的节点信息*NODE、单元信息*ELEMENT、材料信息*MATERIAL、截面信息*SECTION、厚度信息*THICKNESS、约束信息*CONSTRAINT、单元荷载*BEAMLOAD、节点荷载*CONLOAD，按Ansys/Ls-dyna显式有限元模型的定义逻辑，转换为APDL文本；
b、程序自动生成K模型文本
运用Ansys软件读取APDL文本，完成显式有限元模型的单元定义、截面初步定义、材料定义、关键点定义，建立杆件、楼屋面单元，完成所有模型的网格划分，将节点、杆件、面荷载转换为节点质量源，并布置在承受对应荷载的杆件上，完成模型定义后，运用程序输出K模型文本；
c、调整K模型文本
按下述步骤对生成的K模型中的杆件截面*SECTION_BEAM、壳截面*SECTION_SHELL、材料*MAT_option、部件*PART、单元*ELEMENT_BEAM进行调整：
1）线单元截面类型由矩形调整为任意截面，并对每个截面按MGT文本中的参数，设定纤维截面关键字*INTEGRATION_BEAM；
2）壳单元截面积分点数有默认值3调整为不小于7，并增加分层壳关键字*INTEGRATION_SHELL；
3）删除原有材料模型，对钢材采用03号二折线动力硬化模型；对混凝土材料采用124号可分别定义拉压应力-应变曲线的材料模型；对钢管混凝土构件采用韩林海核心混凝土本构模型进行定义；对钢-混凝土组合构件，采用钢材单元和混凝土单元共用节点叠合的方式，确保两者共同工作；
4）在原有模型基础上，首先调整原有组合构件单元的材料为钢材，截面及纤维截面为组合构件中钢材对应截面，原位复制组合构件单元，增加混凝土材料定义、混凝土截面定义和纤维截面定义，并增加部件定义，使增加的材料、截面与增加的单元相关联；
5）根据在Ansys/Ls-dyna模型中找到的自由度释放节点及对应单元号，在K模型中找到对应的单元，并对该单元对应的节点增加自由度释放的设定；
d、检查K模型质量与周期
对调整好的K模型，增加*CONTROL_IMPLICIT_EIGENVALUE、*CONTROL_IMPLICIT_GENERAL关键字进行模态分析，若转换模型与Midas/Gen模型的质量偏差绝对值≤1%、主要振型偏差绝对值≤5%，则表明转换模型与原模型振动特性相近；若不满足要求，则检查质量源转换、材料模型定义、有限元类型选择是否合理，进行参数调整后再进行模态分析和质量周期对比；
e、增加地震动
删除模态分析添加的关键字，释放支座在地震动加载方向的位移约束，并增加地震动加载节点组定义、加载定义，采用Ls-dyna求解器进行动力弹塑性分析。
2.根据权利要求1所述结构动力弹塑性分析纤维模型的快速转换方法，其特征在于所述步骤a的APDL文本中统一按矩形进行截面初步定义。
3.根据权利要求1所述结构动力弹塑性分析纤维模型的快速转换方法，其特征在于所述步骤b的模型定义中需根据MGT文本中节点自由度释放情况*FRAME-RLS，找到Ansys生成模型中自由度释放的节点号及所在的单元号，该单元号等同于K模型中的单元号。
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