CN114510764B - 一种适用于旋转提升施工的仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于旋转提升施工的数值仿真方法，基于APDL（ANSYS Parametric Design Language）工具对ANSYS进行二次开发，首先通过反分析法确定结构的拼装姿态，有效避免了脱胎阶段的刚体位移；然后通过迭代算法对旋转施工进行全过程分析，准确获得旋转提升过程任意时刻的索力和结构位形用于指导现场施工。本发明的使用可以提高对旋转提升施工分析的准确性和精细化程度，充分保证结构施工阶段的安全性和服役阶段的整体力学性能。

Description

一种适用于旋转提升施工的仿真方法

技术领域

本发明涉及施工仿真领域，更具体涉及一种适用于旋转提升施工的仿真方法。

背景技术

随着我国经济和建造技术水平的飞速发展，人们对建筑审美要求不断提高，一大批造型别致、受力复杂的空间结构逐渐涌现出来。大量钢屋盖采用了异形曲面空间钢结构，其造型新颖美观，极具艺术感，但无疑加大了钢结构安装的难度。提升施工方法适用于跨度大、高度高、下部结构不利于大型吊装机械作业的项目，且结构在楼面或地面拼装，安装精度较高，被广泛应用于此类结构的施工。同时为减少胎架用量，简化胎架设计，往往将结构由设计姿态旋转一定角度后进行拼装。拼装完成在空中旋转至设计姿态后整体提升至设计标高，即旋转提升施工。

但进行旋转提升施工分析时，通常选取多个不同角度的施工过程态模型进行静力计算，获取的结果无法考虑施工过程变形和内力的累计，是一种粗略的计算方法。同时，拼装姿态通过建模软件放样得到，在结构脱胎阶段，由于力的重新分配结构会发生刚体位移，存在与临时措施和已安装结构碰撞的风险。为实现旋转提升施工的精确分析，保证施工安全，提高施工质量。亟需一种精细化的数值仿真方法，进行旋转提升的全工程分析，给出任意阶段的分析数据，指导现场精确控制屋盖钢结构旋转提升过程的力与形。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种适用于旋转提升施工的仿真方法，通过APDL（ANSYS Parametric Design Language）工具对ANSYS进行二次开发，首先通过反分析法确定结构的拼装姿态，有效避免了脱胎阶段的刚体位移；然后开发旋转提升施工分析程序，通过迭代算法对旋转施工进行全过程分析，准确获得旋转提升过程任意时刻的索力和结构位形用于指导现场施工。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种适用于旋转提升施工的仿真方法，包括基于APDL进行二次开发，通过反分析法确定结构拼装姿态，有效避免了脱胎阶段的刚体位移；并开发了旋转提升分析程序用于旋转施工的全过程分析，自动完成迭代分析过程，输出施工过程结构变形、杆件内力和提升索力等结果数据及相应云图。

所述反分析法包括如下步骤：

（1）旋转角度的确定，形状较为规则的结构可直接通过建模软件放样得到旋转角度，进而得到结构的拼装姿态；对于异形结构，需提取结构下弦节点，通过数值分析软件确定结构旋转角度以保证拼装胎架用量最省；

（2）初始模型建立，反分析法以结构设计姿态作为初始模型进行分析；模型包括被提升结构、提升拉索和提升架，此时提升拉索均为铅锤状态，结构杆件和提升架均采用梁单元Beam188模拟，拉索采用杆单元Link10，提升架底部采用铰接边界条件；

（3）温度值的确定，旋转角度确定后可分别得到提升下吊点在设计姿态下的坐标（X0i，Y0i，Z0i）和拼装态下的坐标（X1i，Y1i，Z1i），进而可以求出两种状态下各拉索长度分别为L0i和L1i，对初始模型中的拉索施加温度作用，使得初始模型中拉索在温度作用下的伸长量为ΔLi=L1i-L0i，温度值根据线膨胀系数计算ΔT0=ΔLi/（α·L0i）；

（4）迭代分析，通过APDL进行迭代分析，对拉索施加温度值实现结构由设计姿态旋转至拼装姿态的过程，分析考虑几何非线性，模型中结构杆件弹性模量放大100倍，避免结构自身变形影响分析精度，以下吊点竖向位移Uzi与设计态至拼装态竖向坐标的差值ΔZi=Uzi+Z0i-Z1i小于收敛误差为收敛条件，不满足收敛条件时通过式ΔTi=ΔT0+ΔZi/（α·L0i）进行迭代；

（5）输出拼装姿态模型，分析收敛后更新此时的节点坐标，并输出更新后的几何模型，此模型即为结构的拼装姿态；

所述旋转提升全过程分析包括如下步骤：

（1）初始模型建立，以反分析法确定的拼装姿态作为结构的初始态进行分析，初始模型包括结构初始态模型、拼装胎架、提升拉索和提升架，结构杆件和提升架均采用梁单元Beam188模拟，拉索和胎架采用杆单元Link10，提升架底部采用铰接边界条件，胎架采用固接边界条件；

（2）子步骤数量及收敛条件确定，旋转提升同样通过对拉索施加温度值实现，根据旋转角度θ的大小和结构体系复杂程度，将旋转提升过程划分为K个子步骤，每个子步骤下吊点的竖向目标位移值则为Uz/K，每步旋转后节点竖向实际位移为Uzj，1~K个子步骤计算分析施加的温度值为降温值ΔTj=Uz/（α·K·Lj-1），分析的收敛条件为ΔZj=Uzj-j·Uz/K小于收敛误差，不满足收敛条件时通过式ΔTj=ΔT0+ΔZj/（α·Lj-1）进行迭代；

（3）分析参数填写，在excel表格中填入截面信息、材料信息和理论位移值等必要的分析参数，后续程序将直接调用这些数据；

（4）运行分析，打开旋转提升分析程序，导入模型文件，填写相关参数，点击运行分析，程序调用excel表格中的数据自动完成有限元分析模型的建立、迭代分析和后处理，输出拉索索力、结构位移和杆件应力等数据。

旋转提升施工分析程序可实现读取midas等设计软件的数据文件和excel表格中的分析参数，直接生成ANSYS可识别的模型文件、分析文件及后处理文件。在ANSYS导入上述文件，即可自动进行结构建模、边界施加、迭代计算和结果输出，实现旋转提升施工的全过程仿真。

综上所述，本发明具有如下有益效果：分析确定拼装姿态，避免结构脱胎时的刚体位移，规避结构碰撞风险；提高旋转施工分析的分析效率和精度，精确指导现场施工。

附图说明

图1为本发明实施例旋转提升施工分析程序流程图；

图2为本发明实施例旋转提升施工分析程序界面；

图3为本发明实施例excel表格中截面信息填写页面；

图4为本发明实施例述excel表格中材料信息填写页面；

图5为本发明实施例excel表格中吊点理论位移填写页。

具体实施方式

参照图1至图5对本发明一种适用于旋转提升施工的仿真方法的具体实施方式作进一步的说明。

旋转提升施工分析程序界面如图2所示，在启动界面里可以进行如下操作：

（1）导入用于数据分析的.mgt文件。程序可根据模型文件和excel表格中的数据自动生成ANSYS模型文件、分析文件和后处理文件。

（2）输入子步骤数量。反分析法确定拼装姿态时，子步骤数量为1；进行旋转提升施工分析时，子步骤数量可根据旋转角度和结构复杂程度确定。这里的子步骤数量是用于输出计算结果，数量越多，输出的结果连续性越强。

（3）输入位移误差控制值。位移误差是程序分析的收敛条件，即求解得到的节点坐标与理论坐标的差值满足控制值时认为满足计算要求，停止迭代。

（4）输入循环迭代次数。为节约计算资源，设置迭代次数上限，当计算次数达到限值但仍未满足收敛条件的，停止迭代。此时需要检查模型参数是否有误，若确认无误可适当增加次数限值。

旋转提升施工分析程序可完成拼装姿态分析和旋转提升分析，以下是两种分析功能的介绍：

1、拼装姿态分析包括如下内容：

（1）处理模型数据文件：对Midas模型进行处理，将截面和材料信息均修改为自定义，单位选择N,mm。导出.mgt文件。

（2）温度值的确定：根据放样或数值分析得到旋转角度后，根据提升下吊点在设计姿态下的坐标（X0i，Y0i，Z0i）和拼装态下的坐标（X1i，Y1i，Z1i），求出两种状态下各拉索长度分别为L0i和L1i。对初始模型中的拉索施加温度作用，使得初始模型中拉索在温度作用下的伸长量为ΔLi=L1i-L0i，温度值根据线膨胀系数计算ΔT0=ΔLi/（α·L1i）。

（3）分析参数填写：在excel中填写截面信息、材料信息、分析参数和迭代计算温度值。后续程序自动调用表格中的数据。

（4）参数填写：在‘循环迭代次数’中填写迭代次数，可取50；在‘位移误差控制’中填写收敛误差，可取5mm。子步骤数量此处设置为1。

（5）运行分析：单击‘选择源文件’，程序导入.mgt数据文件后，单击‘运行’程序解析.mgt数据文件，调用excel表格中的分析参数开始分析。

（6）分析结果数据：单击‘打开目录并退出’退出程序，程序将打开结果文件所在的文件夹；也可单击‘直接退出’退出程序，结果文件默认保存在程序所在文件夹。分析收敛后程序自动将更新后的节点坐标输出到‘Nxyz_PZT.inp’，按文件节点坐标修改模型，开展后续拼装胎架设计及深化等工作。

2、旋转提升施工分析包括如下内容：

（1）处理模型数据文件：对于较为规则的结构，通过模型放样得到拼装姿态，则将拼装态的Midas模型进行处理。将截面和材料信息均修改为自定义，单位选择N,mm，导出.mgt文件。对于需要通过反分析法确定拼装姿态的结构，则直接以程序分析得到的模型作为旋转提升分析的初始模型即可。

（2）子步骤数量及收敛条件确定：旋转提升同样通过对拉索施加温度值实现，根据旋转角度θ的大小和结构体系复杂程度，将旋转提升过程划分为K个子步骤。每个子步骤下吊点的竖向目标位移值则为ΔZi/K，1~K个子步骤计算分析施加的温度值为降温值ΔTj=ΔZi/（α·K·Lj-1）。分析的收敛条件为ΔZj=Zj-(Z1i+j·ΔZi/K)小于收敛误差。

（3）分析参数填写：在excel中填写截面信息、材料信息、分析参数和迭代计算温度值。后续程序自动调用表格中的数据。

（4）参数填写：在‘循环迭代次数’中填写迭代次数，可取50；在‘位移误差控制’中填写收敛误差，可取5mm；‘子步骤数量’根据旋转角度和结构复杂程度选择。

（5）运行分析：单击‘选择源文件’，程序导入.mgt数据文件后，单击‘运行’程序解析.mgt数据文件，调用excel表格中的分析参数开始分析。

（6）分析结果数据：单击‘打开目录并退出’退出程序，程序将打开结果文件所在的文件夹；也可单击‘直接退出’退出程序，结果文件默认保存在程序所在文件夹。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种适用于旋转提升施工的仿真方法，其特征在于：包括基于APDL进行二次开发，通过反分析法确定结构拼装姿态，有效避免了脱胎阶段的刚体位移；并开发了旋转提升分析程序用于旋转施工的全过程分析，自动完成迭代分析过程，输出施工过程结构变形、杆件内力和提升索力等结果数据及相应云图；

所述反分析法包括如下步骤：

（1）旋转角度的确定，形状较为规则的结构可直接通过建模软件放样得到旋转角度，进而得到结构的拼装姿态；对于异形结构，需提取结构下弦节点，通过数值分析软件确定结构旋转角度以保证拼装胎架用量最省；

（2）初始模型建立，反分析法以结构设计姿态作为初始模型进行分析；模型包括被提升结构、提升拉索和提升架，此时提升拉索均为铅锤状态，结构杆件和提升架均采用梁单元Beam188模拟，拉索采用杆单元Link10，提升架底部采用铰接边界条件；

（3）温度值的确定，旋转角度确定后可分别得到提升下吊点在设计姿态下的坐标（X0i，Y0i，Z0i）和拼装态下的坐标（X1i，Y1i，Z1i），进而可以求出两种状态下各拉索长度分别为L0i和L1i，对初始模型中的拉索施加温度作用，使得初始模型中拉索在温度作用下的伸长量为ΔLi=L1i-L0i，温度值根据线膨胀系数计算ΔT0=ΔLi/（α·L0i）；

（4）迭代分析，通过APDL进行迭代分析，对拉索施加温度值实现结构由设计姿态旋转至拼装姿态的过程，分析考虑几何非线性，模型中结构杆件弹性模量放大100倍，避免结构自身变形影响分析精度，以下吊点竖向位移Uzi与设计态至拼装态竖向坐标的差值ΔZi=Uzi+Z0i-Z1i小于收敛误差为收敛条件，不满足收敛条件时通过式ΔTi=ΔT0+ΔZi/（α·L0i）进行迭代；

（5）输出拼装姿态模型，分析收敛后更新此时的节点坐标，并输出更新后的几何模型，此模型即为结构的拼装姿态；

所述旋转提升全过程分析包括如下步骤，

（1）初始模型建立，以反分析法确定的拼装姿态作为结构的初始态进行分析，初始模型包括结构初始态模型、拼装胎架、提升拉索和提升架，结构杆件和提升架均采用梁单元Beam188模拟，拉索和胎架采用杆单元Link10，提升架底部采用铰接边界条件，胎架采用固接边界条件；

（2）子步骤数量及收敛条件确定，旋转提升同样通过对拉索施加温度值实现，根据旋转角度θ的大小和结构体系复杂程度，将旋转提升过程划分为K个子步骤，每个子步骤下吊点的竖向目标位移值则为Uz/K，每步旋转后节点竖向实际位移为Uzj，1~K个子步骤计算分析施加的温度值为降温值ΔTj=Uz/（α·K·Lj-1），分析的收敛条件为ΔZj=Uzj-j·Uz/K小于收敛误差，不满足收敛条件时通过式ΔTj=ΔT0+ΔZj/（α·Lj-1）进行迭代；

（3）分析参数填写，在excel表格中填入截面信息、材料信息和理论位移值等必要的分析参数，后续程序将直接调用这些数据；

（4）运行分析，打开旋转提升分析程序，导入模型文件，填写相关参数，点击运行分析，程序调用excel表格中的数据自动完成有限元分析模型的建立、迭代分析和后处理，输出拉索索力、结构位移和杆件应力等数据。