CN117272742A - 面向钢结构柱脚的验算与设计系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种面向钢结构柱脚的验算与设计系统和方法，方法包括：建立通过修改变量参数实现钢结构柱脚节点三维有限元计算模型快速建模的Python程序脚本文件；运用ABAQUS建立柱脚节点可视化建模窗口，导入Python程序脚本文件以及柱脚节点标识图形，并将Python程序脚本文件中的模型与柱脚节点标识图形匹配，形成柱脚节点可视化建模插件；采用ABAQUS运行柱脚节点可视化建模插件，将变量参数设置为目标参数生成对应的柱脚节点三维有限元计算模型，提交计算，获得目标参数对应的柱脚节点的性能。实现钢结构柱脚验算的参数化建模和一键式设计，提高深化设计精度，保障交底质量。
Description
技术领域
本发明涉及钢结构柱脚节点验算技术领域，具体涉及一种面向钢结构柱脚的验算与设计系统和方法。
背景技术
钢结构柱脚节点的主要功能是把柱固定于基础，并把柱的内力传给基础，是保证多层钢结构安全可靠的重要部位，对结构的受力性能有着重要的影响。节点设计的合理性不仅会影响结构承载力的可靠性和安全性，而且会影响构件的加工制作与工地安装的质量，并直接影响结构的造价。因此，节点设计是整个设计工作中的一个重要环节，必须予以足够的重视，设计人员必须充分重视钢结构柱脚节点的设计和验算。
但是，钢结构柱脚节点验算是一个复杂的过程，需要综合考虑多种因素。首先，钢结构柱脚节点的构造必须满足一定的要求，例如底板和加劲板的尺寸、混凝土的抗压能力、锚栓的拉剪能力、底板厚度和加劲肋尺寸等都需要进行验算。此外，钢结构柱脚节点还需要满足国家现行有关标准的规定，例如钢材的牌号、技术条件和性能指标等都必须符合标准。总之，柱脚结构复杂，构件繁多，受力繁杂，需要综合考虑多种因素才能确保结构安全可靠，对验算工作造成极大的困难。
目前主流计算工具往往采用基于规范的简化方法，不能考虑材料损伤演化和几何非线性效应，也无法反映结构全过程受力状态和极限承载力。会降低计算精度，对工程师的专业功底要求较高。
同时，主流验算工具输出的计算结果有限，不可考虑基于我国规范的非线性材料本构关系和几何非线性效应，无法输出柱脚节点各个构件的应力云图、位移云图以及基础受力状态等结果，技术交底的质量和深度有限。
因此，有必要实现钢结构柱脚验算的参数化建模和一键式设计，提高深化设计精度，保障交底质量。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种面向钢结构柱脚的验算与设计系统和方法，提高钢结构柱脚验算的精度和效率，降低人工成本。
为了解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种面向钢结构柱脚的验算与设计系统，所述系统包括：
脚本文件建立模块，用于建立通过修改变量参数实现钢结构柱脚节点三维有限元计算模型快速建模的Python程序脚本文件；
柱脚节点可视化建模插件建立模块，用于运用ABAQUS中的RSG模块建立柱脚节点可视化建模窗口，导入所述Python程序脚本文件以及柱脚节点标识图形，并将所述Python程序脚本文件中的模型与柱脚节点标识图形匹配，形成柱脚节点可视化建模插件，其中，所述柱脚节点标识图形由二维或三维绘图得到；
三维有限元模型生成模块，用于采用ABAQUS运行所述柱脚节点可视化建模插件，将变量参数设置为目标参数生成对应的柱脚节点三维有限元计算模型，提交计算，获得所述目标参数对应的柱脚节点的性能。
一种面向钢结构柱脚的验算与设计方法，所述方法包括以下步骤：
S1：建立通过修改变量参数实现钢结构柱脚节点三维有限元计算模型快速建模的Python程序脚本文件；
S2：运用ABAQUS中的RSG模块建立柱脚节点可视化建模窗口，导入所述Python程序脚本文件以及柱脚节点标识图形，并将所述Python程序脚本文件中的模型与柱脚节点标识图形匹配，形成柱脚节点可视化建模插件，其中，所述柱脚节点标识图形由二维或三维绘图得到；
S3：采用ABAQUS运行所述柱脚节点可视化建模插件，将变量参数设置为目标参数生成对应的柱脚节点三维有限元计算模型，提交计算，获得所述目标参数对应的柱脚节点的性能。
在一些可能的实施例中，步骤S1包括：
S11：编写用于导入ABAQUS模块中的所有建模对象以及用于导入符合参数模块的脚本代码；
S12：编写用于建立柱脚节点三维有限元计算模型的脚本代码，包括：各部件几何参数为变量的创建部件脚本、定义材料属性脚本、装配关系脚本、计算分析步脚本、网格划分脚本、接触关系脚本以及用于定义边界约束条件和外部荷载条件脚本；
S13：修改柱脚节点三维有限元计算模型的Python脚本代码，定义不同几何参数、边界条件、外部荷载，替换脚本代码中的参数变量，进而建立不同尺寸不同荷载的柱脚节点模型。
在一些可能的实施例中，步骤S2包括：
S21：运用ABAQUS中的RSG对话框构造器创建柱脚节点模型可视化界面窗口；
S22：使用RSG对话框构造器空间栏创建功能树，在功能树中导入柱脚节点的几何参数、边界条件以及网格划分标识图形，并对功能树中各项控件进行编辑达到目标需求，并对各参数定义关键字；
S23：对所述Python程序脚本文件定义RSG中相对应的输入变量，并将所述关键字赋予Python程序脚本文件中的输入变量，形成柱脚节点核心功能文件；
S24：在RSG构造器Kernel窗口中导入所述核心功能文件，并保存构造器设置，形成GUI注册文件及图形界面文件，进而形成柱脚节点可视化建模插件，即GUI可视化界面窗口。
在一些可能的实施例中，步骤S3包括：
S31：创建abaqus_plugins文件夹，将所述柱脚节点核心功能文件、GUI注册文件、图形界面文件及界面标识图形放入其中；
S32：将Abaqus Command快捷命令复制至abaqus_plugins文件夹相同母文件夹，打开快捷命令，在Abaqus plugins中打开柱脚节点可视化建模插件，在可视化窗口中修改几何参数、边界条件、荷载、计算步长或网格种子密度参数中的一种或多种，实现柱脚节点快速建模。
一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任一项的所述面向钢结构柱脚的验算与设计方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.参数化建模，工程师可根据设计需求，自行定义柱脚节点参数；
2.系统可根据用户输入参数，实现一键式建模生成；
3.采用的计算简化条件更加合理清晰；
4.考虑了材料非线性与几何非线性，基于我国规范要求自动生成混凝土塑性损伤模型，能够用于计算结构损伤演化与非线性极限承载力；
5.计算原理基于有限单元法，可以真实反映物理规律，而非现行的偏保守简化方法；
6.建模、计算、出图全套流程打通，可自动化执行，方便快捷；
7.模型可视化，便于技术交底和深化设计；
8.结果表现形式丰富，可以实现自动化出图，方便深化设计。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例的一种面向钢结构柱脚的验算与设计系统的原理图。
图2为本发明实施例的一种面向钢结构柱脚的验算与设计系统的逻辑架构图。
图3为本发明实施例的一种面向钢结构柱脚的验算与设计方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明第一方面提供了一种面向钢结构柱脚的验算与设计系统，所述系统包括：
脚本文件建立模块，用于建立通过修改变量参数实现钢结构柱脚节点三维有限元计算模型快速建模的Python程序脚本文件；
柱脚节点可视化建模插件建立模块，用于运用ABAQUS中的RSG模块建立柱脚节点可视化建模窗口，导入所述Python程序脚本文件以及柱脚节点标识图形，并将所述Python程序脚本文件中的模型与柱脚节点标识图形匹配，形成柱脚节点可视化建模插件，其中，所述柱脚节点标识图形由二维或三维绘图得到；
三维有限元模型生成模块，用于采用ABAQUS运行所述柱脚节点可视化建模插件，将变量参数设置为目标参数生成对应的柱脚节点三维有限元计算模型，提交计算，获得所述目标参数对应的柱脚节点的性能。
本系统基于通用有限元计算软件，采用python语言进行编写，可以实现利用用户输入参数进行建模并进行有限元计算的过程。有限元计算是一种数值分析方法，它通过将一个复杂的几何体划分为若干简单的单元，然后在每个单元内使用简单的插值函数来描述变形和应力，从而求解整个结构的变形和应力。有限元计算具有很多优点，例如它能够处理复杂的几何形状和边界条件，能够提供精确的近似解，并且能够充分利用计算机的高速运算和大量存储功能，本系统实现功能的基本原理如图1所示。
本系统功能的整体实现逻辑如图2所示，当用户输入结构参数后，本工具可根据获取参数进行参数化建模，并提交有限元软件进行流程化计算，最终可实现计算结果的自动化输出。
本发明第二方面提供了一种面向钢结构柱脚的验算与设计方法，如图3所示，包括如下步骤S1～S3。
S1：建立通过修改变量参数实现钢结构柱脚节点三维有限元计算模型快速建模的Python程序脚本文件。
步骤S1具体包括：
S11：编写用于导入ABAQUS模块中的所有建模对象以及用于导入符合参数模块的脚本代码；可以通过访问ABAQUS中的模型数据库实现建模对象的建立。
S12：编写用于建立柱脚节点三维有限元计算模型的脚本代码，主要包括：各部件几何参数为变量的创建部件脚本、定义材料属性脚本、装配关系脚本、计算分析步脚本、网格划分脚本、接触关系脚本以及用于定义边界约束条件和外部荷载条件脚本。
具体的：
创建部件脚本包括：每个柱脚节点共由五个部分构成，分别是柱、加劲肋、螺杆、底板以及基础。各部件的参数均由系统页面获取，采用极坐标和直角坐标将参数转化为对应的尺寸，最终实现各部件的建立。
定义材料属性脚本包括：柱、加劲肋、螺杆和底板均为钢材，钢材型号由用户定义，基础为混凝土材料，型号由用户定义。获取材料型号后，对于钢材，工具将其定义为弹塑性，达到用户定义强度后即进入塑性状态；对于混凝土材料，工具将其类型定义为concretedamaged plasticity，工具可根据用户输入的弹性模量、抗压强度和抗拉强度自动计算出符合国标计算流程的各项必要参数并录入到有限元软件中，从而完成混凝土材料的定义。完成各材料的定义后，工具可自动将其赋予至对应部件。
装配关系脚本包括：完成部件创建和材料赋予后，可进行模型的组装，此过程中利用平移、旋转与阵列功能实现，为方便展示。
计算分析步脚本包括：创建静力分析步以对模型进行静力计算，同时，工具还定义了该分析步中需要提取的计算数据，包括应力应变、压力损伤、拉力损伤以及结构变形等。
接触关系脚本包括定义部件之间联系和定义荷载及边界条件。
定义部件之间联系：实际工程中，柱脚节点中主要应用了两种连接方式，分别为焊接和螺栓连接。其中螺栓连接主要应用在底板与基础之间，其余和部件的连接均采用焊接。对于焊接，工具直接采用tie约束进行模拟；对于螺栓连接，工具分别在螺杆侧面与螺栓孔之间、螺杆底面与基础之间采用了tie连接，以最大化还原实际工程的情况，而计算结果显示，在螺栓孔附近产生了应力集中，与实际工程中观测到的类似，说明该模拟螺栓连接的方式具有合理性和准确性。
定义荷载及边界条件：柱脚荷载共分为五种，分别为轴向(y轴)压力、x轴剪力、z轴剪力、绕x轴弯矩和绕z轴弯矩，这五种荷载均作用在代表柱上截面的参考点上，参考点在各方向上的位移均为上截面的平均值。
网格划分脚本包括：对于非常规部件，如三棱柱加劲肋，因其具有锐角，因此划分网格时采用六面体为主导的划分方法，而不是全六面体的划分方法。对于常规构件，均采用全六面体的划分方法。
S13：修改柱脚节点三维有限元计算模型的Python脚本代码，定义不同几何参数、边界条件、外部荷载，替换脚本代码中的参数变量，进而建立不同尺寸不同荷载的柱脚节点模型。
S2：运用ABAQUS中的RSG模块建立柱脚节点可视化建模窗口，导入该Python程序脚本文件以及柱脚节点标识图形，并将该Python程序脚本文件中的模型与柱脚节点标识图形匹配，形成柱脚节点可视化建模插件，其中，该柱脚节点标识图形由二维或三维绘图得到。
步骤S2具体包括：
S21：运用ABAQUS中的RSG对话框构造器创建柱脚节点模型可视化界面窗口；
S22：使用RSG对话框构造器空间栏创建功能树，在功能树中导入柱脚节点的几何参数、边界条件以及网格划分标识图形，并对功能树中各项控件进行编辑达到目标需求，并对各参数定义关键字；
S23：对该Python程序脚本文件定义RSG中相对应的输入变量，并将该关键字赋予Python程序脚本文件中的输入变量，形成柱脚节点核心功能文件；
S24：在RSG构造器Kernel窗口中导入该核心功能文件，并保存构造器设置，形成GUI注册文件及图形界面文件，进而形成柱脚节点可视化建模插件，即GUI可视化界面窗口。
S3：采用ABAQUS运行该柱脚节点可视化建模插件，将变量参数设置为目标参数生成对应的柱脚节点三维有限元计算模型，提交计算，获得该目标参数对应的柱脚节点的性能。
步骤S3具体包括：
S31：创建abaqus_plugins文件夹，将所述柱脚节点核心功能文件、GUI注册文件、图形界面文件及界面标识图形放入其中；
S32：将Abaqus Command快捷命令复制至abaqus_plugins文件夹相同母文件夹，打开快捷命令，在Abaqus plugins中打开柱脚节点可视化建模插件，在可视化窗口中修改几何参数、边界条件、荷载、计算步长或网格种子密度参数中的一种或多种，实现柱脚节点快速建模。
插件“abaqus_plugins”文件夹可放置于当前工作目录文件，即仅限于当前目录文件中的Abaqus Command快捷命令使用；也可放置于ABAQUS安装目录下的Plugins文件夹，此时管节点可视化快速建模插件即可用于任意目录下的Abaqus Command命令。
正确建立并导入插件后，打开Abaqus Command命令，点击Abaqus/CAE主视图“Plug-ins”菜单下的插件名称，在出现的T形椭圆(圆)管节点可视化界面窗口中设置几何参数、边界条件及网格密度，完成T形混合管节点实现可视化快速建模。生成后检查模型数据及设置的完整性及正确性。
完成以上步骤后，系统将自动创建作业文件，并提交计算。硬件调用方面，为适配低配置电脑，系统初始调用2个线程进行计算，如用户需要提高计算速度，可根据自身电脑的线程数量进行调整。
待计算完成后，系统将自动展示计算结果，初始画面为结构应力云图，如用户有其他需求，可对结果展示页面进行自定义操作，以展示用户需要的计算结果。计算结果展示包括柱脚节点应力云图、底板螺栓应力云图和柱脚节点变形云图。可以验证整个计算过程的准确性。
此外，本发明实施例还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述面向钢结构柱脚的验算与设计方法的各实施例的步骤。
本系统功能实现代码共有六个文件，可划分为三类，名称DB.py(boxDB.py,circled.py)文件可创建GUI参数输入页面，方便用户自定义参数并进行计算；名称_plugin.py(box_plugin.py,circle_plugin.py)文件可在有限元软件中注册系统名称、目录位置等，并调用对应函数；名称.py文件(box.py,circle.py)主要进行模型的创建、组装和各边界条件的定义，并完成用户自定义荷载下的静力验算。本系统主要针对钢结构柱脚验算，选取了其中最具代表性的箱型截面柱与圆形截面柱。
与现有技术相比，本发明具有以下优势：
1)定义柱的外轮廓尺寸、钢材厚度以及钢材型号，并根据获取的钢材型号在有限元软件中进行材料定义，由于本系统在计算过程中未将钢材限制在弹性范围，因此材料包含弹塑性属性；
2)定义底板的外轮廓尺寸、底板厚度及钢材型号，并根据获取的钢材型号在有限元软件中进行材料定义，由于本系统在计算过程中未将钢材限制在弹性范围，因此材料包含弹塑性属性；
3)定义螺栓的半径和在底板上所处的位置；
4)定义三棱柱加劲肋的高度和厚度；
5)定义混凝土基础的外轮廓尺寸和力学参数，包括抗拉强度、抗压强度和弹性模量，可根据混凝土结构设计规范生成塑性损伤模型，自动计算非弹性应变-损伤因子曲线和真实应力-应变曲线；
6)柱脚节点真实受力工况，输入各方向荷载的大小并将其加载到对应受力点上，考虑到柱脚节点在日常工作中受力复杂，因此本系统考虑到所有可能的力及力矩，方便用户可以进行任意的加载。
为充分反映柱脚节点在日常工作中的各项状态，整个计算过程充分考虑结构的非线性，其中包括材料非线性与几何非线性，使计算结果符合客观物理规律，对实际工程的设计和施工具有十分科学的指导意义。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (6)
1.一种面向钢结构柱脚的验算与设计系统，其特征在于，所述系统包括：
脚本文件建立模块，用于建立通过修改变量参数实现钢结构柱脚节点三维有限元计算模型快速建模的Python程序脚本文件；
柱脚节点可视化建模插件建立模块，用于运用ABAQUS中的RSG模块建立柱脚节点可视化建模窗口，导入所述Python程序脚本文件以及柱脚节点标识图形，并将所述Python程序脚本文件中的模型与柱脚节点标识图形匹配，形成柱脚节点可视化建模插件，其中，所述柱脚节点标识图形由二维或三维绘图得到；
三维有限元模型生成模块，用于采用ABAQUS运行所述柱脚节点可视化建模插件，将变量参数设置为目标参数生成对应的柱脚节点三维有限元计算模型，提交计算，获得所述目标参数对应的柱脚节点的性能。
2.一种面向钢结构柱脚的验算与设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1：建立通过修改变量参数实现钢结构柱脚节点三维有限元计算模型快速建模的Python程序脚本文件；
S2：运用ABAQUS中的RSG模块建立柱脚节点可视化建模窗口，导入所述Python程序脚本文件以及柱脚节点标识图形，并将所述Python程序脚本文件中的模型与柱脚节点标识图形匹配，形成柱脚节点可视化建模插件，其中，所述柱脚节点标识图形由二维或三维绘图得到；
S3：采用ABAQUS运行所述柱脚节点可视化建模插件，将变量参数设置为目标参数生成对应的柱脚节点三维有限元计算模型，提交计算，获得所述目标参数对应的柱脚节点的性能。
3.根据权利要求2所述的面向钢结构柱脚的验算与设计方法，其特征在于，步骤S1包括：
S11：编写用于导入ABAQUS模块中的所有建模对象以及用于导入符合参数模块的脚本代码；
S12：编写用于建立柱脚节点三维有限元计算模型的脚本代码，包括：各部件几何参数为变量的创建部件脚本、定义材料属性脚本、装配关系脚本、计算分析步脚本、网格划分脚本、接触关系脚本以及用于定义边界约束条件和外部荷载条件脚本；
S13：修改柱脚节点三维有限元计算模型的Python脚本代码，定义不同几何参数、边界条件、外部荷载，替换脚本代码中的参数变量，进而建立不同尺寸不同荷载的柱脚节点模型。
4.根据权利要求1所述的面向钢结构柱脚的验算与设计方法，其特征在于，步骤S2包括：
S21：运用ABAQUS中的RSG对话框构造器创建柱脚节点模型可视化界面窗口；
S22：使用RSG对话框构造器空间栏创建功能树，在功能树中导入柱脚节点的几何参数、边界条件以及网格划分标识图形，并对功能树中各项控件进行编辑达到目标需求，并对各参数定义关键字；
S23：对所述Python程序脚本文件定义RSG中相对应的输入变量，并将所述关键字赋予Python程序脚本文件中的输入变量，形成柱脚节点核心功能文件；
S24：在RSG构造器Kernel窗口中导入所述核心功能文件，并保存构造器设置，形成GUI注册文件及图形界面文件，进而形成柱脚节点可视化建模插件，即GUI可视化界面窗口。
5.根据权利要求1所述的面向钢结构柱脚的验算与设计方法，其特征在于，步骤S3包括：
S31：创建abaqus_plugins文件夹，将所述柱脚节点核心功能文件、GUI注册文件、图形界面文件及界面标识图形放入其中；
S32：将Abaqus Command快捷命令复制至abaqus_plugins文件夹相同母文件夹，打开快捷命令，在Abaqus plugins中打开柱脚节点可视化建模插件，在可视化窗口中修改几何参数、边界条件、荷载、计算步长或网格种子密度参数中的一种或多种，实现柱脚节点快速建模。
6.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求2至5中任一项的所述面向钢结构柱脚的验算与设计方法的步骤。
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| CN (1) | CN117272742A (zh) |
-
2023
- 2023-09-26 CN CN202311248599.6A patent/CN117272742A/zh active Pending
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