单位文秘网 2022-02-16 08:08:24 点击: 次
摘 要:介绍一些常用有限元软件,通过对比其分析范围、前后处理的操作性能等,简要的阐述了他们在结构分析、设计、优化中的应用。
关键词:有限元;ANSYS;ABQUS;SAP2000;Etabs;结构设计
随着城市的发展,超高层建筑、大跨度桥梁、地上立体车库已经越来越多,这些大多是超出规范多项指标的超限结构。在结构设计中,我们需要不同的软件来分析受力情况、校核设计结果、优化结构设计使之更加经济可靠。有限元软件的发展就为此提供了强有力的工具,例如通用有限元分析软件ANSYS,非线性分析突出的ABQUS,特别适合结构及土木工程的设计研究工作的SAP2000、ETABS。
本文通过对ANSYS、ABQUS、SAP2000、ETABS等通用有限元软件的简要介绍,来对比他们在结构静力分析、抗震分析、优化设计中的应用。
一、基于有限元理论的结构分析
有限单元法是在矩阵位移法基础上发展起来的一种结构分析方法,是近似求解一般连续域问题的数值方法,即将一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。有限元法借助于两个重要工具:在理论推导方面采用矩阵方法,在实际计算中采用计算机。无论对什么样的结构(杆系,平面,三维,板壳)分析过程都是一样的,下面说明其分析过程:
1.将结构“离散化”为有限个单元的组合体;
2.对单元进行分析:由单元结点位移来描述单元内部位移,然后进行单元应变、应力分析,建立单元特性方程(单元刚度方程)。
3.整体(集合体)分析,即用直接刚度法集成整体刚度矩阵和综合等效荷载列阵。
4.边界条件处理(对已知边界条件),可采用划0置1法、乘大数法。
5.解方程求位移:用适合的数学方法求解整体刚度方程得到全部结点位移。
6.根据求得位移,进一步求应变、应力等。
二、通用有限元分析软件的介绍及在结构设计中的应用
ANSYS、ABQUS、SAP2000、ETABS作为通用有限元分析软件,都有着各自的特点和优势。
1.ANSYS
ANSYS软件是融结构、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体的大型通用有限元分析软件,能与AUTOCAD软件接口,实现数据的共享和交换。在中国ANSYS凭借深入推广、优秀的前后处理能力、强大的功能和简单易学的特点,在众多有限元软件中使用频繁、应用广泛。
ANSYS在钢结构和钢筋混凝土房屋建筑、体育场馆、桥梁等工程中得到广泛的应用,它可以对这些结构进行受力、变形、稳定性、各种动力特性进行全面的分析,对工程结构规划、建模、加载求解、结果处理,并编写相应的命令流,前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具,用户可以方便地构造有限元模型,软件提供了100种以上的单元类型,用来模拟工程中的各种结构和材料;分析计算模块包括结构分析(可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析)、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析,可模拟多种物理介质的相互作用,具有灵敏度分析及优化分析能力,载荷包括边界条件和外部或内部作用力函数,在不同的分析领域中有不同的表征,但基本上可以分为6大类:自由度约束、力(集中载荷)、面载荷、体载荷、惯性载荷以及耦合场载荷;后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、透明及半透明显示(可看到结构内部)等图形方式显示出来,也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。
ANSYS在预应力钢筋混凝土分析、钢筋混凝土开裂模拟分析、钢筋混凝土浇筑模拟分析、桁架桥悬索桥受力分析、移动荷载作用下桥梁的动态响应分析、连续刚构桥三维仿真分析、桥梁的地震响应分析以及隧道和地下工程数值模拟分析、三维网架分析、桩基础三维仿真分析等都有广泛的应用。
2. ABQUS
ABAQUS 被广泛地认为是功能强大的有限元软件,可以分析复杂的固体力学结构力学系统,特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题。 ABAQUS 不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析,同时还可以做系统级的分析和研究,具有强健的计算功能和模拟性能,拥有大量不同种类的单元模型、材料模型和分析过程。abaqus最大的缺点是上手慢,教程较少。但ABQUS在解决岩土结构和混凝土等的非线性分析上很突出,他拥有强大的材料本构库,以及大量的应用案例。
3. SAP2000,ETABS
SAP2000,ETABS是特别适合结构及土木工程设计研究工作的通用有限元软件。他们在结构分析、设计、有限元计算中具有极其完备和可靠的多种功能,特别在地震分析、混凝土及钢结构设计时,他们拥有许多国家的规范及钢结构数据库,使其在土建领域独具优越性。他们几乎拥有所有结构工程领域内的最新结构分析功能,积累了丰富的结构分析经验,从静力动力计算,到线性非线性分析,从P-△效应到施工顺序加载,从结构阻尼器到基础隔震,都能提供可靠的计算分析结果。他们拥有丰富的单元库和荷载类型,并且具有一体化的设计功能,结合传统设计方式和交互式图形方式,大大提高工程师的效率,同时能够全面输出结构体系分析和设计整体结果和构件详细的设计信息,利用他们提供的多国规范还可以对设计结果进行研究和对比。对于钢结构设计,他们可以通过设定自动优化目标,实现自动优化设计。他们在索结构及玻璃幕墙结构、预应力钢结构、复杂高层钢结构、复杂高层混合结构、工业建筑、斜拉桥、混凝土重力坝等都有广泛的应用。
三、结论
本文对ANSYS、ABQUS、SAP2000、ETABS通用有限元软件进行了简要的介绍,并列举了他们各自的功能和优缺点,并阐述了其各自在结构设计领域的应用情况。
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