EDF開源CAE | Code_Aster 對層壓木質結構的地震響應進行自動化非線性建模中的應用

CAE璐姐

2021年2月2日 10:16

關于Code_Aster

EDF開源CAE | Code_Aster 對層壓木質結構的地震響應進行自動化非線性建模中的應用的圖1

Code_Aster是法國電力集團（Electricité de France，EDF）自1989年起自主研發的一款通用計算固體力學開源軟件，其中“aster”是法語“用于學習與研究的結構與熱力學分析”的首字母簡稱（Analyse des Structures et Thermo-mécaniques pour des Etudes et des Recherches）。code_aster可以提供全系列的多物理場分析和建模方法，其功能遠遠超出了標準的熱-力計算代碼。

該軟件包含多種本構關系模型（彈性、彈塑性、彈粘塑性、輻射下的燃料棒和金屬等），能夠處理線性和非線性問題（接觸、摩擦、斷裂力學，地震分析等），同時也可被用于土木工程結構的性能分析，微觀尺度的晶粒計算，幾乎涵蓋了核工業涉及的所有固體力學應用領域。該軟件的模型、算法和求解器自面世以來一直在不斷地提升和完善中。

2008年末，法國電力集團將code_aster與圖形操作模塊整合，開發出了用戶界面友好的開源軟件Salome_Meca，使得code_aster在使用代碼處理研究數據的基礎上，實現了可視化圖形操作功能。

研究背景

本次研究對象木質結構，這種傳統材料其實有著顯著的各向異性。使用木頭制作的交叉層壓板（圖2），即CLT板同樣具有各向異性。CLT板材在兩個主方向上有不同的抗彎剛度和平面穩定性，在墻面和地板的建造中都有使用。

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圖1 木材的各向異性

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圖2 CLT板的結構

木質結構在地震的整體表現主要由接觸和離散的連接結構決定。連接結構對壓縮沒有反力，但對拉力或剪力有尖銳的響應，并且板與板之間的接觸是單邊的。

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圖3 地震對結構的作用方式

自動化建模方法

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藍色：墻面

黃色：墻間接觸面

綠色：墻地板接觸面

暗紅：地板面

鮮紅：角支架（只有抗剪剛度的K_T_D_L 彈簧）

黑色：WC/WFC/FC

（有抗剪剛度和軸向剛度的K_T_D_L 彈簧）

紫色：拉力構件（只有軸向剛度的K_T_D_L 彈簧）

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圖5 拉力構件的力學響應

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圖6 網格

模型一共有449個面（61個CLT板），204個有接觸和摩擦的邊緣，1543個離散元件代表9種連接構件，211個板件連接。所有的組和連接區域都是自動生成的。

計算結果

線性模型

無摩擦接觸

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非線性模型

有接觸摩擦，μ=0.2

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非線性模型

有接觸摩擦，μ=0.2

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低加速度時的兩種建模的差別

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（左）直接連接，（右）有接觸和摩擦

（左）時變場驗證，（右）累計場驗證

結論與展望

檢驗的應力場包括：

板子的軸向（壓或拉）力與扭矩結合產生的板在縱向的應力；
垂直于板的剪切力產生的縱向剪切應力；
板子的軸向（壓或拉）力與扭矩結合產生的板在橫向的應力；
垂直于板的剪切力產生的橫向剪切應力；
平面內剪切應力取總應力和凈扭轉剪切應力的較大者。

最終結果由真實比例的實驗測試驗證。

基于code_aster 的超強能力，使在考慮摩擦的情況下，用自動化結構建模來設計復雜結構得以實現。這些非線性分析結果顯著優于線性分析，結構的動態特性在低加速度下也會變化。這些建模方法在未來可以拓展應用于其他結構系統。

參考文獻

[1] Ioannis P. Christovasilis, Lorenzo Riparbelli.Validation & Verification of automated non linear modelling for the seismic response of cross laminated timber structures.