近年來，在建筑設(shè)計中，統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理的目標是使用BIM進行規(guī)劃、設(shè)計、施工維護和管理。由于核設(shè)施的新監(jiān)管標準的實行，需要提高對核設(shè)施建筑物地震評估詳細研究的準確性，越來越多地使用3D FEM模型對建筑物進行建模并進行檢查。在這種背景下，具有結(jié)構(gòu)方面專業(yè)知識的工程師需要大量且復(fù)雜的工作才能從工程圖中創(chuàng)建FEM模型，因此需要有一個自動化的建模工具來輔助。通過使用MSC Apex自動化地進行建筑物形狀建模，我們將提高工作效率并減少錯誤。

使用建筑3D CAD / BIM軟件創(chuàng)建外形模型，將ACIS、Parasolid等可處理實體形狀的數(shù)據(jù)格式導(dǎo)入到FEM前處理軟件，并嘗試進行FEM分析，已經(jīng)逐漸普及。通常建筑行業(yè)使用REVIT（AutoCad）建模，這個軟件可以輸出ACIS格式的幾何數(shù)據(jù)，材料可以輸出成csv（Excel格式），MSC Apex可以通過腳本快速實現(xiàn)和REVIT(AutoCAD)的接口（包括幾何和材料），同時MSC Apex修改設(shè)計后可以很快更新有限元模型進行分析(采用Nastran)，如圖1所示，客戶可以比較方便做設(shè)計迭代。

圖1 MSC Apex的分析流程

東京電力設(shè)計株式會社，一個在核領(lǐng)域擁有多年工作經(jīng)驗的公司，其負責(zé)人受訪表示：“之前考慮到巨大的計算量和建模的復(fù)雜度，所以沒有使用高精細的3D有限元模型。但是，考慮到當前計算能力正不斷地提高中，我們也希望能加強建模能力。現(xiàn)在，我們可以使用MSC Apex的強大功能來進行高度準確的評估。”

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首先，東京電力設(shè)計株式會社通過MSC Apex軟件對一個由柱、梁和墻組成的3D門模型做了對比研究。圖2為節(jié)點共享模型，左側(cè)為細網(wǎng)格模型，右側(cè)為粗網(wǎng)格模型，圖3為粘接模型，即對每個構(gòu)件分別劃分網(wǎng)格，然后進行粘接，左側(cè)為細網(wǎng)格模型，右側(cè)為粗網(wǎng)格模型，分別對四組模型進行靜態(tài)震度分析，得到四組對應(yīng)的應(yīng)力云圖，分別如圖4、圖5所示。

圖2 節(jié)點共享模型（左側(cè)細網(wǎng)格，右側(cè)粗網(wǎng)格）

圖3粘接模型（左側(cè)細網(wǎng)格，右側(cè)粗網(wǎng)格）

圖4 節(jié)點共享模型靜態(tài)震度分析（馮-米塞斯應(yīng)力）

1%誤差（壁和圓柱之間連接的差異導(dǎo)致）

圖5 粘接模型靜態(tài)震度分析（馮-米塞斯應(yīng)力）

0.5%誤差（壁和圓柱相連處應(yīng)力分布一致）

對以上四種情況的模型進行特征值分析，并比較固有頻率。盡管它們在圖6中看起來差別較小，但誤差在2％以內(nèi)。

圖6 固有頻率比較

之后，他們再次創(chuàng)建了更為復(fù)雜的完整的有限元模型，并且分別創(chuàng)建圓柱、梁、地板和墻壁的網(wǎng)格，并分析每個部件連接部分使用粘接定義的情況和這些部件用共享節(jié)點方式連接的情況。圖7分別為網(wǎng)格圖和變形圖。最大位移與固有頻率之差最大為3％，右側(cè)的變形輪廓和馮·米塞斯應(yīng)力云圖幾乎相同。通過此研究發(fā)現(xiàn)，將每個構(gòu)件劃分為六面體單

元，然后采用粘接模型的形式，可以獲得足夠的精度。

     

圖7 復(fù)雜模型的網(wǎng)格和變形圖

東京電力設(shè)計株式會社還通過對比板梁單元模型與實體單元模型的固有頻率，充分證實了實體單元的計算更為精準。

圖8 整體模型與截面圖

       

圖9 板梁單元3D有限元模型及實體單元有限元模型

   

圖10 板梁單元3D有限元模型及實體單元有限元模型連接部分細節(jié)展示

圖11 板梁單元模型（左：一階模態(tài)；右：二階模態(tài)）

圖12 實體單元模型（左：一階模態(tài)；右：二階模態(tài)）

最終，通過分析得到板梁單元與實體單元十階模態(tài)分析下固有頻率的比較結(jié)果，分別如下表所示：

表1  頻率響應(yīng)結(jié)果

次數(shù)	板梁單元	實體單元
1	5.96	6.72
2	7.18	7.98
3	9.46	10.40
4	13.9	15.00
5	14.1	16.00
6	14.6	16.90
7	15.3	17.20
8	15.5	18.20
9	16.3	18.70
10	16.4	18.80

分析求解都是使用的MSC NASTRAN。兩者的固有頻率相似，并且振型圖幾乎相同， 但是，板梁單元模型在低頻固有頻率值偏低，作為主要原因，板梁單元模型沒有考慮模型接合處的剛性區(qū)域，低估了構(gòu)件端部的剛性，并導(dǎo)致整個建筑物的剛性變小了所以導(dǎo)致了模態(tài)值偏低。由此可見，實體單元更為精準。

結(jié)論：MSC Apex是一個為設(shè)計者/分析專家設(shè)計的仿真平臺，它大大縮短了創(chuàng)建分析模型所需的時間，并且簡化了模型創(chuàng)建后的修改。

針對核建筑行業(yè)主要功能和用戶獲益

主要功能

• 易學(xué)易用，用戶體驗度好

• 直接建模和網(wǎng)格劃分技術(shù)：直接應(yīng)對設(shè)計變更

• 分析前準備檢查：防止錯誤發(fā)生

• 通用框架：模型可以自動更新

• 基于計算部件：參數(shù)研究容易

用戶獲益

• 從建筑BIM模型中容易地創(chuàng)建詳細的三維分析模型。
  

• 基于腳本的自動化(材料特性的自動讀取等)

• 對改變形狀的及時應(yīng)對

• 提高分析精度

MSC軟件公司日本總裁兼首席執(zhí)行官加藤武彥表示：“我們在核領(lǐng)域也擁有多年的工作經(jīng)驗，不僅只分析建筑物、安全殼和其他設(shè)備的結(jié)構(gòu)、強度、振動和熱量，而且還能夠進行核反應(yīng)堆中控制棒的力學(xué)性能分析。東日本大地震之后，除了通過簡單的響應(yīng)譜分析對地震進行常規(guī)評估外，我們馬上呼吁，需要使用更加嚴格的物理模型進行高精度的極限強度模擬。我們?yōu)槟軌蛲ㄟ^東電設(shè)計的測試為下一代的創(chuàng)新分析方法的開發(fā)和效率的提高做出貢獻而感到自豪。”

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