【JY】結構工程分析軟件討論（下）

2022年10月16日 13:07
瀏覽：3448 評論：2 收藏：5

        因你精彩


即刻關注

“大道至簡，愿工程師們都能做到始知真放本精微”

【JY】結構工程分析軟件討論（下）的圖1

?

【寫在文前】

接上篇： 【JY】結構工程分析軟件討論（上）  繼續講解~
目前大部分的軟件產品采用的是有限單元法進行分析計算， 有限元分析提供了快速、廉價地探索各種原型選項和設計的能力。這使得有限元分析成為提高產品性能、降低成本和縮短項目交付周期的重要工具，有的有限元軟件僅是矩陣位移法的升華，有的有限元軟件則是針對型開發（如強非線性、工程設計應用等），有的有限元軟件則是大型通用有限元軟件。
 
結構工程常用的軟件進行分類:
【JY】結構工程分析軟件討論（下）的圖2
看這篇文章之前可以看下之前的一篇推文：

【JY】結構工程分析軟件討論（上）

【JY】為什么要了解和學習多款仿真軟件？

【JY】有限單元分析的常見問題及單元選擇

而今天的主角是主要是部分筆者用過的，主要對工程結構研究一些使用方案選擇軟件提供一個參考。
盤點補充工程經典軟件：

【JY】淺談結構分析與設計軟件

?

【國產便攜式軟件】

PKPM/ YJK/ 廣廈CAD/ Paco-SAP/ SAUSG…
特點： PKPM/ YJK/ 廣廈CAD 等一系列的結構設計軟件較好的結合國家規范或地方標準，主要能力在于可便攜的讓工程師快速的 通過線彈性或等效線性的分析方式 得到結構設計的結果。
Paco-SAP/ SAUSG   等主要是通過材料非線性、幾何非線性等方式，來補充校核上述結構設計軟件的設計結果，主要是為了驗證結構在地震下接近真實的 響應和損傷發展結果 。
國產軟件有個非常神奇的特點，就是~

保姆級！保姆級！

即便不太懂得力學原理，依舊可以使用得得心應手。這塊大部分國內工程師比較數熟悉就不多做闡述。

?

【國際結構設計軟件】

Sap2000/ ETABS/ SAFE/ Perform-3D/ Midas系列…
特點：CSI系列軟件和Midas系列軟件，對接國內規范一般，是原理應用級軟件。對工程師需要一定的理論基礎，其中 SAP2000、ETABS和SAFE使用的是相同的求解器SAPFire，因此在有限元模型相同的情況下，計算結果是完全一致的。但是這三個軟件存在一些功能上的差異，對于有限元模型的處理并不一致，例如，由于板結構類型的特點， SAFE中就默認將梁的抗扭剛度進行0.1的折減等。 SAFE對于混凝土板、基礎都具有較好的工程應用計算分析的能力，可以彌補目前國標中對無梁樓板等的計算分析。（國標適用范圍還是梁柱體系，而非雙向板等板柱體系）
工程原理級結合比較好的設計類軟件，由于假定和參數較多，需要設計師對工程概念和力學概念有較好的把控，否則會得到錯誤的結果。

【JY】結構工程分析軟件討論（上）

PERFORM-3D軟件是Powell教授的著作權，后期由CSI進行代理，三維結構非線性分析與性能評估，是一個 致力于研究抗震設計的非線性工具。通過使用以變形為基礎或者以強度為基礎的極限狀態來對復雜結構進行非線性分析。 PERFORM-3D為工程師提供了一個復雜地震工程工具來進行靜力 Pushover分析和動力彈塑性時程分析。目前按 PERFORM-3D最新的一些更新都是前后處理上的優化，分析功能幾乎沒有變化。
【JY】結構工程分析軟件討論（下）的圖3
ETABS V2016到如今的版本的大部分更新，是CSI將  PERFORM-3D分析內核轉接到ETABS的過程。隨著 ETABS的更新， ETABS在復雜結構進行非線性分析評估方面越來越接近 PERFORM-3D。 ETABS甚至在某些方面具備了對PERFORM-3D的優勢，例如分層殼、更多的連接單元、FNA法、施工模擬分析等等。但是PERFORM-3D仍然有計算效率上的優勢，計算文件更小，提取結果更快等優點。
SAP2000和ETABS的定位確實不太一樣。 SAP2000更通用，分析功能更強大，例如穩態分析、功率譜分析、波浪荷載、移動荷載等等，這些常常是工業院非常需要的。而且很多SAP2000和ETABS看起來一樣的東西，也可能SAP2000功能更強大，就以分層殼為例，SAP2000可以按米塞斯應力確定屈服狀態，而ETABS只能按單軸應力確定，所以對于鋼筋還好，但是對于鋼板來講，明顯SAP2000更合適。 ETABS更加偏向民用建筑，有明顯層的概念，設計功能更加強大，指標輸出更多更加便利。
小結：
PERFORM-3D：具有較好的 抗震性能評估體系，具有計算效率高、計算文件小、提取結果更快的優點。
SAFE： 對于混凝土樓板、基礎筏板等有較好的計算分析方法。
ETABS： 有明顯的層的概念，設計功能強大，提取指標更加便利，抗震性能評估、計算效率等功能也在逐步升級。
SAP2000： 分析功能更加通用，計算方法更多，更偏向于通用有限元軟件，理論上通過對有限元模型的認為設置，可以得到SAFE和ETABS的結果，只不過對工程師理論要求比較高。

?

【科研級開放式軟件】

OpenSEES、ABAQUS、ANSYS…
特點：市面上有很多有限元分析軟件，針對建筑結構和巖土工程地震響應專門開發的開源軟件OpenSEES，以及大型通用有限元開源軟件CalculiX。而對于商業有限元軟件，結構分析能力排名：ABAQUS、ADINA、MSC.Marc、ANSYS。
【JY】結構工程分析軟件討論（下）的圖4
OpenSEES 是一個開源軟件，它的名字是“The Open System for Earthquake Engineering Simulation”的縮寫，由美國Pacific Earthquake Engineering Research Center (PEER)開發。 這款軟件最適用于建筑結構和巖土結構的地震響應模擬，當然也可以進行結構在靜力作用下的數值模擬。 與商業有限元軟件相比，OpenSees 單元庫相對簡單，但是恢復力模型豐富，這致使該軟件在簡化結構模型的地震響應模擬方面有突出的表現。同時它作為一款開源軟件，單元庫一直在不斷更新中，實現了與時俱進，契合了當下互聯網快速發展形勢下軟件快速迭代的要求。
OpenSEES 由C++語言編寫而成。為了方便用戶調用，采用了Tcl、python 語言作為用戶交互接口。除此之外，暫無GUI 界面，雖然許多人對其編寫了相關界面。因此， 對于不熟悉軟件開發的結構工程師來說，使用 OpenSEES 稍顯困難。但是與 GUI 操作相比，計算機編程是當前科研人員的研究利器，熟練使用腳本建模之后，會發現它很多時候比 GUI 建模更具有優勢。 對于工程師而言，需要非常高的理論基礎和編程能力。雖然它擁有世界上工程研究領域前沿的單元庫和一些計算方法，但同時它對于工程而言計算效率比較低，只能單線程計算確實比較拉跨（除非自行開發并行計算），適合對應科研或者小型的工程。
【JY】結構工程分析軟件討論（下）的圖5
ABAQUS 是一套先進的通用有限元系統，屬于高端CAE軟件。它長于非線性有限元分析,可以分析復雜的固體力學和結構力學系統，特別是能夠駕馭非常龐大的復雜問題和模擬高度非線性問題。結構和固體力學領域，專業程度最高的是ABSQUS，極其專業，它的手冊論專業性而言可以爆掉幾乎國內所有高校的所有力學課程和所有中文教科書，英文教材其實也沒幾個能達到ABAQUS手冊的水平的?？偟脕碚fABSQUS側重結構，包括非線性超強的Standard和Explicit，而且它的Python腳本系統和子程序特別支持比較深入的研究型工程應用。
ABAQUS軟件在求解非線性問題時具有非常明顯的優勢。其非線性涵蓋材料非線性、幾何非線性和狀態非線性等多個方面。 另外，由于ABAQUS/Standard(通用程序)和ABAQUS/Explicit(顯式積分)同為ABAQUS公司的產品，它們之間的數據傳遞非常方便，可以很容易地考慮預緊力等靜力和動力相結合的計算情況。ABAQUS軟件的求解器是智能化的求解器，可以解決其它軟件不收斂的非線性問題，其它軟件也收斂的非線性問題，ABAQUS軟件的計算收斂速度較快，并更加容易操作和使用。 對于工程師而已，它僅僅是個力學求解器，所有工程機理或者方法都需要在該平臺上構建，所以對工程師的理論功底需要較高的要求。 目前大部分工程師采用ABAQUS用于混凝土(CDP)節點、鋼結構構件的計算分析，也有少部分采用ABAQUS對結構進行彈塑性分析。

【JY】力薦 | 區域建筑地震安全性有限元分析示例

【JY】結構工程分析軟件討論（下）的圖6


ANSYS軟件是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，發展了很多版本，但是它們核心的計算部分變化不大，只是模塊越來越多，這些模塊并不是ANSYS公司自己搞的，而是把別人的東西買來集成到自己的環境里。ANSYS系統擅長于多物理場和非線性問題的有限元分析,在鐵道，建筑和壓力容器方面應用較多。其中一個模塊LS-DYNA長于沖擊、接觸等非線性動力分析。LS-DYNA是一個通用顯式非線性動力分析有限元程序，最初是1976年在美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室由J.O.Hallquist主持開發完成的，主要目的是為核武器的彈頭設計提供分析工具，后經多次擴充和改進，計算功能更為強大。LS-DYNA，是公認的計算沖擊、碰撞問題的很牛的軟件，橋梁碰撞計算分析、飛機撞大樓分析都可以用其計算。

【JY】結構工程分析軟件討論（下）的圖7
ANSYS 也的確購買了它的求解器進行沖擊，碰撞問題的計算。不過，在ANSYS WORKBENCH中的AUTODYN軟件計算沖擊，碰撞的功能與LS-DNYA相似，也非常好。該軟件不僅具有FEM求解器，也具有有限體積求解器用于計算流體，以及無網格方法進行爆炸的仿真，做得非常好，并不比LS-DYNA差。 ANSYS相繼收購了一堆很牛的軟件，現在對于流體分析，電磁分析，以及瞬態動力學分析已經很強大。 至于熱分析則很一般，對于巖土結構的靜力學計算也不過爾爾。
【JY】結構工程分析軟件討論（下）的圖8
小結：
OpenSEES開源又免費，可以毫無壓力二次開發，做地震工程相關的內容非常適合，適合用于抗震研究分析 ，但同時值得吐槽的是計算內核是單線程計算，同等計算規模下，算力無法堪比商業有限元軟件。
ANSYS做得很全面，流體分析，電磁分析，多物理場分析超級強大，而非線性分析弱一些； ABAQUS非線性分析是比較適合的求解器， 而且工程師可以自行開發與之相對應的 umat/vuamt 等子程序，來適配自己的工程問題或科研。

 

但是要注意，結構分析的目標不是獲得結構行為的精確模擬，而是獲得幫助設計決策的信息。一旦建立了一個分析模型，就很容易被引誘去相信這個模型是真實結構的精確表示。它可能不是，也不需要是，但模型必須足夠準確，以提供有用的設計信息，但分析結果幾乎肯定是近似的，無論分析模型多么復雜。


下期再見！

往期精彩*點擊即達

#性能分析

【JY】基于性能的抗震設計淺析（一）

【JY】基于性能的抗震設計淺析（二）

【JY】淺析消能附加阻尼比

【JY】近斷層結構設計策略分析與討論

【JY】淺析各動力求解算法及其算法數值阻尼(人工阻尼)

理念

【JY|體系】結構概念設計之(結構體系概念)

【JY|理念】結構概念設計之(設計理念進展)

【JY】有限單元分析的常見問題及單元選擇

【JY】結構動力學之顯隱式

【JY】淺談結構設計

【JY】淺談混凝土損傷模型及Abaqus中CDP的應用

【JY】淺談混凝土結構/構件性能試驗指標概念（一）

【JY】淺談混凝土結構/構件性能試驗指標概念（二）

#概念機理
【JY】基于Ramberg-Osgood本構模型的雙線性計算分析

【JY】結構動力學初步-單質點結構的瞬態動力學分析

【JY】從一根懸臂梁說起

【JY】反應譜的詳解與介紹

【JY】結構瑞利阻尼與經濟訂貨模型

【JY】主成分分析與振型分解

【JY】淺談結構多點激勵之概念機理（上）

【JY】淺談結構多點激勵之分析方法（下）

【JY】板殼單元的分析詳解

【JY】橡膠支座的簡述和其力學性能計算

【JY】振型求解之子空間迭代

【JY】橡膠支座精細化模擬與有限元分析注意要點

【JY】推開土木工程振型求解之蘭索斯法(Lanczos法)的大門

【JY】基于OpenSees和Sap2000靜力動力計算案例分析

【JY】建筑結構施加地震波的方法與理論機理

【JY】力薦佳作《結構地震分析編程與應用》

#軟件討論

【JY】復合材料分析利器—內聚力單元

【JY】SDOF計算教學軟件開發應用分享

【JY】Abaqus案例—天然橡膠隔震支座豎(軸)向力學性能

【JY】Abaqus6.14-4如何關聯fortran？

【JY】如何利用python來編寫GUI？

【JY】如何解決MATLAB GUI編程軟件移植運行問題？

【JY】淺談結構分析與設計軟件

【JY|STR】求解器之三維結構振型分析

【JY】SignalData軟件開發應用分享

【JY】基于Matlab的雙線性滯回代碼編寫教程

【JY】動力學利器 —— JYdyn函數包分享與體驗

【JY】混凝土分析工具箱：CDP模型插件與滯回曲線數據

【JY】結構工程分析軟件討論（上）

#YJK前處理參數詳解

【JY】YJK前處理參數詳解及常見問題分析（一）

【JY】YJK前處理參數詳解及常見問題分析：控制信息（二）

【JY】YJK前處理參數詳解及常見問題分析：剛度系數（三）

【JY】YJK前處理參數詳解及常見問題分析：二階效應和分析求解（四）

【JY】YJK前處理參數詳解及常見問題分析（五）：風荷載信息

【JY】YJK前處理參數詳解及常見問題分析（六）：地震信息

#其他

【JY】位移角還是有害位移角？

【JY】如何利用python來編寫GUI？

【JY】今日科普之BIM

【JY】結構工程分析軟件討論（下）的圖9

                              ~關注未來更精彩~

登錄后免費查看全文
立即登錄
HBM應變測量基礎
HBM應變測量基礎

免費

向量微積分理論基礎
向量微積分理論基礎

￥50

應變測量基礎研討會
應變測量基礎研討會

免費

App下載
技術鄰APP
工程師必備
  • 項目客服
  • 培訓客服
  • 平臺客服

TOP

6
2
5