PKPM-CAE通用仿真云計(jì)算系統(tǒng)

一、研發(fā)背景

通用仿真軟件廣泛應(yīng)用于土木建筑、機(jī)械制造、材料加工、汽車、航空航天等領(lǐng)域，是國(guó)家的工業(yè)基石之一。其系統(tǒng)復(fù)雜度高，物理和數(shù)學(xué)層面理論難度大，同時(shí)牽涉多學(xué)科的交叉協(xié)同，因此開(kāi)發(fā)難度大、成本高、周期長(zhǎng)。

由于國(guó)內(nèi)對(duì)通用仿真軟件的研究起步較晚，導(dǎo)致該領(lǐng)域長(zhǎng)期被歐美國(guó)家壟斷，屬于典型的“卡脖子”領(lǐng)域，在一定程度上已經(jīng)影響國(guó)家的工業(yè)數(shù)據(jù)安全。

2021年11月，工信部發(fā)布《“十四五”軟件和信息技術(shù)服務(wù)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，明確提出要重點(diǎn)突破工業(yè)軟件，研發(fā)推廣計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、仿真、計(jì)算等工具軟件，探索開(kāi)放式工業(yè)軟件架構(gòu)、系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)與仿真等技術(shù)路徑。

北京構(gòu)力科技經(jīng)過(guò)多年技術(shù)攻堅(jiān)，研發(fā)完成PKPM-CAE通用仿真云計(jì)算系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)通用仿真模擬成套技術(shù)突破。

PKPM-CAE擁有完整且自主可控的仿真前后處理系統(tǒng)、任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)、網(wǎng)格劃分內(nèi)核和通用有限元計(jì)算內(nèi)核。該系統(tǒng)對(duì)標(biāo)國(guó)外的主流商業(yè)仿真軟件（abaqus、ansys等），致力于滿足國(guó)內(nèi)土木乃至全工業(yè)領(lǐng)域絕大部分通用仿真需求。

圖1 軟件首頁(yè)

二、產(chǎn)品模式

PKPM-CAE軟件是一套基于云原生技術(shù)開(kāi)發(fā)的CAE通用仿真系統(tǒng)，包括桌面版和WEB版（云版），兩者操作界面完全一樣，且桌面版可與web版進(jìn)行項(xiàng)目交互（拉取和推送），從而實(shí)現(xiàn)了兩者的統(tǒng)一。

圖2 本地拉取和推送云端

三、產(chǎn)品功能

1. 網(wǎng)格劃分

PKPM-CAE擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的二維和三維網(wǎng)格劃分引擎，可滿足常規(guī)建筑結(jié)構(gòu)和工業(yè)領(lǐng)域的網(wǎng)格劃分需求。

圖3 體育館二維網(wǎng)格劃分示例

圖4 骨頭三維網(wǎng)格劃分示例

2. 模擬分析

PKPM-CAE擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的通用有限元分析內(nèi)核，其分析功能包括模態(tài)、靜力、穩(wěn)定性、隱式/顯式動(dòng)力學(xué)、諧響應(yīng)、譜分析等，其單元庫(kù)包括梁、桿、索、板、殼、膜、三維實(shí)體、以及連接單元和表面單元等，支持cpu和gpu多核并行（云版和Linux版）。

圖5 模態(tài)分析（帶拉索和預(yù)應(yīng)力）

圖6 靜力學(xué)分析

圖7 隱式/顯式動(dòng)力學(xué)分析（彈塑性）

圖8 穩(wěn)定性分析

圖9 諧響應(yīng)分析

圖10 譜分析

3. 非線性

PKPM-CAE支持的非線性形式包括幾何、材料（彈塑性）、接觸等，支持生死單元和超級(jí)單元技術(shù)。

圖11 幾何非線性靜力卷曲示例

圖12 復(fù)雜節(jié)點(diǎn)彈塑性分析示例

圖13 無(wú)梁樓蓋倒塌分析示例

圖14 沖擊侵徹分析示例

圖15 基坑開(kāi)挖施工模擬示例（生死單元）

4. 廣義連接

PKPM-CAE支持耦合、綁定、嵌入等多種廣義連接，支持自定義約束方程和主從自由度。

圖16 節(jié)點(diǎn)綁定示例

圖17 型鋼混凝土嵌入示例

5. 接口

PKPM-CAE提供豐富的外部接口，可導(dǎo)入PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型或abaqus/ansys等有限元計(jì)算模型，同時(shí)正在擴(kuò)展stl、igs、obj等通用幾何模型接口。

圖18 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型導(dǎo)入（PKPM模型）

圖19 有限元模型導(dǎo)入（ANSYS模型）

四、項(xiàng)目案例

1. 復(fù)雜節(jié)點(diǎn)分析

構(gòu)力科技與東南大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司合作，采用PKPM-CAE對(duì)某綜合樓的復(fù)雜節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析復(fù)核，與abaqus結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，分析計(jì)算結(jié)果基本一致。該綜合樓模型以及主要進(jìn)行分析的節(jié)點(diǎn)具體分布位置、節(jié)點(diǎn)平立面如下圖所示。

圖20 某綜合樓項(xiàng)目模型圖

（a）平面位置示意圖 （b）鋼管混凝土格構(gòu)柱節(jié)點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)1）平面圖

（c）空腹桁架節(jié)點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)2）平面圖 （d）空腹桁架節(jié)點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)2）立面圖

圖21 分析節(jié)點(diǎn)位置及節(jié)點(diǎn)平立面

1.%2 節(jié)點(diǎn)1

針對(duì)于上述格構(gòu)柱與箱型梁連接節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行有限元分析，具體分析過(guò)程及結(jié)果如下。

（a）設(shè)計(jì)模型 （b）分析劃分

（c）綁定連接圖示 （d）耦合連接圖示

圖22 格構(gòu)柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)及分析模型

其結(jié)構(gòu)模型如圖（a）所示，分析模型如圖（b）所示，該格構(gòu)柱節(jié)點(diǎn)內(nèi)部有大量的加勁肋，采用非協(xié)調(diào)網(wǎng)格劃分，并設(shè)置相應(yīng)的綁定連接和耦合連接，如圖（c）和（d）所示，圖（d）中有處內(nèi)部加勁肋在原模型中采用mpc-tie近似連接，本文將其改為耦合連接，相對(duì)來(lái)說(shuō)更加剛性。

表1 最不利工況下節(jié)點(diǎn)荷載（1.3恒+1.5活+0.9風(fēng)）

構(gòu)件名稱	軸力(kN)	剪力(kN)	彎矩(kN·m)
箱型鋼梁GL1	-1382.21	2484.97	6826.62
箱型鋼梁GL2	-835.95	-4421.22	9687.29
工字型鋼梁GL3	236.76	360.52	1586.52
鋼管混凝土格構(gòu)柱GGZ1	-15476.96	-861.82	-2303.41

經(jīng)計(jì)算可知，在1.3恒+1.5活+0.9風(fēng)的荷載工況下節(jié)點(diǎn)處于最不利狀態(tài)（具體荷載見(jiàn)表1），在此工況下節(jié)點(diǎn)變形及Mises應(yīng)力分布如下圖所示，同時(shí)提供了abaqus結(jié)果和pkpm-cae結(jié)果，兩者相差甚微。另外，由計(jì)算結(jié)果可知，此時(shí)全節(jié)點(diǎn)仍處于彈性工作狀態(tài)。

（a） abaqus位移結(jié)果

（b） pkpm-cae位移結(jié)果

（c） abaqus應(yīng)力結(jié)果

（d） pkpm-cae應(yīng)力結(jié)果

圖23 格構(gòu)柱節(jié)點(diǎn)abaqus和pkpm-cae結(jié)果對(duì)比

2.%2 節(jié)點(diǎn)2

針對(duì)于上述空腹桁架連接節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行有限元分析，具體分析過(guò)程及結(jié)果如下。

其結(jié)構(gòu)模型如下圖（a）所示，分析模型如圖（b）所示，該空腹桁架節(jié)點(diǎn)內(nèi)部有加勁肋，采用非協(xié)調(diào)網(wǎng)格劃分，并設(shè)置相應(yīng)的綁定連接和耦合連接，如圖（c）和（d）所示。

經(jīng)計(jì)算可知，在1.3恒+1.5活+0.9溫度作用的荷載工況下節(jié)點(diǎn)處于最不利狀態(tài)（具體荷載見(jiàn)表2），在此工況下節(jié)點(diǎn)變形和Mises應(yīng)力分布如下圖所示。由計(jì)算結(jié)果可知，節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力為416.1MPa，出現(xiàn)在與下部鋼管柱與節(jié)點(diǎn)的連接位置，為局部的應(yīng)力集中，小于材料的屈服強(qiáng)度420MPa；說(shuō)明全節(jié)點(diǎn)仍處于彈性工作狀態(tài)。

表2 最不利工況下節(jié)點(diǎn)荷載（1.3恒+1.5活+0.9溫度作用）

構(gòu)件名稱	軸力(kN)	剪力(kN)	彎矩(kN·m)
箱型鋼梁GL1	2169.24	-1527.71	-1736.79
箱型鋼梁GL2	3988.02	-572.94	-1349.29
變截面工字型鋼梁GL3	358.79	209.825	486.27
鋼管柱GZ1	98.72	-3538.386	2478.01

（a）設(shè)計(jì)模型 (b) 分析劃分

（c）綁定連接圖示 (d)耦合連接圖示

圖24 空腹桁架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)及分析模型

（a） abaqus位移結(jié)果

（b） pkpm-cae位移結(jié)果

（c） abaqus應(yīng)力結(jié)果

（d） pkpm-cae應(yīng)力結(jié)果

圖25 空腹桁架節(jié)點(diǎn)abaqus和pkpm-cae結(jié)果對(duì)比