PKPM-CAE建筑仿真模塊正式發布，三大核心應用場景助力復雜結構設計

1. PKPM-CAE研發背景

PKPM-CAE基于云原生技術開發，支持桌面端和web應用，對標國外主流商業仿真軟件（ABAQUS和ANSYS），擁有自主知識產權的網格劃分內核和通用有限元計算內核，致力于滿足國內土木領域乃至全工業領域的通用仿真分析需求。

PKPM-CAE涵蓋各種常用仿真分析功能（如模態、靜力、穩定性、隱式/顯式動力學、諧響應、譜分析、極限承載力分析等），擁有20余種工程仿真單元類型（如梁、桿、索、板、殼、膜、三維實體、連接單元、表面單元等），包含10余種工程仿真材料本構模型（如金屬、混凝土、巖土等），支持工程仿真中各種非線性類型（如幾何、材料、狀態（接觸和生死單元）等），支持各種常用廣義連接模式（如耦合、綁定、嵌入、以及自定義約束方程和主從自由度等）。

PKPM-CAE還實現了多種建模軟件和分析軟件的集成，提供豐富的外部軟件接口，可導入PKPM/YJK的結構設計模型，ABAQUS/ANSYS的有限元計算模型，同時正在擴展STL、IGS、OBJ、IFC等通用幾何模型接口。

PKPM-CAE目前已發布PKPM-CAE通用仿真和PKPM-CAE建筑仿真兩大模塊。PKPM-CAE通用仿真模塊面向大土木領域乃至全工業領域，PKPM-CAE建筑仿真模塊則致力于滿足建筑結構設計中的各類仿真需求。

PKPM-CAE建筑仿真模塊已于近期正式發布，面向建筑結構設計領域，提供三大典型應用場景。

2. PKPM-CAE建筑仿真三大典型應用場景

PKPM-CAE在建筑工程仿真模擬領域的典型應用場景主要包括三類：①復雜節點靜力/極限強度分析，可以解決結構設計中的復雜節點分析問題。②高層結構大震彈塑性分析，基于通用有限元內核，數據開放，彈塑性分析功能專業，能夠滿足復雜工程彈塑性分析需求。③大跨結構屈曲/后屈曲穩定性分析，可用于網架網殼等結構的非線性穩定分析。

2.1 節點分析

某綜合樓的復雜節點分析復核，與ABAQUS結果進行對比驗證，節點的邊界條件（即節點荷載）從PKPM設計軟件中導出。

由計算結果對比可知：對于正常使用加載情況（即最不利工況組合），PKPM-CAE和ABAQUS的計算結果幾乎完全一致，位移和應力誤差均小于1%；對于極限加載情況，PKPM-CAE和ABAQUS的極限承載能力計算結果基本一致，誤差約為5%。

2.2 大震彈塑性分析

某高層結構，共68層，總高328米，約150萬自由度。

從PKPM設計軟件導入設計模型，然后自動選波（地震波時長30s），采用顯式動力學分析，開啟CUDA并行計算（NVIDIA A100顯卡），總計算時間約5小時。

PKPM-CAE能夠自動化完成計算分析、結果整理、報告書生成，基本實現了大震彈塑性分析全過程一鍵式傻瓜化完成。

2.3 雙非線性穩定性分析

某空間網殼結構，對其做線性屈曲分析（臨界失穩）和雙非線性穩定分析（幾何非線性+彈塑性），并跟ABAQUS結果進行對比，加載模式包括半跨加載和滿跨加載。

由計算結果對比可知：對于臨界失穩問題，PKPM-CAE和ABAQUS的結果幾乎完全一致，臨界失穩荷載系數誤差小于1%；對于雙非線性穩定問題，PKPM-CAE和ABAQUS的極限承載能力計算結果幾乎完全一致，其真實承載能力約為臨界失穩荷載的1/3。

3. 與國外軟件的對比

PKPM-CAE是對標國外主流仿真軟件ABAQUS/ANSYS開發的，其操作流程和主要功能均跟ABAQUS/ANSYS類似，比如都包括前處理、計算分析、后處理幾個主要操作步驟，包含完整的通用仿真分析功能、豐富的有限元單元庫和材料庫、幾何/材料/接觸等各種非線性類型以及各種廣義連接模式，支持單元生死和并行計算等。從常規使用的角度來說，PKPM-CAE跟國外軟件是一樣的，其目的就是實現通用仿真領域的國產化替代。

跟國外軟件相比，PKPM-CAE的主要優點可歸結如下：① PKPM-CAE擁有完全自主知識產權的網格劃分內核和有限元計算內核，是一款真正意義上的國產仿真軟件；② PKPM-CAE的主要計算功能、精度、效率均跟國外商用軟件（ABAQUS/ANSYS）基本相當（見本文3.1和3.2），若考慮顯卡并行計算，那么顯式動力學的計算效率能夠遠超ABAQUS；③ 對于建筑結構的大震彈塑性分析，PKPM-CAE能夠自動化完成計算分析、結果整理、報告書生成，基本實現了大震彈塑性分析全過程一鍵式傻瓜化完成；④ 擁有豐富的外部接口，能夠直接導入PKPM/YJK的結構設計模型（含配筋），并且還將根據國內用戶需求持續擴展。

跟國外軟件相比，PKPM-CAE的缺點主要體現在軟件的成熟度還不夠，這又集中體現在前處理部分：① 建模功能不夠完善，目前僅提供python腳本建模及簡單交互建模（該問題可以通過軟件接口來彌補）；② 三維網格劃分功能不夠完善，目前僅提供四面體網格劃分（六面體網格劃分正在開發中，預計年內會發布）。

3.1 與國外軟件的計算精度對比

PKPM-CAE有一套Benchmark自動測試系統，內置了近200道已經用ABAQUS或ANSYS運行過的測試算例，開發迭代過程中會確保這些算例在PKPM-CAE的計算結果跟ABAQUS或ANSYS結果基本一致。

3.2 與國外軟件的計算效率對比

從目前的測試結果來看，PKPM-CAE的隱式計算效率多數情況下高于ABAQUS（沖擊接觸這種極端非線性情況例外），顯式動力學若采用CPU并行，那么計算效率通常低于ABAQUS（約為ABAQUS的三分之一），但若采用GPU并行，那么計算效率將遠超ABAQUS。

3.3 技術服務與工程咨詢

國產通用有限元軟件除了提供軟件平臺和軟件能力，還提供優質的技術服務和工程咨詢服務。

通用有限元軟件應用難度較大，國外軟件學習成本高，企業人才培養難，企業基于通用有限元軟件開發的腳本難以沉淀。

PKPM-CAE通用有限元軟件，提供軟件+技術服務的一體化解決方案，幫助設計院快速掌握有限元仿真技術，培養有限元仿真人才，幫助設計院將復雜結構仿真工程經驗沉淀到企業工作流程當中。