MIDAS企業(yè)管理知識培訓(xùn)資料

1、MIDAS 培訓(xùn)資料第一章 關(guān)于MIDAS/Civil1.1 midas軟件/Civil簡介MIDAS系列軟件是以有限元為理論基礎(chǔ)開發(fā)的分析和設(shè)計軟件。早在1989年韓國浦項集團(tuán)成立CAD/CAE研發(fā)機(jī)構(gòu)開始專門研發(fā)MIDAS系列軟件，于2000年9月正式成立Information Technology Co., Ltd.(簡稱MIDAS IT)。目前MIDAS系列軟件包含建筑（Gen），橋梁(Civil)，巖土隧道(GTS)，機(jī)械(MEC)，基礎(chǔ)(SDS)，有限元網(wǎng)格劃分(FX+)等多種軟件。在計算機(jī)技術(shù)方面，MIDAS/Civil所使用的是客體指向性計算機(jī)語言Visual C+，因此可以充

2、分地使32bit視窗環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)得到發(fā)揮。以用戶為中心的輸入輸出功能使用的是精確而且直觀的用戶界面和尖端的電腦圖形技術(shù)，從而為考慮施工階段或者材料時間依存性的土木建筑物的建模和分析提供了很大的便利。在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，MIDAS/Civil全面強(qiáng)化了實際工作中結(jié)構(gòu)分析所需要的分析功能。通過在已有的有限元庫中加入索單元、鉤單元、間隙單元等非線性要素，結(jié)合施工階段、時間依存性、幾何非線性等最新結(jié)構(gòu)分析理論，從而計算出更加準(zhǔn)確的和切合實際的分析結(jié)果。建模技術(shù)采用的是自行開發(fā)的新概念CAD形式的建模技術(shù)，可以更加提高建模效率。特別是由于擁有如橋梁建模助手等高效自動化建模功能，所以只要輸入截面形狀、橋梁

3、特點(diǎn)、預(yù)應(yīng)力橋的鋼束位置等基本數(shù)據(jù)，就可以自動建立橋梁模型以及施工階段的各種數(shù)據(jù)。懸索橋完成系模型為青潭大橋的抗震設(shè)計所進(jìn)行的特征值分析棧橋模型墩柱靜力分析1.2 MIDAS/Civil的適用領(lǐng)域MIDAS/Civil的適用領(lǐng)域如下。􀂾 所有形式的橋梁分析與設(shè)計鋼筋混凝土橋、鋼橋、聯(lián)合梁橋、預(yù)應(yīng)力橋、懸索橋、斜張橋􀂾 大體積混凝土的水化熱分析橋臺、橋墩、防波堤、地鐵、其它基礎(chǔ)建筑􀂾 地下建筑的分析地鐵、通信電纜管道、上下水處理設(shè)施、隧道􀂾 發(fā)電站及工業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計發(fā)電站、鐵塔、壓力容器、水塔等􀂾 其它國家

4、基礎(chǔ)建設(shè)結(jié)構(gòu)設(shè)計飛機(jī)場、大壩、港灣等1.3 MIDAS/Civil的特點(diǎn)*提供菜單交互式、表格輸入、導(dǎo)入CAD等靈活多樣的建模功能。*提供剛構(gòu)橋、板型橋、箱梁橋、頂推法橋梁、懸臂法橋梁、移動支架/滿堂支架法橋梁、懸索橋、斜拉橋的建模助手。*提供中國、美國、英國、德國、歐洲、日本、韓國等國家的材料和截面數(shù)據(jù)庫，以及混凝土收縮和徐變規(guī)范和移動何在規(guī)范。*提供桁架、一般梁/邊截面梁、平面應(yīng)力/平面應(yīng)變、只受拉/只受壓、鉤、索、板、實體單元等工程實際時所需的各種有限元模型。*提供靜力分析、動力分析、靜/動力彈塑性分析、幾何非線形分析、優(yōu)化索力、屈曲分析、移動荷載分析（影響線/影響面分析）、支座沉降分析

5、、施工階段分析、聯(lián)合截面施工階段分析等功能。*在后處理中，可以根據(jù)設(shè)計規(guī)范自動生成荷載組合，也可以添加和修改荷載組合。*可以輸出各種反力、位移、內(nèi)力和應(yīng)力的圖形、表格和文本。*可在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析后對多種形式的梁、柱截面進(jìn)行設(shè)計和驗算。 1.4 分析框圖1.5 操作界面第二章 土木結(jié)構(gòu)分析2.1 MIDAS/Civil 中的數(shù)值分析模型結(jié)構(gòu)分析模型是由節(jié)點(diǎn)、單元及邊界條件三要素所構(gòu)成的。其中，節(jié)點(diǎn)是用來確定構(gòu)件的位置；單元是用分析模型數(shù)據(jù)表達(dá)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的元素，它是由連續(xù)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件按有限元法劃分而成的；邊界條件是用來表達(dá)所研究的對象結(jié)構(gòu)與相鄰的結(jié)構(gòu)之間的連接方式。所謂的結(jié)構(gòu)分析就是為了研究結(jié)構(gòu)的力學(xué)性

6、能，建立結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析模型，利用假定的外部環(huán)境作用，對數(shù)學(xué)模型作理論性的實驗分析的總過程。在結(jié)構(gòu)分析時，需要準(zhǔn)確的表現(xiàn)結(jié)構(gòu)的特性和結(jié)構(gòu)所處的外部環(huán)境。其中外部環(huán)境主要就是指荷載因素?？赏ㄟ^規(guī)范或者一些現(xiàn)有的統(tǒng)計資料得到。但是，要想把握好結(jié)構(gòu)的特性，充分地了解結(jié)構(gòu)的受力性能，則不是一件非常簡單的事情。它將直接影響到結(jié)構(gòu)的受力分析結(jié)果。因此，作結(jié)構(gòu)分析時必須充分細(xì)致的了解實際結(jié)構(gòu)的材料特性，掌握結(jié)構(gòu)的變形能力即剛度，選擇合理的有限計算單元，使得計算結(jié)構(gòu)模型同實際結(jié)構(gòu)相接近，使計算結(jié)果同實際結(jié)構(gòu)相符合。但是，通常結(jié)構(gòu)的形狀是復(fù)雜的，而且很難精確地把握其材料的物理特性。要想把結(jié)構(gòu)的剛度（即變形能力）和

7、質(zhì)量精確地反映到計算結(jié)構(gòu)模型上，將會花去很大的精力和時間，有時有可能帶來事倍功半的效果。因此，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時，在不破壞整體結(jié)構(gòu)特征的前提下，必須做到簡化、調(diào)整計算結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，使得用最少的投入，得到最佳的結(jié)果。例如，對橋梁的主梁建立數(shù)學(xué)模型時，不使用板形單元（平面應(yīng)力單元或板單元），而采用線形單元（桁架單元或梁單元）時，不但縮短結(jié)構(gòu)分析時間，而且更便于作結(jié)構(gòu)設(shè)計。所謂的有限元（Finite Element)就是用分析模型數(shù)據(jù)表達(dá)結(jié)構(gòu)構(gòu)件特性的元素，它是由連續(xù)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件按有限元法劃分而成的。它必須充分的反映結(jié)構(gòu)受力特性，但通常很難做到用數(shù)學(xué)的方法完整地反映出實際結(jié)構(gòu)固有的特性。因此，作為用戶必

8、須充分地了解實際結(jié)構(gòu)的受力性能，掌握好各種有限單元的力學(xué)特性，以便較好的選擇有限單元，正確地做到結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計。2.2 坐標(biāo)系和節(jié)點(diǎn)MIDAS/Civil 軟件使用如下幾個坐標(biāo)系系統(tǒng)。. 全局坐標(biāo)系 (Global Coordinate System). 單元坐標(biāo)系 (Element Coordinate System). 節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系 (Node local Coordinate System)全局坐標(biāo)系是由X 、Y 、Z 三軸滿足右手螺旋法則的空間直角坐標(biāo)系(Conventional Cartesian Coordinate System)，用大寫X、Y、Z 表示三個軸的方向。 通常利用該坐

9、標(biāo)系表達(dá)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、節(jié)點(diǎn)位移、節(jié)點(diǎn)反力及相關(guān)于節(jié)點(diǎn)的其它輸入數(shù)據(jù)。全局坐標(biāo)系是用來確定所分析對象結(jié)構(gòu)空間位置的坐標(biāo)系統(tǒng)。啟動MIDAS/Civil軟件，在系統(tǒng)界面視窗區(qū)，將自動生成基準(zhǔn)點(diǎn) (Reference Point) 即全局坐標(biāo)系的原點(diǎn)X=0、Y=0、Z=0 和全局坐標(biāo)系統(tǒng)。其中Z 軸的方向平行于重力加速度方向并與其反向。因此利用軟件建立結(jié)構(gòu)的計算模型時，建議做到結(jié)構(gòu)的垂直方向與全局坐標(biāo)系的Z 軸平行建模，將有利于結(jié)構(gòu)分析。單元坐標(biāo)系也是由x、y、z 三軸滿足右手螺旋法則的空間直角坐標(biāo)系統(tǒng)，可用小寫x、y、z 表示三個軸的方向。通常利用該坐標(biāo)系表達(dá)單元內(nèi)力、單元應(yīng)力及相關(guān)于單元的其它輸入數(shù)

10、據(jù)。結(jié)構(gòu)端部節(jié)點(diǎn)的約束（支撐）方向、彈簧支撐方向及節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)制位移方向同全局坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸方向不相吻合時，通常采用節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系。節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系也是由x、y、z 三軸滿足右手螺旋法則的空間直角坐標(biāo)系統(tǒng)，可用小寫x、y、z 表示三個軸的方向。全局坐標(biāo)系和節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)2.3 單元種類及主要考慮事項MIDAS/Civil 使用以下幾種單元類型。􀂾 桁架單元 (Truss Element)􀂾 只受拉單元 (Tension-only Element, 包含Hook 功能)􀂾 索單元 (Cable Element)􀂾 只受壓單元 (Compress

11、ion-only Element, 包含Gap 功能)􀂾 梁單元/變截面梁單元 (Beam Element/Tapered Beam Element)􀂾 平面應(yīng)力單元 (Plane Stress Element)􀂾 板單元 (Plate Element)􀂾 平面應(yīng)變單元 (2D Plane Strain Element)􀂾 平面軸對稱單元 (2D Axisymmetric Element)􀂾 空間單元 (Solid Element)輸入有限單元就是輸入相關(guān)于單元的種類、材料特性、剛度大小

12、的數(shù)據(jù)和輸入確定單元位置、形狀和大小的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的過程。2.3.1 桁架單元(Truss Element)􀀟 一般事項由2 個節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的桁架單元是屬于“單向受拉-受壓的三維線性單元(Uniaxial Tension-Compression 3D Line Element)”，它只能傳遞軸向的拉力和壓力。通常利用該單元做空間桁架結(jié)構(gòu)(Space Truss) 或交叉支撐結(jié)構(gòu)(Diagonal Brace)的受力分析。􀀟 單元自由度和單元坐標(biāo)系桁架單元的兩端各有一個沿單元坐標(biāo)系的x 軸方向的位移，它具有兩個自由度。單元坐標(biāo)系是單元的內(nèi)力及單元的應(yīng)力輸出的基準(zhǔn)。在梁

13、單元上，單元的抗剪剛度和抗彎剛度輸入方向依據(jù)單元坐標(biāo)系。所以在做結(jié)構(gòu)分析時必須正確地理解單元坐標(biāo)系的概念。對于桁架單元、只受拉單元及只僅受壓單元等只具有軸向剛度的單元而言，只有單元坐標(biāo)系的x 軸有意義，它是確定結(jié)構(gòu)變形的基準(zhǔn)，但利用y、z 軸可確定桁架截面在視窗上的方向 。為便于用戶使用MIDAS/Civil 軟件，通常可利用 角 來表示單元坐標(biāo)系的 y,z 軸方向。線性單元的單元坐標(biāo)系里，x 軸的方向?qū)⑵叫杏诠?jié)點(diǎn)N1 和節(jié)點(diǎn)N2 的連線方向（參照下圖） 如果，單元坐標(biāo)系的x 軸平行于全局坐標(biāo)系的Z 軸， 角是全局坐標(biāo)系X 軸與單元坐標(biāo)系z 軸件的夾角。該角度的正負(fù)符號是，以單元坐標(biāo)系的x 軸

14、為旋轉(zhuǎn)軸依據(jù)右手螺旋法則來確定。 如果單元坐標(biāo)系的x 軸與全局坐標(biāo)系的Z 軸不相互平行時， 角是全局坐標(biāo)系的Z 軸與單元坐標(biāo)系的x-z 軸所構(gòu)成的平面間的夾角。 角概念單元內(nèi)力輸出單元的輸出內(nèi)力符號見圖1.3 所示，圖中以箭頭指示方向為正“+”。桁架單元的單元坐標(biāo)系及單元的輸出內(nèi)力（應(yīng)力）符號規(guī)定2.3.2 梁單元（Beam Element）􀀟 一般事項這是由2 個節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的，是屬于“等截面或變截面三維梁單元(Prismatic/Nonprismatic3D Beam Element)”，它具有拉、壓、剪、彎、扭的變形剛度(依據(jù)Timoshenko Beam Theory)。

15、當(dāng)梁截面面積沿長度范圍內(nèi)不發(fā)生變化(Prismatic Beam Element)時，把一個截面面積(Section)輸入到對話窗口；當(dāng)梁截面面積沿長度范圍內(nèi)發(fā)生變化(Non-Prismatic Beam Element)時，把梁兩端的兩個截面面積輸入到對話窗口。利用MIDASI/Civil 軟件分析變截面梁時，截面面積、有效抗剪截面及截面的抗扭剛度都看作是x 軸方向的線性函數(shù)(Linear Variation)。而橫截面面積對該截面的主軸計算的截面慣性矩，按用戶選擇的不同，沿x 軸方向可以形成為1 次、2次、3 次性函數(shù)。􀀟 單元自由度及單元坐標(biāo)系無論是在單元坐標(biāo)系還是在全

16、局坐標(biāo)系里，梁單元的每一個節(jié)點(diǎn)都具有三個方向的線性移動位移和三個方向的旋轉(zhuǎn)位移，因而每一個節(jié)點(diǎn)具有6 個自由度。梁單元坐標(biāo)系與桁架單元具有相同的坐標(biāo)系。􀀟相關(guān)功能Create Elements 輸入計算單元Material 輸入材料的物理特性Section 輸入截面特性Beam End Release 確定兩節(jié)點(diǎn)的連接方式（釋放梁端約束，剛結(jié)及鉸接等）Beam End Offsets 輸入梁端偏心距離Element Beam Loads 輸入梁荷載 （作用于梁上的集中及均布荷載）Line Beam Loads 確定加荷范圍并輸入線荷載Assign Floor Loads 將樓

17、板荷載轉(zhuǎn)換成梁荷載來輸入Prestress Beam Loads 輸入預(yù)應(yīng)力荷載值Temperature Gradient 輸入溫度梯度􀀟 單元內(nèi)力輸出輸出的單元內(nèi)力符號如圖1.9 所示，箭頭指向為正（+）。構(gòu)件應(yīng)力的正負(fù)號規(guī)定與單元內(nèi)力符號規(guī)定相同。但在彎矩作用下截面上產(chǎn)生應(yīng)力時，則以受拉為正、受壓為負(fù)來規(guī)定其符號。* 輸出的內(nèi)力是以箭頭指向為正（+）。梁單元的單元坐標(biāo)系及單元內(nèi)力（或應(yīng)力）符號規(guī)定2.3.3板單元 （Plate Element)􀀟一般事項此本單元是由同一平面上的3 到4 個節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的平板單元（Plate Element)，在工程中可以利用

18、它解決平面張拉、平面壓縮、平面剪切及平板沿厚度方向的彎曲剪切等結(jié)構(gòu)問題。MIDAS/Civil 軟件所采用的板單元，根據(jù)平面外剛度不同可以把單元劃分成薄板單元 DKT、DKQ(Discrete Kichhoff Element)和厚板單元DKMT、DKMQ(DiscreteKirchhoff-Mindlin Element)兩種。其中，根據(jù)Kirchhoff Plate Theory 理論開發(fā)了薄板單元；依據(jù)Mindlin-Reissner Plate Theory 理論開發(fā)了厚板單元。由于板單元考慮了局部的橫向剪切應(yīng)力的影響，因此對于薄板單元或厚板單元都能計算出比較準(zhǔn)確的結(jié)果。對三角形板單元

19、，利用線性應(yīng)變?nèi)切卫碚揕ST(Linear Strain Triangle)公式化了板單元的平面內(nèi)剛度。對四邊形板單元， 利用了等參數(shù)平面應(yīng)力理論(Isoparametric Plane Stress Formulation with Incompatible Modes)公式化了單元的平面內(nèi)剛度。輸入板厚的方式有兩種，一是為計算平面內(nèi)的剛度(In-plane Stiffness)輸入板厚，另一是為計算平面外的剛度(Out-of-Plane-Stiffness)輸入板厚。當(dāng)計算結(jié)構(gòu)的自重或質(zhì)量時軟件自動取用前者數(shù)據(jù)。如果用戶只輸入了計算平面外剛度的厚度時，軟件取用該值。􀀟單

20、元自由度及單元坐標(biāo)系板單元的自由度是以單元坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，每個節(jié)點(diǎn)具有x、y、z 軸方向的移動的線性位移自由度和繞x、y 軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)位移自由度。單元坐標(biāo)系是由x、y、z 三軸構(gòu)成的，滿足右手螺旋法則的空間直角坐標(biāo)系。單元坐標(biāo)系的方向類似于平面應(yīng)力單元的坐標(biāo)系統(tǒng)。􀀟單元相關(guān)功能Create Elements 輸入單元Material 輸入材料的物理特性Thickness 輸入單元厚度Pressure Loads 輸入沿單元變長分布的受壓荷載值Temperature Gradient 輸入溫度梯度四邊形單元的單元坐標(biāo)系三角形單元的單元坐標(biāo)系􀀟單元內(nèi)力輸出按以下方

21、式輸出平板單元的單元內(nèi)力及應(yīng)力，其符號及方向依據(jù)單元坐標(biāo)系或整體坐標(biāo)系。下面以單元坐標(biāo)系為基準(zhǔn)對其說明。􀂾 節(jié)點(diǎn)單元內(nèi)力輸出􀂾 節(jié)點(diǎn)和單元中心處上輸出單位長度內(nèi)力􀂾 節(jié)點(diǎn)及單元中心處輸出截面上部和截面下部的應(yīng)力節(jié)點(diǎn)的單元內(nèi)力是該節(jié)點(diǎn)的位移乘以該節(jié)點(diǎn)的剛度而得到。節(jié)點(diǎn)和單元中心處的單位長度內(nèi)力有平面內(nèi)內(nèi)力和平面外內(nèi)力。這些內(nèi)力可以按計算點(diǎn)處的應(yīng)力對厚度積分方式計算。在對鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計時可以有效地利用單元的單位長度內(nèi)力值。節(jié)點(diǎn)和單元中心的應(yīng)力是把在該單元積分點(diǎn)上(Gauss Point)應(yīng)力按外推法(Extrapolation)推算而得到。􀂾 單元內(nèi)力輸出輸出的單元內(nèi)力符號規(guī)定見圖1.28 所示，其中箭頭指向為正（+）。􀂾 單位長度上單元內(nèi)力輸出在節(jié)點(diǎn)和單元中心處，單位長度內(nèi)力符號規(guī)定見圖1.29 所示，其中箭頭指向為正（+）。􀂾 單元應(yīng)力輸出在節(jié)點(diǎn)和單元中心處，輸出的單元應(yīng)力可分為