sap2000到abaqus模型轉換的關鍵技術

sap2000到abaqus模型轉換的關鍵技術

0面能力及前處理建模復雜abaqus在復雜高層結構和大領域結構動態(tài)波的分析方面能力突出，但其預處理建模復雜。相比之下，sp2000作為一個主要的結構面分析軟件，其集成的前處理功能更為強大，尤其是在大領域結構分析中。1基于abaqus的程序開發(fā)模型轉換程序采用面向對象的系統(tǒng)開發(fā)技術,以AutoCAD作為圖形處理平臺,利用ObjectArx工具、VS2008平臺和/C++語言開發(fā)。程序通過讀取SAP2000導出的S2K文件,轉換生成ABAQUS可讀的INP文件,開發(fā)流程和操作界面如圖1和圖2所示。程序實現(xiàn)的功能主要如下:1)轉換材料、截面及各類單元的幾何信息;2)轉換節(jié)點約束和節(jié)點束縛等邊界條件;3)轉換指定荷載為節(jié)點集中質量;4)轉換用戶分組信息,用戶分組信息補充定義;5)模型可視化編輯和修改;6)網格劃分及模型檢查;7)輸出ABAQUS模型INP文件。2關鍵技術2.1單元類型的轉化對于單元的選取,應根據不同的構件類型選取不同的單元。其中對梁柱單元,ABAQUS提供了B31,B32和B33三種空間單元,其中前兩種是Timoshenko梁,最后一種是歐拉梁。在大型復雜空間結構動力計算中,B33單元經常難以收斂,且計算速度相對較慢對于連接單元和剛體束縛(Body和Weld),選用ABAQUS中的Conn3d2單元進行模擬。對于剪力墻及樓板單元,采用ABAQUS提供的殼單元S4r和S3r來模擬,S4r單元性能穩(wěn)定,而S3r作為通用殼單元,適用范圍廣。采用兩種單元結合的方式可以模擬形狀具有復雜形狀的剪力墻或樓板。在SAP2000中支持4節(jié)點以上的面單元,多邊形面單元導入后將通過網格劃分功能轉化為3節(jié)點和4節(jié)點單元。對于結構荷載,在進行動力彈塑性分析時等效為節(jié)點集中質量,在ABAQUS中通過*Mass實現(xiàn)。確定單元選取后,SAP2000與ABAQUS模型信息關鍵字映射見表1。2.2sd截面的組成SAP2000提供了截面設計器,用戶可定義任意形狀的截面。通過截面設計器定義的截面簡稱SD截面,SD截面可以由同一種材料構成,也可以是組合截面,其截面數(shù)據被分散保存在多個Table數(shù)據表中。轉換程序采用基于截面的等效纖維法來模擬鋼筋混凝土梁柱構件,即將鋼筋等效為箱形或圓管形鋼梁,并通過共節(jié)點的方法實現(xiàn)混凝土與鋼梁之間的共同作用2.3軸向位移剛度和沿軸轉動剛度SAP2000中連接單元的兩個節(jié)點分別為主節(jié)點和從節(jié)點,同時包含3個軸向位移剛度和3個沿軸轉動的轉動剛度值。模型轉換時須保持主、從節(jié)點的先后關系,軸向位移剛度和轉動剛度在ABAQUS中用*ConnectorElasticity表達。2.4節(jié)點束縛模擬SAP2000使用節(jié)點束縛的基本功效是為了限制結構中某些節(jié)點之間的相對自由度,建筑結構中常用的節(jié)點束縛類型有Body(體)、Diaphragm(隔板)和Weld(拼接)。束縛將所有節(jié)點按同一類型剛體一起運動,會耦合旋轉和平動自由度。所有束縛的節(jié)點是剛體行為,好像與被剛性連接類似所連接。與SAP2000具有自動邊束縛功能不同的是,ABAQUS需要人為指定相關節(jié)點的自由度耦合,節(jié)點束縛的準確模擬是模型轉換準確的關鍵因素之一。Body束縛:當節(jié)點數(shù)N=2時,直接等效為約束對應自由度的連接單元,默認取z坐標較小的節(jié)點為主節(jié)點;當節(jié)點數(shù)N>2時,對約束的節(jié)點坐標按z坐標排序,z坐標最小的定義為連接單元主節(jié)點,主節(jié)點與剩余(N-1)節(jié)點逐個連接生成(N-1)個連接單元。導入后亦可修改連接單元主、從節(jié)點順序。Weld束縛:實際為指定容差的Body組成,內部為相鄰的(小于指定距離容差)一組節(jié)點生成一個獨立的Body束縛。導入時,轉換程序通過對節(jié)點數(shù)組循環(huán),按容差分類為若干個Body束縛點數(shù)組。即將Weld按容差分解為一個或多個Body,再將Body統(tǒng)一轉化為連接單元導入。圖5(a)為SAP2000中一分叉樹結構,節(jié)點1~9均施加了一節(jié)點束縛Body,導入后轉換程序通過坐標判定節(jié)點1為主節(jié)點,然后由節(jié)點1依次發(fā)散至其他8個節(jié)點生成8個連接單元。轉換生成的ABAQUS模型中連接單元如圖5(b)所示,方形標記為主節(jié)點,三角形標記為對應的8個從節(jié)點。3工程實例的演示3.1框架平臺層和鋼結構網架屋蓋結構模型某航站樓中央大廳部分,結構長391m,寬242m,高25m,結構可大致分為混凝土框架平臺層和鋼結構網架屋蓋,結構模型如圖6所示。表2列出了某航站樓中央大廳模型轉換前后質量和周期對比結果,圖7列舉出了前3階振型圖。從對比結果可知,兩軟件模型的結構質量基本一致,結構前5階周期吻合較好,結構動力特性相近,通過轉換程序生成的模型準確且可靠。3.2模型轉換前后質量變化對比火車站長306m,寬201m,高43.6m,結構可大致分為下部混凝土結構+上部大跨度空間鋼結構,體型龐大且復雜,結構模型見圖8。模型中截面種類包括矩形、環(huán)形、工字形、箱形、鋼管混凝土、十字型鋼混凝土等。構件類型包括梁柱、剪力墻、樓板,分縫處采用Weld單元連接,是用SAP2000設計分析的典型結構。表3列出了某大跨度空間結構火車站模型轉換前后質量和周期對比結果,圖9列舉出了前3階振型圖。由對比表3和圖8可知,兩個模型的結構質量基本一致,結構前5階周期吻合較好,結構動力特性基本相同,通過轉換程序生成的模型準確且可靠,滿足工程應用要求。4算例驗證和關鍵技術針對高層結構和大跨度復雜空間結構在ABAQUS中建模的復雜性,研發(fā)了從SAP2000到ABAQUS的模型轉換程序,并通過算例對程序進行了驗證,表明了模型轉換程序具有較好的通用