sap2000到abaqus模型轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵技術(shù)

sap2000到abaqus模型轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵技術(shù)

0面能力及前處理建模復(fù)雜abaqus在復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)和大領(lǐng)域結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)波的分析方面能力突出，但其預(yù)處理建模復(fù)雜。相比之下，sp2000作為一個(gè)主要的結(jié)構(gòu)面分析軟件，其集成的前處理功能更為強(qiáng)大，尤其是在大領(lǐng)域結(jié)構(gòu)分析中。1基于abaqus的程序開發(fā)模型轉(zhuǎn)換程序采用面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)開發(fā)技術(shù),以AutoCAD作為圖形處理平臺(tái),利用ObjectArx工具、VS2008平臺(tái)和/C++語言開發(fā)。程序通過讀取SAP2000導(dǎo)出的S2K文件,轉(zhuǎn)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?qū)崿F(xiàn)的功能主要如下:1)轉(zhuǎn)換材料、截面及各類單元的幾何信息;2)轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)約束和節(jié)點(diǎn)束縛等邊界條件;3)轉(zhuǎn)換指定荷載為節(jié)點(diǎn)集中質(zhì)量;4)轉(zhuǎn)換用戶分組信息,用戶分組信息補(bǔ)充定義;5)模型可視化編輯和修改;6)網(wǎng)格劃分及模型檢查;7)輸出ABAQUS模型INP文件。2關(guān)鍵技術(shù)2.1單元類型的轉(zhuǎn)化對(duì)于單元的選取,應(yīng)根據(jù)不同的構(gòu)件類型選取不同的單元。其中對(duì)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(fù)雜空間結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算中,B33單元經(jīng)常難以收斂,且計(jì)算速度相對(duì)較慢對(duì)于連接單元和剛體束縛(Body和Weld),選用ABAQUS中的Conn3d2單元進(jìn)行模擬。對(duì)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(jié)合的方式可以模擬形狀具有復(fù)雜形狀的剪力墻或樓板。在SAP2000中支持4節(jié)點(diǎn)以上的面單元,多邊形面單元導(dǎo)入后將通過網(wǎng)格劃分功能轉(zhuǎn)化為3節(jié)點(diǎn)和4節(jié)點(diǎn)單元。對(duì)于結(jié)構(gòu)荷載,在進(jìn)行動(dòng)力彈塑性分析時(shí)等效為節(jié)點(diǎn)集中質(zhì)量,在ABAQUS中通過*Mass實(shí)現(xiàn)。確定單元選取后,SAP2000與ABAQUS模型信息關(guān)鍵字映射見表1。2.2sd截面的組成SAP2000提供了截面設(shè)計(jì)器,用戶可定義任意形狀的截面。通過截面設(shè)計(jì)器定義的截面簡稱SD截面,SD截面可以由同一種材料構(gòu)成,也可以是組合截面,其截面數(shù)據(jù)被分散保存在多個(gè)Table數(shù)據(jù)表中。轉(zhuǎn)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(gòu)件,即將鋼筋等效為箱形或圓管形鋼梁,并通過共節(jié)點(diǎn)的方法實(shí)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(zhuǎn)動(dòng)剛度SAP2000中連接單元的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)分別為主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn),同時(shí)包含3個(gè)軸向位移剛度和3個(gè)沿軸轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度值。模型轉(zhuǎn)換時(shí)須保持主、從節(jié)點(diǎn)的先后關(guān)系,軸向位移剛度和轉(zhuǎn)動(dòng)剛度在ABAQUS中用*ConnectorElasticity表達(dá)。2.4節(jié)點(diǎn)束縛模擬SAP2000使用節(jié)點(diǎn)束縛的基本功效是為了限制結(jié)構(gòu)中某些節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)自由度,建筑結(jié)構(gòu)中常用的節(jié)點(diǎn)束縛類型有Body(體)、Diaphragm(隔板)和Weld(拼接)。束縛將所有節(jié)點(diǎn)按同一類型剛體一起運(yùn)動(dòng),會(huì)耦合旋轉(zhuǎn)和平動(dòng)自由度。所有束縛的節(jié)點(diǎn)是剛體行為,好像與被剛性連接類似所連接。與SAP2000具有自動(dòng)邊束縛功能不同的是,ABAQUS需要人為指定相關(guān)節(jié)點(diǎn)的自由度耦合,節(jié)點(diǎn)束縛的準(zhǔn)確模擬是模型轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確的關(guān)鍵因素之一。Body束縛:當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)N=2時(shí),直接等效為約束對(duì)應(yīng)自由度的連接單元,默認(rèn)取z坐標(biāo)較小的節(jié)點(diǎn)為主節(jié)點(diǎn);當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)N>2時(shí),對(duì)約束的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)按z坐標(biāo)排序,z坐標(biāo)最小的定義為連接單元主節(jié)點(diǎn),主節(jié)點(diǎn)與剩余(N-1)節(jié)點(diǎn)逐個(gè)連接生成(N-1)個(gè)連接單元。導(dǎo)入后亦可修改連接單元主、從節(jié)點(diǎn)順序。Weld束縛:實(shí)際為指定容差的Body組成,內(nèi)部為相鄰的(小于指定距離容差)一組節(jié)點(diǎn)生成一個(gè)獨(dú)立的Body束縛。導(dǎo)入時(shí),轉(zhuǎn)換程序通過對(duì)節(jié)點(diǎn)數(shù)組循環(huán),按容差分類為若干個(gè)Body束縛點(diǎn)數(shù)組。即將Weld按容差分解為一個(gè)或多個(gè)Body,再將Body統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為連接單元導(dǎo)入。圖5(a)為SAP2000中一分叉樹結(jié)構(gòu),節(jié)點(diǎn)1~9均施加了一節(jié)點(diǎn)束縛Body,導(dǎo)入后轉(zhuǎn)換程序通過坐標(biāo)判定節(jié)點(diǎn)1為主節(jié)點(diǎn),然后由節(jié)點(diǎn)1依次發(fā)散至其他8個(gè)節(jié)點(diǎn)生成8個(gè)連接單元。轉(zhuǎn)換生成的ABAQUS模型中連接單元如圖5(b)所示,方形標(biāo)記為主節(jié)點(diǎn),三角形標(biāo)記為對(duì)應(yīng)的8個(gè)從節(jié)點(diǎn)。3工程實(shí)例的演示3.1框架平臺(tái)層和鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)模型某航站樓中央大廳部分,結(jié)構(gòu)長391m,寬242m,高25m,結(jié)構(gòu)可大致分為混凝土框架平臺(tái)層和鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架屋蓋,結(jié)構(gòu)模型如圖6所示。表2列出了某航站樓中央大廳模型轉(zhuǎn)換前后質(zhì)量和周期對(duì)比結(jié)果,圖7列舉出了前3階振型圖。從對(duì)比結(jié)果可知,兩軟件模型的結(jié)構(gòu)質(zhì)量基本一致,結(jié)構(gòu)前5階周期吻合較好,結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性相近,通過轉(zhuǎn)換程序生成的模型準(zhǔn)確且可靠。3.2模型轉(zhuǎn)換前后質(zhì)量變化對(duì)比火車站長306m,寬201m,高43.6m,結(jié)構(gòu)可大致分為下部混凝土結(jié)構(gòu)+上部大跨度空間鋼結(jié)構(gòu),體型龐大且復(fù)雜,結(jié)構(gòu)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(gòu)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(shè)計(jì)分析的典型結(jié)構(gòu)。表3列出了某大跨度空間結(jié)構(gòu)火車站模型轉(zhuǎn)換前后質(zhì)量和周期對(duì)比結(jié)果,圖9列舉出了前3階振型圖。由對(duì)比表3和圖8可知,兩個(gè)模型的結(jié)構(gòu)質(zhì)量基本一致,結(jié)構(gòu)前5階周期吻合較好,結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性基本相同,通過轉(zhuǎn)換程序生成的模型準(zhǔn)確且可靠,滿足工程應(yīng)用要求。4算例驗(yàn)證和關(guān)鍵技術(shù)針對(duì)高層結(jié)構(gòu)和大跨度復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)在ABAQUS中建模的復(fù)雜性,研發(fā)了從SAP2000到ABAQUS的模型轉(zhuǎn)換程序,并通過算例對(duì)程序進(jìn)行了驗(yàn)證,表明了模型轉(zhuǎn)換程序具有較好的通用