一種確定結(jié)構(gòu)多尺度動(dòng)力分析中子模型尺寸的方法
【專(zhuān)利摘要】一種確定結(jié)構(gòu)多尺度動(dòng)力分析中子模型尺寸的方法，解決了大型結(jié)構(gòu)多尺度動(dòng)力分析中，子模型的尺寸大小難以準(zhǔn)確確定的問(wèn)題。該法首先建立大型結(jié)構(gòu)的整體模型，根據(jù)整體分析結(jié)果確定結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位，建立其初始子模型。進(jìn)行初始子模型的動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算，結(jié)果設(shè)為β1；將初始子模型的尺寸增加a倍建立更新子模型，其動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果設(shè)為β2；由β1和β2計(jì)算出分析結(jié)果精度的保證率δ，通過(guò)δ與所設(shè)最優(yōu)保證率的對(duì)比來(lái)最終確定計(jì)算結(jié)果的精度是否滿足要求，以及是否需要進(jìn)一步增大子模型尺寸。該法避免了大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)整體建模分析耗機(jī)耗時(shí)的問(wèn)題，提高了結(jié)構(gòu)多尺度動(dòng)力分析的建模和計(jì)算效率，確保了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，便于在廣大工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析人員中推廣應(yīng)用。
【專(zhuān)利說(shuō)明】—種確定結(jié)構(gòu)多尺度動(dòng)力分析中子模型尺寸的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種確定結(jié)構(gòu)多尺度動(dòng)力分析中子模型尺寸的方法，能夠在確保多尺度動(dòng)力分析計(jì)算效率的同時(shí)，保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，為大型復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)如橋梁、建筑結(jié)構(gòu)等的多尺度動(dòng)力時(shí)程分析提供有效手段。
【背景技術(shù)】
[0002]采用有限元方法對(duì)各類(lèi)工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜動(dòng)力分析是結(jié)構(gòu)分析的發(fā)展方向。然而近年來(lái)，橋梁跨度、建筑高度等紀(jì)錄不斷被刷新，新型復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系不斷涌現(xiàn)，這些都大大增加了結(jié)構(gòu)分析的難度。對(duì)于大型復(fù)雜土木結(jié)構(gòu)而言，采用常規(guī)有限元模擬技術(shù)還難以對(duì)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)進(jìn)行精細(xì)模擬。目前，常用的結(jié)構(gòu)有限元模型，尤其是用于抗風(fēng)抗震等動(dòng)力分析的有限元模型還是高度簡(jiǎn)化的整體結(jié)構(gòu)模型，尺度單一，無(wú)法描述和模擬構(gòu)造的細(xì)節(jié)，這樣的建模必然難以反映出結(jié)構(gòu)的真實(shí)情況，使得有限元結(jié)構(gòu)分析結(jié)果與實(shí)際真實(shí)的結(jié)果相差甚遠(yuǎn)。正因?yàn)榇?，工程學(xué)科和力學(xué)學(xué)科都將復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系的建模與精細(xì)分析作為當(dāng)前的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題之一。
[0003]為了獲得大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的精確響應(yīng)，可以在整體模型建模時(shí)即考慮構(gòu)造細(xì)節(jié)，對(duì)結(jié)構(gòu)各部位進(jìn)行有限元精細(xì)模擬，但由于模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)很大，使得該法對(duì)計(jì)算機(jī)的軟硬件性能要求均很高，而且過(guò)大的整體模型必定會(huì)導(dǎo)致計(jì)算中的出錯(cuò)概率大大增加。此外，分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的精確響應(yīng)的另一方法是對(duì)結(jié)構(gòu)整體模型和局部精細(xì)模型進(jìn)行分別建模，先建立整體結(jié)構(gòu)模型并對(duì)其進(jìn)行受力分析，然后針對(duì)關(guān)鍵部位建立精細(xì)模型，將整體分析結(jié)果作為精細(xì)模型的邊界條件，手動(dòng)施加到精細(xì)模型上進(jìn)行求解。只要精細(xì)模型的尺寸滿足要求，由圣維南原理可知，精細(xì)模型中遠(yuǎn)離邊界的響應(yīng)值則較精確的。很顯然，由于該法需要人工干預(yù)來(lái)對(duì)精細(xì)模型施加邊界條件與荷載，步驟繁瑣且容易出錯(cuò)。
[0004]多尺度模擬和分析計(jì)算是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的研究熱點(diǎn)，正逐步被證明是大型復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位精細(xì)響應(yīng)分析的有效手段，已開(kāi)始在很多領(lǐng)域包括材料科學(xué)、化學(xué)、流體力學(xué)和生物學(xué)等得到成功應(yīng)用。在大型復(fù)雜土木工程結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域，隨著結(jié)構(gòu)跨度、結(jié)構(gòu)形式和建造技術(shù)的不斷發(fā)展，其關(guān)鍵部位的精細(xì)響應(yīng)同樣需要在不同的尺度中進(jìn)行分析。目前，多尺度分析方法在土木工程領(lǐng)域也開(kāi)始了一些有益的嘗試，包括被成功用于混凝土高拱壩底孔的三維非線性受力分析、大跨度斜拉橋/懸索橋的扁平鋼箱梁的受力分析、大跨徑混凝土斜拉橋橋面板關(guān)鍵部位的精細(xì)分析等，獲得了結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的動(dòng)靜力精細(xì)響應(yīng)。然而總體而言，建立可同時(shí)描述大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)整體宏觀和局部細(xì)觀行為的多尺度動(dòng)力分析方法，以準(zhǔn)確獲取結(jié)構(gòu)在外部作用下的真實(shí)動(dòng)力響應(yīng)，尚有很長(zhǎng)的路要走。能夠考慮局部構(gòu)造細(xì)節(jié)、缺陷和損傷的大型結(jié)構(gòu)有限元建模理論與分析手段仍然比較匱乏，有待進(jìn)一步的探索和創(chuàng)新。這其中的關(guān)鍵問(wèn)題之一，就是目前尚無(wú)科學(xué)手段來(lái)確定結(jié)構(gòu)多尺度動(dòng)力分析中子模型尺寸的大小，使得子模型的尺寸通常仍然根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定。
[0005]雖然自20世紀(jì)70年代以來(lái)，結(jié)構(gòu)有限元分析技術(shù)及計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)均取得了飛速發(fā)展，一大批功能強(qiáng)大的土木領(lǐng)域常用軟件如ANSYS、ABAQUS, MIDAS、ADINA、MSC/NASTRAN和SuperSAP等應(yīng)運(yùn)而生，并得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。這些常用軟件大都自帶多尺度分析模塊，可便捷的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)多尺度動(dòng)力分析。然而，上述通用軟件同樣未涉及子模型尺寸大小的確定問(wèn)題。針對(duì)上述結(jié)構(gòu)多尺度動(dòng)力分析方法中存在的子模型尺寸大小難以準(zhǔn)確確定的問(wèn)題，有必要提供一種科學(xué)手段，使得有限元子模型即不會(huì)過(guò)大，避免重復(fù)性建模所花費(fèi)的大量時(shí)間，又不會(huì)過(guò)小，使得分析結(jié)果難以滿足精度要求，最終提升大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)多尺度動(dòng)力分析的效率及可靠性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有結(jié)構(gòu)多尺度動(dòng)力分析中，子模型尺寸尚無(wú)科學(xué)確定手段的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種確定結(jié)構(gòu)多尺度動(dòng)力分析中子模型尺寸的方法，可以有效避免大型工程結(jié)構(gòu)整體計(jì)算耗機(jī)耗時(shí)的問(wèn)題，在提升結(jié)構(gòu)動(dòng)力多尺度計(jì)算效率的同時(shí)，保證了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。
[0007]技術(shù)方案:為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種確定結(jié)構(gòu)多尺度動(dòng)力分析中合理的子模型尺寸的方法，使得在確保多尺度動(dòng)力分析結(jié)果準(zhǔn)確可靠的前提下，通過(guò)控制子模型尺寸的大小來(lái)減少計(jì)算量，
[0008]第一步:根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，建立大跨結(jié)構(gòu)的整體模型，用網(wǎng)格劃分尺度為米級(jí)的粗網(wǎng)格對(duì)大跨結(jié)構(gòu)整體模型進(jìn)行劃分，不考慮結(jié)構(gòu)局部的一些構(gòu)造細(xì)節(jié)，
[0009]第二步: 采用常用數(shù)值積分法進(jìn)行動(dòng)力反應(yīng)數(shù)值分析并求解計(jì)算，根據(jù)整體模型的計(jì)算結(jié)果，得知整體模型的薄弱部位和應(yīng)力集中部位，從而確定結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，
[0010]第三步:由結(jié)構(gòu)整體模型分析得到的內(nèi)力和位移響應(yīng)得出整體模型的薄弱部位、應(yīng)力集中部位和用戶所要求和關(guān)心的部位，將這些部位作為最終需要在整體模型中建立子模型進(jìn)行專(zhuān)門(mén)分析的結(jié)構(gòu)部位，
[0011]第四步:第三步中子模型的初始尺寸大小根據(jù)圣維南原理和結(jié)構(gòu)重要性共同確定:結(jié)構(gòu)越重要，子模型初始尺寸大小就越大，依據(jù)圣維南原理，子模型初始尺寸越大，分析結(jié)果就越精確，由此建立用于結(jié)構(gòu)多尺度動(dòng)力分析的初始子模型，
[0012]第五步:采用結(jié)構(gòu)多尺度動(dòng)力分析方法，基于初始子模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析，并采用逐步積分法進(jìn)行計(jì)算得到初始子模型的動(dòng)力響應(yīng)值，設(shè)該值為β
[0013]第六步:確定更新子模型的尺寸增大系數(shù)a，以a倍增大初始子模型尺寸，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和大跨結(jié)構(gòu)重要性可以確定增大系數(shù)a的一個(gè)范圍，結(jié)構(gòu)越重要，則增大系數(shù)a在這個(gè)范圍中取得值就越大，根據(jù)圣維南原理，整個(gè)子模型的響應(yīng)值就會(huì)越精確，
[0014]第七步:根據(jù)增大系數(shù)a重新建立子模型，基于更新子模型重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析，采用逐步積分法計(jì)算得到新建子模型的動(dòng)力響應(yīng)值，設(shè)該值為β2，并結(jié)合P1值進(jìn)行分析結(jié)果精度的保證率S計(jì)算，計(jì)算公式如公式(I)
[0015]
【權(quán)利要求】
1.一種確定結(jié)構(gòu)多尺度動(dòng)力分析中子模型尺寸的方法，其特征在于該方法包括以下步驟: 第一步:根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，建立大跨結(jié)構(gòu)的整體模型，用網(wǎng)格劃分尺度為米級(jí)的粗網(wǎng)格對(duì)大跨結(jié)構(gòu)整體模型進(jìn)行劃分，不考慮結(jié)構(gòu)局部的一些構(gòu)造細(xì)節(jié)， 第二步:采用常用數(shù)值積分法進(jìn)行動(dòng)力反應(yīng)數(shù)值分析并求解計(jì)算，根據(jù)整體模型的計(jì)算結(jié)果，得知整體模型的薄弱部位和應(yīng)力集中部位，從而確定結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位， 第三步:由結(jié)構(gòu)整體模型分析得到的內(nèi)力和位移響應(yīng)得出整體模型的薄弱部位、應(yīng)力集中部位和用戶所要求和關(guān)心的部位，將這些部位作為最終需要在整體模型中建立子模型進(jìn)行專(zhuān)門(mén)分析的結(jié)構(gòu)部位， 第四步:第三步中子模型的初始尺寸大小根據(jù)圣維南原理和結(jié)構(gòu)重要性共同確定:結(jié)構(gòu)越重要，子模型初始尺寸大小就越大，依據(jù)圣維南原理，子模型初始尺寸越大，分析結(jié)果就越精確，由此建立用于結(jié)構(gòu)多尺度動(dòng)力分析的初始子模型， 第五步:采用結(jié)構(gòu)多尺度動(dòng)力分析方法，基于初始子模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析，并采用逐步積分法進(jìn)行計(jì)算得到初始子模型的動(dòng)力響應(yīng)值，設(shè)該值為β 第六步:確定更新子模型的尺寸增大系數(shù)a，以a倍增大初始子模型尺寸，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和大跨結(jié)構(gòu)重要性可以確定增大系數(shù)a的一個(gè)范圍，結(jié)構(gòu)越重要，則增大系數(shù)a在這個(gè)范圍中取得值就越大，根據(jù)圣維南原理，整個(gè)子模型的響應(yīng)值就會(huì)越精確， 第七步:根據(jù)增大系數(shù)a重新建立子模型，基于更新子模型重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析，采用逐步積分法計(jì)算得到新建子模型的動(dòng)力響應(yīng)值，設(shè)該值為β2，并結(jié)合^值進(jìn)行分析結(jié)果精度的保證率δ計(jì)算，計(jì)算公式如公式(I)
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的確定結(jié)構(gòu)多尺度動(dòng)力分析中子模型尺寸的方法，其特征在于第五步所述的結(jié)構(gòu)多尺度動(dòng)力分析方法中，需在第四步確定初始子模型的大小后，先根據(jù)第二步整體模型計(jì)算結(jié)果，由整體模型相應(yīng)位置的節(jié)點(diǎn)位移和應(yīng)力邊界條件進(jìn)行插值，以此確定整體模型和子模型交界面的耦合條件，作為整體模型和子模型的銜接處理，并將作用在子模型上的荷載單獨(dú)施加，同樣采用結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析中的逐步積分法計(jì)算出初始子模型的動(dòng)力響應(yīng)值，并賦值為β:。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的確定結(jié)構(gòu)多尺度動(dòng)力分析中子模型尺寸的方法，其特征在于第八步所述的分析結(jié)果精度的保證率δ驗(yàn)算中，若計(jì)算保證率δ不能達(dá)到用戶預(yù)先設(shè)定的保證率時(shí)，則需要在整體模型中增大建立子模型的區(qū)段；把本次計(jì)算所用更新子模型作為下一步計(jì)算的初始子模型，先把β2賦值給，再重復(fù)第六步和第八步的過(guò)程，計(jì)算中增大系數(shù)a無(wú)需再次確定，直到計(jì)算出的保證率δ不大于用戶預(yù)先設(shè)定的保證率值，則確定該更新子模型作為最終用于計(jì)算的子模型，同時(shí)確定了最終子模型的尺寸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的確定結(jié)構(gòu)多尺度動(dòng)力分析中子模型尺寸的方法，其特征在于所述的數(shù)值積分法包括中心差分法、Newmark-β法、Wilson- Θ法、線性加速度法和平均常加速度法。`
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK103761402SQ201410051516
【公開(kāi)日】2014年4月30日 申請(qǐng)日期:2014年2月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月14日
【發(fā)明者】王浩, 王春峰, 陶天友 申請(qǐng)人:東南大學(xué)