1、 硕士学位论文 高层钢筋混凝土结构 ABAQUS 参数化建模方法 PARAMETRIC MODELING METHOD IN ABAQUS FOR HIGHRISE RC STRUCTURE 李江波 哈尔滨工业大学 2011 年 6 月 国内图书分类号： TU355 学校代码： 10213 国际图书分类号： 624 密级：公开 工学硕士学位论文 高层钢筋混凝土结构 ABAQUS 参数化建模方法 硕士研究生 ：李江波 导 师 ：滕军教授 申请学位 ：工学硕士 学科：土木工程 所 在 单 位 ：深圳研究生院 答 辩 日 期 ： 2011 年 6 月 授予学位单位 ：哈尔滨工业大学 Classifi
2、ed Index: TU355 U.D.C: 624 Dissertation for the Masters Degree in Engineering PARAMETRIC MODELING METHOD IN ABAQUS FOR HIGHRISE RC STRUCTURE Candidate： Li Jiangbo Supervisor： Prof.Teng Jun Academic Degree Applied for： Master of Engineering Speciality： Civil Engineering Affiliation： Shenzhen Graduate
3、 School Date of Defence： June, 2011 Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology 摘 要 - I -摘 要 随着材料本构理论研究和计算机技术 的飞速发展，动力弹塑性分析已成为结构抗震性能分析中经常使 用的方法。通用有限元软件 ABAQUS 由于拥有丰富的材料库和单元库，且具 备高度非线性问题的求解能 力，已成为结构动力弹塑性分析的主要工具之一。但目前，基于 ABAQUS 平台建立复杂高层结构模型十分繁琐，耗时耗力，这制约了 ABAQUS 在结构动力弹塑性分析中的应用。 为提高 AB
4、AQUS 的建模效率，本文基于参数 化有限元的建模思想开发了结构模型转换程序，可以将设计软件 MIDAS/GEN 中的有限元模型转换为ABAQUS 有限元模型，从而省略了 ABAQUS 的建模步骤，大大提高了复杂结构动力弹塑性分析的效率。 首先，基于 Python 编程平台，以 MIDAS mgt 文件和 ABAQUS inp 文件为对象，开发转换程序。基本思路为提取 mgt 文件中的结构模型信息，同时获取用户设定的 ABAQUS 分析信息，将各信息计算、 分析、整合后写入可直接提交 ABAQUS 求解器计算的 inp 文件。 其次，采用本文开发的转换程序 ，将五栋不同结构体系建筑的 MIDA
5、S 模型转换为 ABAQUS 模型，通过对比各结构在两软件 中的模态分析结果和弹性时程分析结果证明了该程序 对模型节点、单元、材料、 截面、荷载、配筋等信息的转换是完整正确的。 最后，基于 12 层钢筋混凝土标准框架 Benchmark 模型，将本程序应用于其原型结构的动力弹塑性分析中，通 过对比动力弹塑性分析结果和 Benchmark模型振动台试验结果，初步 验证了该程序的有效性。进 而，针对某酒店建筑分别采取手动建立和程序转换的方式得到其 ABAQUS 模型，通过罕遇地震作用下结构动力弹塑性分析结果 和建模效率的对比，进一步 验证了转换程序的有效性和高效性。 关键词： 动力弹塑性分析； A
6、BAQUS； MIDAS；转换程序； Python Abstract - II -Abstract With the rapid development of material constitutive theory and computer technology, elasto-plastic analysis has been adapted to perform structures seismic properties frequently. The general finite element software ABAQUS has become one of the most ef
7、fective tools to perform elasto-plastic analysis, for its abundant material and element library and high nonlinear problems solving ability. But it is very cumbersome and time-consuming to build ABAQUS models of complex structures. The application of ABAQUS to perform dynamic elasto-plastic analysis
8、 is restricted. Based on parametric finite element modeling, this paper develops a conversion program which can switch finite element model from MIDAS/GEN to ABAQUS. Thus the modeling in ABAQUS is omitted, and the efficiency of performing dynamic elasto-plastic analysis on complex high-rise structur
9、es is greatly improved. First, based on MIDAS mgt file and ABAQUS inp file, using python programming platform, develop the conversion program. The basic idea is extracting the model information from mgt, and getting analysis information from the user, then converting the information, at last, writin
10、g the information to inp file which can be submitted to ABAQUS solver directly. Convert five MIDAS models of different structural system to ABAQUS models via the conversion program and execute mode analysis as well as elastic time-history analysis in both softwares. The comparison of results proves
11、that the conversions of nodes, elements, material, cross section and loading are complete and correct. Build a 12-story RC frame structure model in MIDAS, convert the model to ABAQUS elasto-plastic model and execute dynamic elasto-plastic analysis under earthquake. The comparison of elasto-plastic a
12、nalysis results and shaking table test results prove that the conversion program is effective. Build elasto-plastic ABAQUS model of a hotel building manually, and then build another ABAQUS model via the conversion program automatically. Execute dynamic elasto-plastic analysis under severe earthquake
13、s for both ABAQUS models. The comparison of results of the two models proves that the conversion program is effective and efficient. Keywords: dynamic elasto-plastic analysis, MIDAS, ABAQUS, conversion program, Python 目 录 - III -目 录 摘 要 . I ABSTRACT . II 第 1 章 绪论 1 1.1 课题来源 .1 1.2 课题研究的背景和意义 1 1.3 课
14、题国内外研究现状 .3 1.3.1 结构动力弹塑性分析国内外研究现状 .3 1.3.2 参数化有限元建模国内外研究现状 .4 1.4 本课题 ABAQUS 参数化建模方法 .8 1.5 本课题研究的主要内容 8 第 2 章 转换程序的开发 9 2.1 引言 .9 2.2 转换程序概述 9 2.3 有限元模型的转换 .11 2.3.1 节点及单元信息的转换 11 2.3.2 各构件截面配筋率的输入 14 2.3.3 材料和截面信息的转换 18 2.3.4 荷载的转换 23 2.3.5 将转换信息写入 inp 文件 .29 2.4 ABAQUS 分析信息的设定 .30 2.4.1 装配部件 30
15、2.4.2 定义分析步 32 2.5 转换信息检查 33 2.6 本章小结 .34 第 3 章 转换程序正确性验证 35 3.1 引言 .35 3.2 框架结构模型转换 .35 3.2.1 十二层简单框架结构 35 3.2.2 二十层较复杂框架结构 39 3.3 框筒结构模型转换 .42 3.4 斜交网格筒模型转换 .45 目 录 - IV -3.5 含复杂连体的框剪结构模型转换 .49 3.6 本章小结 .53 第 4 章 转换程序在钢筋混凝土结构动 力弹塑性分析中的应用 54 4.1 引言 .54 4.2 转换程序在标准混凝土框架 抗震非线性分析中的应用 54 4.2.1 十二层钢筋混凝土
16、标准框架 振动台模型试验简介 .54 4.2.2 标准框架原型结构 ABAQUS 地震非线性分析 .57 4.2.3 模型振动台试验结果与 ABAQUS 模拟结果对比 .59 4.3 转换程序在某酒店建筑动力 弹塑性分析中的应用 61 4.3.1 某酒店建筑工程概述 62 4.3.2 两种方法建立 ABAQUS 弹塑性模型 62 4.3.3 地震作用 64 4.3.4 分析结果对比 66 4.3.5 分析效率对比 70 4.4 本章小结 .71 结 论 .72 参考文献 .73 哈尔滨工业大学学位论文原 创性声明及使用授权说明 .76 致 谢 .77 哈尔滨工业大学硕士学位论文 - 1 -第
17、1 章 绪论 1.1 课题来源 本课题来源于国家自然科学 基金重点项目（批准号： 50938001）“超高建筑斜交网格筒结构体系基于失效模式 的大震设计理论”的部分研究工作。 1.2 课题研究的背景和意义 我国抗震规范（ GB50011-2010）1采用两阶段的抗震设计思想：第一阶段，对于小震和中震作用下的一 般结构采用弹性分析方法计 算构件截面及配筋；第二阶段，对于特殊结构（如 超限高层结构）需使用弹塑 性分析方法进行罕遇地震作用下结构的损伤和抗倒 塌能力验算。近年来，各地 的高层建筑建设迅猛发展，其中有相当部分属于规 范规定的超限建筑，对这些 高层建筑结构进行罕遇地震作用下的弹塑性分析，
18、从而判断其是否满足“大震 不倒”的设防标准成为重要手段。 目前，结构弹塑性分析的方法有两种 ，分别为静力弹塑性分析和动力弹塑性分析。静力弹塑性分析又称静力推覆分析或 Pushover 分析，它是一种简便易行，能够在一定程度上反映 结构弹塑性性能的方法。自 1975 年静力弹塑性分析方法被 Freeman 等人2提出以来，大量学者对其进行了研究和完善3-6，因此它是一种相对成熟的方法。但 静力弹塑性分析不适用于高 阶振型参与地震响应的高层结构，也无法反映地震 作用的时程和结构动态性能 等影响因素，具有较大的局限性7。 动力弹塑性分析是利用结构动力学 方程和构件弹塑性恢复力模型，采用逐步积分技术获
19、得各时刻下 结构各质点和构件地震响应的方法8。相对于静力弹塑性分析方法，动力弹塑性分析具有以下优势9：（ 1）可以获得整个地震过程中各时刻结构的地震响应；（ 2）对结构的简化假设较少，可以完整、真实、准确地反应结构地震响 应。动力弹塑性分析方法的 计算量巨大，这曾经是制约其发展的最重要因素， 但随着计算机软硬件技术的 迅速发展和大型服务器的引入，该方法正被广 泛接受和逐步使用。我国 2010 年颁布的超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点10第十三条第八款规定，对于高度超过 200米的高层建筑，需要进行动力弹 塑性分析，对于高度超过 300 米的高层建筑，还需要进行两个独立的动力 弹塑性分析
20、。由此可见，高 层建筑结构的动力弹塑性分析方法成为超限建 筑设计的重要补充。 哈尔滨工业大学硕士学位论文 - 2 -结构动力弹塑性时程分析需要选择一种合适的有限元软件辅助模拟。ABAQUS 是国际上最先进的通用有限元软件之一11， 它具有丰富的单元库和材料库，并提供基于直接积分的动力显式算 法，能够胜任复杂问题的非线性分析。ABAQUS 是基于微观有限元12的分析软件， 相比于传统的基于宏观有限元的分析软件（如 MIDAS， SATWE， ETABS 等），能够给出更精确的分析结果。故使用 ABAQUS 对复杂高层钢筋混凝土结构进行动 力弹塑性分析是可行的，而且有相当优势。 但作为一种通用的有
21、限元软件， ABAQUS 的建模能力并不突出。基于 ABAQUS/CAE 平台建立复杂高层结构空间模型 时，整个过程是非常繁琐耗时的，而且容易出错。黄菊花等人13统计，在有限元软件分析中，包括建模在内的前处理过程所耗费的时间达到 50%-55%。如何简化建模工作、提高建模效率是使用 ABAQUS 对复杂高层结构进行动力弹 塑性分析时需要解决的重要问题。 MIDAS/GEN 是一种土木工程专业设计软件， 具有非常灵活的 CAD 建模平台，且作为一种专业软件，它内部嵌入了大量工程概念和设计思想，使用MIDAS/GEN 可以更有效率地完成复杂高层钢 筋混凝土结构的建模工作，进而进行分析和设计。但是，
22、尽 管作为一款有限元软件， MIDAS/GEN 对结构进行动力弹塑性时程分析的功能 并不强大，而且它是基于宏 观有限元的分析软件，有限元模型的假设影响 了计算结果的精度。 实际工程中，工程人员使用 MIDAS/GEN 或类似的结构设计软件完成结构在小震、中震作用下的弹性 分析和设计后，还要在 ABAQUS 中建立同样的结构有限元模型以完成结构在 罕遇地震作用下的弹塑性变 形验算。重复建模将耗费大量的人力和时间，而且不能 保证两种模型的一致性。 如果把 MIDAS/GEN 的建模优势和 ABAQUS 显式求解的优势结合起来，将摆脱 ABAQUS 繁琐的建模过程，使复杂高层结 构的动力弹塑性分析过
23、程变得简洁、高效，也避免了重 复建模导致的时间和资源的 浪费。具体的做法是将MIDAS/GEN 中的结构信息转换后导入 ABAQUS 命令流 inp 文件中，从而完成ABAQUS 有限元模型的参数化建立，然后将 inp 文件提交 ABAQUS 显式求解器，完成动力弹塑性时程分析。这种做法 是参数化有限元建模方法的具体体现。参数化有限元建模思想分为三个层次14： （ 1）通过通用数据格式将模型从 CAD 平台导入 CAE 平台中； （ 2）基于 CAE 平台本身，使用开发语言进 行参数化建模插件的开发； （ 3）将几何信息、材料及截面信息、荷载 信息和分析信息等一系列参数编程式地写入 CAE 软
24、件命令流文件中，最后一次性提交 CAE 求解器。 哈尔滨工业大学硕士学位论文 - 3 -本课题将致力于使用参数化有限元建 模的第三种方法，开发一套实体转换程序，将结构信息从 MIDAS/GEN 导入 ABAQUS 中，从而完成复杂高层建筑结构 ABAQUS 有限元模型的参数化建立，进而大 大提高结构动力弹塑性分析的效率。 1.3 课题国内外研究现状 1.3.1 结构动力弹塑性分析国内外研究现状 动力弹塑性分析主要基于结构有限元 模型建立动力方程，然后对动力方程进行求解，从而得到结构各部位的地震响应，国外一些学者15-17也提出了基于边界元法的动力弹塑性分析 方法。基于有限元模型的动 力弹塑性分
25、析主要依靠直接积分法完成动力方程的 求解，按照动力方程组的求 解方式，直接积分法可以分为隐式求解法和显式求 解法。隐式求解法需要迭代 进行求解，计算效率不高，显式求解法则直接进行方程组求解，计算效率较高。 ABAQUS 提供了采用了隐式算法的隐式求解器 ABAQUS/Standard 和采用了显式算法的显式求解器ABAQUS/Explicit，前者适合模拟静力问题，且有较高的 精度，后者则适合大规模动力计算，但是精度有所损失。 进行结构的动力弹塑性分析时，首先 要确定输入的地震作用强度，我国抗震规范（ GB50011-2010）采用地震波的加速度峰值作 为衡量输入地震作用强度的指标，例如抗震规
26、范 5.1.2 节中建议七度罕遇地震的峰值加速度为 220gal，八度罕遇地震的峰值加速度为 400gal。国外不少学者18指出这种仅使用一个参数来描述地震动强度的方法是不完善的，地震作用的强度应使用多参数描述19或使用地震动谱强度来描述20。但单参数描述地震作用 强度的方法较为明确和简单，目前，国内大量工程人员使用 地震峰值加速度衡量地震作用强度。 随着计算机软硬件的迅猛发展，国内 开始有较多的建筑结构动力弹塑性分析算例。这些算例大都是对 复杂高层钢筋混凝土结构弹 塑性阶段的变形验算和损伤分析。由于 ABAQUS 提供的显式算法具有卓越的 大规模运算能力，这些工程算例大多使用 ABAQUS
27、进行模拟。 汪大绥，李志山等人21对如何在 ABAQUS 中实现复杂结构的动力弹塑性分析作了详细的介绍。他们对如何在 ABAQUS 中为结构各构件选择有限单元，选择何种材料模型模拟混凝 土弹塑性行为，怎样简化 ABAQUS 建模工作等问题上做了十分有益的探讨，并对一栋 230 米高的复杂 SRC 框架结构进行了ABAQUS 动力弹塑性分析，结果证明，基于结 构材料的有限元模型能较精准地哈尔滨工业大学硕士学位论文 - 4 -反映结构的抗震性能。 滕军，李祚华等人22利用 ABAQUS 用户材料子程序 VUMAT 开发了可用于梁单元显式动力分析的混凝土材料 模型，使用该套材料模型对一栋 98.8
28、米高的框支剪力墙结构进行动力 弹塑性分析，找出了结构的 损伤位置和薄弱部位，并通过结构的振动台试验证 明了软件分析的正确性。 李志山，陈星等人23使用 ABAQUS 对广东省博物馆新馆的芯筒悬臂结构进行了罕遇地震作用下的动 力弹塑性分析，通过分析结 果认为该结构芯筒剪力墙内置的钢管混凝土柱大大 增加了剪力墙的延性，是抗 震设防的第二道防线，可以保证该结构满足“大震 不倒”的设防标准。 蒋航军，王伟凤等人24使用 ABAQUS 对新华日报社超限结构进行了罕遇地震作用下的动力弹塑性分析， 详细得到了该结构混凝 土塑性损伤的发展过程，找出了结构薄弱部位，针对软件分析的结 果，具体给出了结构设计的改进
29、建议，取得了良好的效果。 综上所述，动力弹塑性分析在我国已 被成功应用到复杂高层建筑结构的抗震分析中，使用 ABAQUS 对结构进行动力弹塑性分析 已经初具规模。在大量的工程实践中，工程人员对使用 ABAQUS 模拟结构的抗震性能摸索出了一套切实可行的方法，并通过二次开发不断完善了 ABAQUS 的分析功能。大量的研究成果表明，结构使用 ABAQUS 进行动力弹塑性分析可 以找出罕遇地震作用下结构的薄弱部位，明确 结构的破坏顺序和破坏程度 ，对验算结构弹塑性变形、优化结构布置有着重要 意义。随着新版超限高层审 查文件的颁发，高层和超高层建筑的动力弹塑性分析必将进一步发展，而目前的主要制约因素是
30、ABAQUS 动力弹塑性分析的建模前处理过程繁琐复杂， 因此对如何进一步简化ABAQUS 前处理过程的研究具有 重要的工程意义。 1.3.2 参数化有限元建模国内外研究现状 计算机辅助设计软件，即 CAD 软件，使用参数化建模 思想，对同一设计类型的部件，只要修改少数 几个尺寸参数即可完成不同 产品的设计。计算机辅助工程软件， 即 CAE 软件， 是有限元软件， 它可以对设计产品进行有限元分析，从而分析产品的受力性能， 优化设计。目前，主流的 CAD 软件可以迅速完成产品的定型设计，但是 CAD 软件不具备有限元分析功能 或有限元分析功能很弱；主流的 CAE 软件拥有很强的有限元分析 计算功能
31、，但是基于 CAE 平台的建模较为不便甚至是繁琐。 在土木工程领域，使用专业 设计软件可以高效地完成建筑结构的建模工作，但 是一般的结构设计软件的有 限元分析能力较弱；通哈尔滨工业大学硕士学位论文 - 5 -用有限元软件，如 ABAQUS、 ANSYS，拥有强大的有限元分析计算能力，但是众所周知，它们的前处理 建模工作耗时耗力。因此， 如何将设计软件中的三维模型导入到通用有限元软件中来一直以来都是科研设计人员研究的热点问题。 参数化有限元建模方法可以完成有限 元模型的参数化建立，是一种可以大大简化有限元模型建模工作的方法。 它包括三种实现方式：一是利用 CAD 软件和 CAE 软件的中间交换格
32、式完成有限元建模， 二是利用有限元内部提供的参数化开发语言进行二次开发 完成参数化建模，三是将体 现结构有限元信息的数据批量写入有限元软件的命 令流文件中完成参数化建模 。这三种方法各有优缺点。 1.3.2.1 基于中间格式转换的参数化有限元建模 基于中间格式转换的参数化 有限元建模方法，即把 CAD 中设计的三维模型保存为一个中间格式的文件，这种中间格式可以被 CAE 软件辨识，只要把这个文件导入到 CAE 软件中就可以完成三维模型 的建立。通用数据库的格式25有 ACIS 格式、 Parasolid 格式、 IGES 标准、 STEP 标准和 STL 格式。 Zobrist26对使用 IG
33、ES 标准完成 CAD 模型向 CAE 模型转换做了详细的研究。 Marx27等人开发了 EDIF 通用数据接口完成 CAD 和 CAE 间数据交换。 Stroud28等人对STL 格式的数据库接口进行了拓展和优化。 目前，设计软件 Pro/E、 UG 等已可以依据 IGES 标准完成与 ANSYS 的数据交换，各三维设计软件供应商均在开发与 CAE 软件的通用接口。在土木工程领域，结构设计软件种类较多，最常见的有 PKPM、 ETABS、 SAP2000、 MIDAS和 STAAD。这几种软件均包含 CAD 的建模平台，可以完成建筑结构的设计工作，也可以进行有限元分析 。有些结构软件可以进行
34、建 筑模型的互导，例如，MIDAS 可以读取 SAP2000 和 STAAD 的格式文件， ETABS 和 SAP2000 的模型可以互导。但是这些软件与 大型通用有限元软件，如 ANSYS、 ABAQUS 等，均没有通用接口，即没有中 间格式文件可以完成结构模 型从设计软件到通用有限元软件的导入工作。 基于格式转换的参数化有限元建模方 法简便快捷，但是容易造成模型信息丢失，用户在完成模型转换 后，必须花费巨大精力对转 换的模型检查、修改，结果得不偿失。例如将结构 ETABS 模型转换为 SAP2000 模型，有些荷载信息将丢失，用户必须花费较大精力 完成荷载的检查和补充。 1.3.2.2 基
35、于 CAE 平台本身的参数化有限元建模 为了弥补 CAE 软件建模方面的不足， 很多通用有限元软件提供了参数化开哈尔滨工业大学硕士学位论文 - 6 -发语言来辅助用户建模。用 户使用提供的参数化开发语 言，可以开发出相应的参数化建模界面，用户在这 些界面中输入少数的参数即 可以完成整个有限元模型的建立。例如， ANSYS 提供了 APDL 参数化设计语言，有限元软件 PATRAN提供了 PCL 参数化设计语言，使用 ABAQUS 的脚本语言 Python 可以完成参数化建模插件的开发。目前， 基于有限元平台参数化设计 语言二次开发来实现有限元参数化建模的方法被广泛使 用，且有一大批实践实例。
36、韩涛，黄莺29使用 ANSYS 参数化设计语言 APDL 和 UIDL，开发了张弦空间立体桁架的参数化建模 程序，用户在该程序中输入 截面、矢高和跨度等几个参数，就可以完成张弦桁架 ANSYS 有限元模型的建立，极大地方便了科学研究。 Jaime 等人30在进行增强纤维混凝土 ANSYS 有限元模拟时，使用 APDL语言开发了用于建立混凝土 增强纤维束的程序，该程序 可以把纤维束随机布置于混凝土内部，较好地模拟 了纤维混凝土的受力特性。 Mohammad 等人31对颈椎骨进行 ANSYS 数值模拟时，使用 APDL 语言开发了用于颈椎骨的参数化建模的界面程序，使用者只要输入 15 个参数，就可
37、以完成对颈椎骨的描述，从而 完成有限元建模工作。 刘朋科32针对高压输电线路中各组件可进 行参数化描述的特点，提出对高压输电线路进行 ABAQUS 有限元模拟时，可以开发参 数化建模界面，用于高压线路各组件的参数化有限元建模。具体做法是使用 ABAQUS 脚本语言Python，结合 ABAQUS Plug-ins 插件程序，开发基于 ABAQUS/CAE 平台的插件窗口，用户在插件窗口中 输入少量的参数定义输电线 路各组件的类型和大小后，就可以完成整个复杂输电线路 ABAQUS 有限元模型的建立，从而大大缩短了科学研究的时间， 提高了工作效率。 Cojocaru 等人33使用 Python 编
38、程语言，结合 ABAQUS API 接口程序，开发了框架模型参数化建模程 序，该程序可以自动生成框 架模型，并可以完成分析步的定义、网格划分等工 作，甚至可自动生成用户子 程序来模拟特殊的位移场。 Dowhan 等人34编写 Python 程序在 ABAQUS 中参数化建立陶瓷电容的三维模型，并用该程序模拟在应力 场中陶瓷电容的“优胜劣汰”。 基于有限元软件参数化设计语言二次 开发的参数化有限元建模方法可以提高有限元建模的效率，尤其 当分析的问题具有共同特性 时，这种方法可以避免重复建模，节约人力和时间 ，但是，该方法只能对较为 简单的组件和结构进行参数化建模，对于复杂的高层建筑结 构，这种方
39、法显然是不适合的。 哈尔滨工业大学硕士学位论文 - 7 -1.3.2.3 基于数据交换的参数化有限元建模 基于数据交换的参数化有限元建模的 思想是将获得的有限元的信息批量写入通用有限元软件命令流文 件中，并添加用户自定义的 信息，最后一次性提交有限元求解器，完成计算分 析。它的前提是可以较容易 地获得有限元模型的描述参数，实行方法是编制程 序将获得的有限元模型参数 整合、转换，然后按规则写入命令流文件中。这种 方法要求开发者具备编程基 础，并对所谓的“命令流”文件熟悉。目前，这种 有限元建模思想已经体现在 很多结构模型转换程序上。开发者有感于建筑结构 在多种结构设计软件中的重 复建模带来的时间
40、损耗和人力浪费，使用编程语言（如 C 语言， VB 语言等）编写转换程序，从一种结构软件命令流文件中提取 结构有限元信息，经过计算 处理后，按规则批量写入另一种结构软件命令流文件中，从而完成有限元模型的“无缝转换”。其中，结构有限元信息包括节点单 元信息、材料截面信息、荷 载信息、约束信息和建筑层信息等。一些开发者更 进一步，提出有限元数据库 的概念，即将建筑结构有限元基本信息存入一个通 用的数据库中，用户选择需 要的结构软件类型后，转换程序就将有限元信息写 入该类型软件的命令流文件 中，从而实现多种软件的参数化有限元建模。 张杰35使用 VC+编程语言开发了 KMAS 到 ABAQUS 的模
41、型接口程序，成功实现了有限元模型向 ABAQUS 的“零失真”转换，极 大地方便了汽车车门结构多平台仿真分析 ，提高了研究效率。 刘慧鹏，李云贵等人36开发了 PKPM 与 ABAQUS 的接口程序，该程序可以将 PKPM/SATWE 中的结构有限元信息转换成 ABAQUS 有限元模型信息， 从而完成复杂高层结构在 ABAQUS 中快速参数化建模， 使建筑结构实现在 PKPM中弹性分析、设计，在 ABAQUS 中弹塑性动力分析。 李华，赵劲松等人37开发了有限元数据库，首先将建筑结构有限元信息存入数据库，然后根据需要导 出不同有限元软件的命令流 格式。该有限元数据库技术可以完成 SATWE、
42、ETABS 和 ANSYS 结构有限元信息的导入，并完成ANSYS 和 ETABS 命令流文件的导出。 由于有限元数据库中包含了节点、 单元、材料、截面、荷载和配筋等 信息，这种方法对建筑结构 模型的转换是完整的。 基于有限元信息的数据转换而完成有 限元参数化建模的方法可以完整地把有限元模型从一个软件转换 到另一个软件中。目前，这 种方法的开发人员还较少，一些已开发出来的转换 程序也有较多缺陷，这导致 建筑结构的通用有限元分析工作受到较大制约。 哈尔滨工业大学硕士学位论文 - 8 -1.4 本课题 ABAQUS 参数化建模方法 本课题采用基于数据交换的参数化有 限元建模方法，实现复杂高层钢筋混
43、凝土结构 MIDAS 模型向 ABAQUS 模型的转换。具体方法是，使用 Python 编程语言编写转换程序，把 MIDAS 命令流文件中的体现有限 元模型信息的参数提取出来，经过计算处理后存入 程序的数据库中，同时将用户对 ABAQUS 分析的设置参数反馈到程序数据库中，然后将数 据库中的各参数批量写入ABAQUS 命令流文件中，最后将该命 令流文件一次性提交 ABAQUS 求解器，从而完成建筑结构的 ABAQUS 有限元分析。 整个过程不涉及 ABAQUS/CAE 模块，用户通过程序界面完成 各参数的设定，从而提高了 前处理工作的效率。 1.5 本课题研究的主要内容 本课题主要的研究内容如
44、下： （ 1）研究 MIDAS/GEN 命令流 mgt 文件和 ABAQUS 命令流 inp 文件，编写转换程序完成有限元模型信息从 mgt 文件到 inp 文件的转换。有限元模型信息包括节点信息、单元信息 、材料信息、截面信息、建 筑层信息、荷载信息和配筋信息。 （ 2）为转换程序开发交互界面，以完成 用户对转换过程中各参数的控制。 （ 3）使用转换程序将框架结构、框筒结 构、斜交网格筒结构和含复杂连体框剪结构 MIDAS 模型转换为 ABAQUS 模型，分别在 MIDAS 和 ABAQUS 中对各栋结构进行模态分析和 弹性时程分析，对比分析结 果用以验证转换程序的正确性。 （ 4）在 MI
45、DAS 中建立一栋 12 层框架结构，使用转换 程序将其转换为弹塑性模型并进行地震作用下的动力弹 塑性分析，将分析结果同该结构Benchmark 模型振动台试验结果进行对比，用以 验证转换程序的有效性。通过手动建模和程序转换分别得到某酒店建筑 ABAQUS 模型，对两个模型进行罕遇地震作用下的动力弹塑性 分析，对比计算结果和计算 效率，用以验证转换程序的实用性和高效性。 哈尔滨工业大学硕士学位论文 - 9 -第 2 章 转换程序的开发 2.1 引言 本文开发的转换程序是参数化有限元 建模方法的具体实例，其基本思路是把从 MIDAS/GEN 命令流 mgt 文件中提取的结构有 限元信息和用户对
46、ABAQUS有限元模型的设定信息，经过计 算、整合、处理后批量写入 ABAQUS 命令流inp 文件中，最后一次性提交 ABAQUS 求解器。本章将具体介绍转换程序的每个转换步骤所使用的方法，同时配以 开发的可视化交互界面加以阐述。 2.2 转换程序概述 本转换程序是使用 Python 编程语言进行编写的， 通过可视化交互界面来完成转换程序的具体操作，转换程 序的欢迎界面和菜单界面如图 2-1 和图 2-2 所示。转换过程大致分为三部分：一是对 mgt 文件中的建筑信息的提取，建筑信息包括结构几何造型、结构 各构件信息、结构层信息、 结构荷载信息和结构约束信息等；二是对提取的建 筑信息的计算、
47、处理和存储 ，包括各种构件的集合分类、各单元长度或面积的 计算和荷载转换为质量单元 的计算等；三是用户对ABAQUS 有限元模型的具体设定，如各层输出位移点的设定、分析步的设定和分析步内各输出变量的设定等。 转换程序的工作流程如图 2-3 所示。 图 2-1 转换程序欢迎界面 哈尔滨工业大学硕士学位论文 - 10 -图 2-2 转换程序菜单界面 图 2-3 转换过程流程图 转换的具体过程可分为八个步骤： （ 1）输入节点和单元信息，即从 mgt 文件中提取建筑模型的节点和单元信息，经过转化整合，储存 在本程序的数据库中； 输入配筋.inp 节点 .inp 单元 .inp 集合 .inp 截面
48、.inp 材料 .inp 楼层 .inp 质量 .inp 边界 写入 写入 写入 写入 写入 写入 写入 写入 .mgt 节点 .mgt 单元 .mgt 分组 .mgt 分层 .mgt 荷载 .mgt 约束 .mgt 材料 .mgt 截面 提取 mgt 文件 Node Element Set Section Material Story Mass Boundary存储 计算整合 整合 计算、 整合存储 计算、处理、存储用户设定 .inp 分析.inp 装配 哈尔滨工业大学硕士学位论文 - 11 -（ 2）输入各构件截面的配筋率，本程序对梁、柱、楼板、剪力墙等构件分别统一化配筋，然后根据截 面尺
49、寸和配筋率，把梁配筋 等效为工字钢截面，把柱配筋等效为箱型截面，对 于楼板和剪力墙的配筋则采 用植入钢筋层进行均匀化配筋； （ 3）输入材料及截面信息，即从 mgt 文件中提取材料和截面信息，经过转化整合，存储在本程序的数据库中； （ 4）输入荷载并转化成质量，从 mgt 文件中提取节点荷载、梁荷载、压力荷载和楼面荷载等，按照恒载 +0.5活载组合转化为质量，各单元荷载转化成的质量存储在本程序数据库中； （ 5）输出以上转化的各信息，即把节点与单元信息、各单元的材料截面信息、转化的质量信息等写入指定的 inp 文件中； （ 6）装配部件，这主要是针对 ABAQUS 特有的建模步骤，把以上的部件信息组合起来，并设置一些 单元或节点的集合，用于后 续的约束设置和输出变量设置； （ 7）创建分析步，创建模态分析和动力 弹塑性时程分析两种分析步模式，并提供对分析步的各种具体设置； （ 8）文本检查，检查写入的 inp 文件是否满足书写规则，并输出模型的节点数和单元数。 2.3 有限元模型的转换 2.3.1 节点及单元信息的转换 MIDAS mgt 文件
