【ETE专题】节点有限元分析在结构分析中的应用

[小编：李明]

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（1） 介绍主流的节点有限元分析软件。

（2） 介绍ABAQUS进行节点分析的特点：常用的桁架单元，梁单元，壳体及实体单元，另有tie，内嵌，coupling，连接器等接触单元（自由度处理方法），也具备线弹性材料，基于损伤理论的非线性材料，还可以自定义UMAT等。建模方面，支持复杂几何实体的IGES，SAT的格式，程序可以进行布尔运算。 由于上述的属性，ABAQUS可以很好地进行节点有限元分析。以下是整个节点分析的主要过程：

（3） ABAQUS的大部分应用场景是，采用AUTOCAD等CAD软件进行空间建模，然后采用ABAQUS进行补充建模，主要就是合并，布尔，分体及单元划分。其它应用场景有采用INPUT进行文本建模，或采用第三方的单元剖分，如HYPERMESH等，这里就不展开介绍，这里主要讲采用CAD+ABQUS的建模方法。



（4） 以下是常用的3D-CAD中用到的立体模型生成的功能，从平面到立体，有拉伸，扫掠，放样，旋转等，CAD也能进行一些简单的布尔运算：合并，减除，相交 

（5） 有限元建模分节点模型与区块模型，区块模型可以从结构模板图出发，如下所示，采用一系列的拉伸就可以建完模型了，当然还需要一些布尔运算


（6） 混凝土块体部分的建模相对简单，复杂的在块体内钢筋的建模，钢筋一般采用TRUSS单元，在CAD内是单线，采用AUTOCAD建模如下图所示。钢筋的复制建模大量采用3D-ARRAY这个CAD命令。 

（7） 钢筋的线模在建模的过程中要注意，纵筋与箍筋的距离不宜过小，钢筋不要跑到混凝土外表面去了。

（8） 构件分组：这个很重要，不同的材料不同的类型记得分组，分图层。如基础、构件、钢配件、钢筋与钢骨，都应该在不同的组，方便管理，钢板厚度不同，钢筋直径不同也需要分开。

（9） 在AUTOCAD完成大部分建模以后，我们把AUTOCAD的模型导出为IGES格式。IGES格式可以把钢筋也能包括进去，SAT格式就不可以了。

（10） 弹性模型可以不需要导入钢筋，只有弹塑性分析才需要导入钢筋网。 

（11） 在分析前，进行网格部分试算检查，有问题越早发现越好，记得另存为。 

（12） 输入材料的定义，混凝土与钢筋在进行弹塑性分析时，要输入弹塑性本构 

（13） 输入截面的定义，定义好构件截面，主要是钢筋的截面，一般采用TRUSS

（14） 组装构件:因为在前面定义好了不同的图层，所以这个分组定义就相对容易了。

（15） 定义分析设置：ABAQUS的弹塑性分析是采用自适应增量迭代法的，你需要设置最大迭代步数（可以理解成迭代多少步以后算不下去跳出）及最小迭代增量值（可以理解成最小每步加载）。

（16） 定义RP加载点，这个很重要的功能，因为节点分析的外力是从整体模型中得到，是一些杆件端部点荷载，这些点荷载要作用于实体单元上的一个面，就要作用于面上的一个代表结点，通过刚度分配到这个面上的所有点上。所以要进行RP点的指定，一般是受力的中心。 

（17） 定义tie，构件与构件的面连接，可以采用TIE进行连体， 不同组之间，无论你建模的两个面之间有多近，也是离开的（自由度独立），所以要采用TIE把这两个面帖起来。

（18） 定义内嵌（Embed），钢骨（壳元），钢筋（桁架单元）都可以内嵌于实体单元中。内嵌的作用就是实体单元的变形，会使单元内的钢筋与钢骨协同变形。

（19） 定义荷载。刚才讲的RP点就是用来加点荷载的，加载外力的方向采用右手法则。

（20） 定义位移约束（支座）。节点除了力边界，还有位移边界，采用BC（边界约束）进行定义。 

（21） 网格部分（在有限元分析中占重要地位）：第一步，剖分TRUSS单元，这是关键的一步。然后对实体，壳体进行网格划分，指定网格大小，100~300比较常用。稳定划分可以采用TET（三角形四面体）格式进行网格划分 

（22） 补充参数设置：自定义本构的位置，GPU多核计算的设置等。


 

（23） 导出INP的功能，导出INP方便以后进行批量计算，脱开了图形界面，采用文本修改。

 （24） 运算完成后，点击RESULTS查看结果，ABAQUS的前处理就介绍这么多了，后处理需要用到一些如PYTHON的往后再介绍。 



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[ETE]高层建筑结构中斜柱分析的基本方法

以下是整个PPT的下载方法：
【ETE教程】高层建筑结构中斜柱分析的基本方法


斜柱在超限高层建筑结构中出现越来越多。以下是技术分析总结
小编：李明

PPT有以下基本内容：
(1)超限报告中指出斜柱位置，斜率

(2)简化力学分析必不可少的

(3)注意斜柱对楼板会产生局部水平力

(4)进行考虑斜柱的楼板应力分析
(5)根据分析提出斜柱的加强措施
(6)斜柱及上下各一层的PMM分析

(7)抽柱模型中的柱子相关的内力

(8)进行斜柱节点的应力分析(ABAQUS,sap2000)


(9)根据应力云图进行局部加强措施设计
   （加强肋，环板，局部加厚等，如有需要）


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【ETE教程】高层建筑结构中斜柱分析的基本方法

[Dino公开课]有限元编程的入门常应变单元

[视频地址]https://www.bilibili.com/video/av92802902

本视频通过常应变三角形单元（CST单元）的有限元方法作为基本例子，介绍有限元程序的编写过程
需要注意的地方，通过EXCEL表格进行对比，通过视频让大家明白，编程是学习有限元的最好方法



[小 记]这是Dino结构笔记的第8个公开课 OpenCourse，有限元编程
使用语言：不标准的普通话
视频时间：控制在60分钟以内，
更新时间：每周五更新！！
主要内容：当然不是脱口秀，讲结构软件，编程，有限元原理，结构分析，有趣的结构想法！
微信公众号：dinostru

第8节课，
(1)介绍最最简单的有限元程序的编写原理，
(2)介绍常应变三角形单元的编程与程序实现
(3)介绍SAP2000输出刚度矩阵与质量矩阵的方法
(4)打了一个小广告




相关讲义与资料的下载地址：
点击下载此文件【DinoStru结构笔记公开课第7课的讲义】
点击下载此文件【PTE程序及EXCEL表格下载】

以下是公开课的视频：

[Dino公开课]DinoSap与DinoSec的程序介绍

[Bilibili视频地址] https://www.bilibili.com/video/av92802308




[小 记]这是Dino结构笔记的第6个公开课 OpenCourse，
使用语言：不标准的普通话
视频时间：控制在30分钟以内，
更新时间：每周五更新！！
主要内容：当然不是脱口秀，讲结构软件，编程，有限元原理，结构分析，有趣的结构想法！
微信公众号：dinostru

第5部课，
(1)介绍dinochen.com的软件下载方法，
(2)介绍dinosap最好用的结构力学求解器的使用
(3)介绍dinosec截面弹塑性分析程序的使用，可以代替XTRACT做构件的截面分析，用于超限分析工程当中,
(4)程序建议意见请留言在dinochen.com网站

相关软件下载地址：
DinoSec:http://dinochen.com/article.asp?id=219
DinoSap:http://dinochen.com/article.asp?id=186

对于 dinostru 结构笔记 公开课有什么建议，请在下方留言！！

香港学者采用格林公式完成截面弹塑性分析的相关论文资料！！
【下载地址】点击下载此文件



以下是公开课的视频：

[Dino公开课]惯性矩的概念及计算

[Bilibili视频地址]https://www.bilibili.com/video/av92802166


[小记]这是Dino结构笔记的第5个公开课 OpenCourse，(普通话)。 录制时间大约控制在40分钟以内，尽量做到一月一更新(我只能说尽量)，有时侯会采用板书，有时会采用电脑软件截屏，主要讲述以下的内容：有限元，弹塑 性，动力学，结构力学，工程问题，编程，抗震抗风等。主要就是这些内容。

第4部课，主要讲截面的惯性矩在力学中的概念及采用格林积分公式计算惯性矩的过程

（1）惯性矩的基本概念
（2）截面惯性矩与平截面假定的关系
（3）截面惯性矩与刚度矩阵的关系
（4）格林积分公式
（5）任意多边形的惯性矩求解方法的程序实现

这就是惯性矩求解的万能公式方法

PPT下载的地址：点击下载此文件:第5课的相关课件pdf

ETABS模型资料下载地址：点击下载此文件: excel.rar

大家对我以后讲课的内容有要求的话，请发邮件到我邮箱：dinochen1983@qq.com

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以下是公开课的视频：

[Dino公开课]桁架构件的基本设计

[视频地址]https://www.bilibili.com/video/av92801958



[小 记]这是Dino结构笔记的第4个公开课 OpenCourse，(普通话)。 录制时间大约控制在40分钟以内，尽量做到一月一更新(我只能说尽量)，有时侯会采用板书，有时会采用电脑软件截屏，主要讲述以下的内容：有限元，弹塑 性，动力学，结构力学，工程问题，编程，抗震抗风等。主要就是这些内容。

第4部课，主要讲桁架构件的设计及采用ETABS对截面的优化设计

（1）桁架的基本概念
（2）ETABS对桁架的建模
（3）ETABS导入截面
（4）ETABS的优化设计，
（5）OPENSEES桁架程序的开发

这就是最简单的钢结构分析的过程

PPT下载的地址：点击下载此文件:第4课的相关课件pdf

ETABS模型资料下载地址：点击下载此文件: ETABS.RAR

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[Dino公开课]简单的杆系力学有限元方法

[BiliBili视频地址]https://www.bilibili.com/video/av92801585



[小记]这是Dino结构笔记的第2个公开课 OpenCourse，(普通话)。 录制时间大约控制在40分钟以内，尽量做到一周一更新(我只能说尽量)，有时侯会采用板书，有时会采用电脑软件截屏，主要讲述以下的内容：有限元，弹塑性，动力学，结构力学，工程问题，编程，抗震抗风等。主要就是这些内容。

第2部课，主要讲结构力学的通用求解方法，就是杆系有限元法，也叫矩阵位移法，通过最简单的平面杆系有限元的介绍，介绍最入门级别的弹性力学数值分析问题。
结合我编写的dinosap2d程序的源代码，让同行知道怎么杆系静力分析的整个过程，简单的过程如下：
（1）系统自由度的介绍
（2）单元刚度矩阵，转置矩阵
（3）形成整体坐标下的单刚
（4）对号入座形成总刚
（5）荷载向量的处理
（6）结点荷载与单元荷载
（7）约束条件与矩阵处理
（8）高斯法求解得到位移向量
（9）位移向量得单元变形
（10）单元变形得单元内力

这就是最简单的有限元计算的整个过程

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[Dino公开课]平截面假定与M-Fai曲线

[Bilibili地址]https://www.bilibili.com/video/av92801381/



[小记]这是Dino结构笔记的第一个公开课 OpenCourse，主要采用普通话。 录制时间大约控制在40分钟以内，尽量做到一周一更新，有时侯会采用板书，有时会采用电脑软件截屏，主要讲述以下的内容：有限元，弹塑性，动力学，结构力学，工程问题，编程，抗震抗风等。主要就是这些内容。

第一课，主要讲一个重要的概念，就是平截面假定，然后引出m-fai曲线的计算，最入门级别的弹塑性问题。
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[程序]Xtract CAD复杂截面建模小工具

程序下载：点击下载此文件：XTRACT_CAD,建模小工具
使用说明：点击下载此文件：XTRACT CAD操作说明PDF

Xtract CAD使用说明

1)Xtract CAD程序说明
Xtract 是一个非常好的截面分析程序，如果支持国产也可以使用Dino开发DinoSec快速截面分析程序。Xtract更适合于建立非常复杂的组合截面，如果建立复杂截面，推荐使用该项程序，该程序是CAD为基础，建立复杂的构件截面，包括巨型柱及复杂的桥梁截面，该程序需要使用AUTOCAD2013版程序，程序请自行下载。

2)程序操作说明
（1）打开AUTOCAD 2013，建立你要分析的复杂截面，可以是多块混凝土，多块钢材截面组成。如下图所示。
注意：混凝土与大型的钢材一定要是头尾相连的POLY LINE ,多义线。而钢筋一定是圆形（Circle）。在CAD里面不需要明确图层。 

 （2）打开XTRACT CAD，点击第二项“Get_Conc_Polyline”，在CAD的界面中选取混凝土的多义线。然后，点击第二项“Get_Steel_Polyline”，在CAD的界面中选取型钢的多义线，如果截面中没有型钢就跳过。然后，点击第二项“Get_Rebar_Circle”，在CAD的界面中选取代表钢筋的圆形，如果截面中没有钢筋就跳过。

注意：钢筋的直径不是乱定的，如果直径为32的钢筋，其在CAD中的Circle的直径就是为32。

（3）点击Gen Section File *.sec，将文本文件保存成sec1. Sec，即生成了截面文本。

（4）打开截面分析程序XTRACT，弹出对话框中输入工程名字与分析截面名字。然后选取Start From: Section File，然后 Select Unit 选取 N-mm，点Begin XTRACT即可。
然后，选取刚才生成的文件 sec1. Sec。

 
（5）将SEC1.SEC导入XTRACT以后，就可以看到以下结果，表明截面导入成功。

 
（6）接下来可以在XTRACT程序中修改材料属性参数，最后完成截面分析，具体在XTRACT如何分析，请看下集或看XTRACT的说明书

DinoSec组合截面分析程序与xtract实例验证

点击下载此文件:dinosec操作说明书

点击下载此文件：DinoSec算例_与XTRACT进行对比

1) 算例1
程序：DINOSEC V1.1
普通混凝土柱 B =700, H=800, 钢筋至边距as = 50 mm
钢筋 X方向 2d25+ 2d22；
钢筋Y方向 4d25；
钢筋本构，ES = 200000MPa, Fy =360 MPa,
混凝土本构， fc = 21.1 MPa, eps_0 = 0.0020, eps_cu = 0.0035；
屈服准则 eps_lim = 0.0020
程序计算输入截图如下：

程序：XTRACT
计算过程截图如下图所示：

PM曲线计算结果对比如下：

2) 算例2

程序：DINOSEC V1.1
型钢混凝土柱 B =1200, H=1200, 钢筋至边距as = 50 mm
钢筋 X方向 8d25；
钢筋Y方向 8d25；
钢筋本构，ES = 200000MPa, Fy =360 MPa,
型钢本构，ES = 200000MPa, Fy = 295 MPa
混凝土本构， fc = 21.1 MPa, eps_0 = 0.0020, eps_cu = 0.0035；
屈服准则 eps_lim = 0.0020
程序计算输入截图如下：





程序：XTRACT
计算过程截图如下图所示：

算例3， 矩形圆钢管叠合柱
材料Q345 FY=260 ES=205000
材料HRB400 FY=360 ES=205000
C60混凝土 fcu = 27.5 极限应变 0.002
截面 1500x1500x1000x30
配筋 (8d25+6d25)x2

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新论文：
如果我没有记错的话，这是第一篇介绍我开发的计算平台程序MESAP的第一篇论文，关心博客的同学们都知道最近一年来在做的研究的计算平台，参考OpenSEES建立的。以下是平台在论文中的截图。该文被《工程力学》收录，内容也是我在博士学位论文中的第三章的内容。
以下是原文的下载。
点击下载此文件：剪力墙非线性宏观单元的研究与单元开发

【英文篇名】	RESEARCH AND DEVELOPMENT OF THE SHEAR WALL NONLINEAR MACRO-ELEMENT
【中文篇名】	剪力墙非线性宏观单元的研究与单元开发
【作者】	陈学伟; 韩小雷;
【英文作者】	CHEN Xue-wei1; 2; HAN Xiao-lei1; 2(1.Tall Building Structure Research Institute; South China University of Technology; Guangzhou; Guangdong 510640; China; 2.State Key Laboratory of Subtropical Architecture Science; China);
【作者单位】	华南理工大学高层建筑结构研究所; 华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室;
【文献出处】	工程力学 , Engineering Mechanics, 编辑部邮箱 2011年 05期   期刊荣誉：中文核心期刊要目总览  ASPT来源刊  CJFD收录刊
【中文关键词】	宏观单元; 剪力墙; 本构关系; 低周往复荷载试验; 弹塑性分析; 滞回法则;
【英文关键词】	macro element; shear wall; constitutive relation; cyclic reverse loading test; elastic-plastic analysis; hysteresis rule;
【摘要】	罕遇地震作用下剪力墙构件易进入塑性阶段而发生弹塑性损伤,准确地模拟剪力墙构件进入非线性状态后的力学行为对评价剪力墙结构的抗震安全性及基于性能的抗震设计具有重要的意义。通过面向对象语言编制了基于宏观单元的结构弹塑性分析软件平台MESAP及多竖向弹簧剪力墙单元(MVLEM),采用材料本构及Fischinger学者提出的轴向弹簧本构对按我国规范设计的剪力墙低周往复荷载试验进行分析,其滞回曲线吻合程度较高,表明该单元能够反映剪力墙构件的强非线性行为,且精度较高。
【英文摘要】	Since the elastoplastic damage occurs in the plastic stage of shear walls under a severe earthquake,the accurate modeling of the inelastic response of shear walls is primary to assess the aseismic safety and performance-based aseismic design.A structural elastoplastic analysis program MEASP which bases on macro elements is developed with object oriented language and the multiple-vertical-line-element model(MVLEM) is implemented in MESAP.The nonlinear macro element MVLEM is adopted to simulate the nonlinear ...
【基金】	亚热带建筑科学国家重点实验室自主研究基金项目(C708086z)
【DOI】	CNKI:SUN:GCLX.0.2011-05-020
【更新日期】	2011-06-13
【分类号】	TU398.2

最近埋头于研究宏观单元与有限元程序的编程，长时间没有写博客，对不住各位网友啦！在研究生几年写了几个自已比较满意的前后处理程序，解决的很多工程问题，但是学术价值不高，只是学习的有限元软件的应用。后来，我明白的一个道理，学习有限元最好的方法之一就是编程把它实现，而且，在长期的学习OPENSEES与PERFORM-3D的过程中发现，看到国内外这个方面的差异。“国人应当自强！”，OPENSEES发展迅速，这也让人担忧，因为国内外这个差距会越来越大。于是我想我的博士论文的一个内容就是开发一个属于自已的有限元平台MESAP（Macro Element Structure Analysis Program），译意为：基于宏观单元的结构分析程序，“ME”又表达了是“自已”的东西，双重含义。
软件基于类来编写。可不断扩展单元库与材料本构库，配有图形化的前后处理，图形界面如图所示。算例结果如图所示。


现在的单元库已经有三种梁柱单元基于柔度法纤维单元，基于刚度法法纤维单元及基于柔度法的塑性铰单元。MESAP还具有两种剪力墙单元模型：三弹簧模型（TVLEM）与多竖向弹簧模型（MVLEM），MESAP的材料库具有多种材料模型，包括Kent-Park混凝土本构模型、Pinto钢筋本构模型，其滞回曲线与OpenSEES的对比如图所示，还有一些简单的塑性铰本构如修正Clough模型等。

近期对剪力墙与梁柱等宏单元进行充分的研究与对比，将写成系统的宏观单元研究论文发表至抗震相关的期刊，希望能发表成功。国内研究宏观单元现阶段大部分还是基于DRAIN，OPENSEES，CANNY，PERFORM-3D的等软件，自主研发的软件比较少，希望我在基于MESAP平台可以开发出更好更新的宏观单元，说实话，在OPENSEES里面开发单元实在太难了，在MESAP，自已的地盘很多约定简单，所以开发单元容易呀，呵呵。不过OPENSEES实在是太好的，还是有很多地方值得学习！
开发MESAP还需要发挥我开发前后处理的功夫，把界面与功能做完善，是目前我比OPENSEES先进的其中一点，呵呵（自吹自擂了），举个例子，在OPENSEES进行低周往复，位移控制流非常难写，我在MESAP就把位移控制加载所有重要因素写在一个界面里，只要这个界面输入完整，就可以完成一系列的位移加载，改动的话也很容易，这是我自已最喜欢的设计之一，界面如图所示。

继续努力，开发MESAP，这是第一阶段，未来的路还很长！！
期待MESAP的论文发表！！

点击下载文件[论文]基于SAP2000 的复杂筏板基础分析与设计

基于SAP2000 的复杂筏板基础分析与设计
陈学伟 林生逸

PKPM具有建模快捷方便、分析功能齐全等优点，目前是国内应用最多的结构设计软件。SAP2000是世界范围内广泛应用的通用有限元软件之一，可以模拟线性、非线性结构分析，其对结构的线弹性分析结果有较好的可靠性，且计算效率较高，但其在建模方面有一定的局限性。为了实现快速建模，SAP2000做了与其他程序（如AutoCAD等）的接口，并能借助Excel等进行交互式数据编辑。利用PKPM程序导出的STRU.SAT模型记录文件，编制程序并借助Excel的批量处理功能生成SAP2000的s2k模型记录文件，再导入到SAP2000中实现复杂筏板模型的建模。并编制程序提取PKPM分析的底层内力文件WNL1.OUT中的内力组合用于SAP2000中进行结构分析。
某工程筏板基础概述
某工程筏板基础底板面标高-7.5m，筏板基础混凝土强度等级和抗渗等级分别为C35，0.8MPa，基础受力钢筋等级为HRB400。筏板基础下设置厚度为0.1m 的混凝土垫层。底板基础保护层厚度取40mm。塔楼筏板厚度为1600mm，塔楼外筏板厚度有400，700mm 两种，墙柱平面布置如图1所示。SAP2000 分析中计算沉降采用荷载的准永久组合（D+0.5L），用于配筋计算时采用荷载基本组合。

在韩老师的建议下，我开始深入地去学习结构的宏观单元的弹塑性分析方法，主要通过阅读资料及编制程序，进行电算试验来学习。其实，编程是最好的学习方法，因为有限元本身就是属于计算机的一门学科。现在着手搭建自已的有限元程序，可以为以后研究服务的。暂且名叫DINOSAP，DINOSAP v1.0在我本科的时候已经编过了，弹性的二维杆系分析软件，有点像结构求解器。现在把他的功能扩充一下，变成弹塑性分析程序。CST，QUAD4等单元都编过，加入进去是没有问题的，现加入纤维单元需要一点时间。最近的进度还不错。今天好开心，做出来第一个PUSHOVER曲线。如图所示。基本的混凝土与钢筋的本构也编好了，现在集中精力实现纤维模型的混凝土的滞回分析！
（界面是SAP2000的山寨版，呵呵）

Program: SAP IV

Donwload: Sap4 Source Code

Title: Static and Dynamic Response of Linear Systems

Developer:  K-J. Bathe, E.L. Wilson and F. E. Peterson,
Department of Civil Engineering, University of California,
Berkeley 1973

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