一種確定結(jié)構多尺度動力分析中子模型尺寸的方法
【專利摘要】一種確定結(jié)構多尺度動力分析中子模型尺寸的方法，解決了大型結(jié)構多尺度動力分析中，子模型的尺寸大小難以準確確定的問題。該法首先建立大型結(jié)構的整體模型，根據(jù)整體分析結(jié)果確定結(jié)構關鍵部位，建立其初始子模型。進行初始子模型的動力響應計算，結(jié)果設為β1；將初始子模型的尺寸增加a倍建立更新子模型，其動力響應結(jié)果設為β2；由β1和β2計算出分析結(jié)果精度的保證率δ，通過δ與所設最優(yōu)保證率的對比來最終確定計算結(jié)果的精度是否滿足要求，以及是否需要進一步增大子模型尺寸。該法避免了大型復雜結(jié)構整體建模分析耗機耗時的問題，提高了結(jié)構多尺度動力分析的建模和計算效率，確保了計算結(jié)果的準確性和可靠性，便于在廣大工程結(jié)構設計分析人員中推廣應用。
【專利說明】—種確定結(jié)構多尺度動力分析中子模型尺寸的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種確定結(jié)構多尺度動力分析中子模型尺寸的方法，能夠在確保多尺度動力分析計算效率的同時，保證分析結(jié)果的準確性，為大型復雜工程結(jié)構如橋梁、建筑結(jié)構等的多尺度動力時程分析提供有效手段。
【背景技術】
[0002]采用有限元方法對各類工程結(jié)構進行靜動力分析是結(jié)構分析的發(fā)展方向。然而近年來，橋梁跨度、建筑高度等紀錄不斷被刷新，新型復雜結(jié)構體系不斷涌現(xiàn)，這些都大大增加了結(jié)構分析的難度。對于大型復雜土木結(jié)構而言，采用常規(guī)有限元模擬技術還難以對結(jié)構受力狀態(tài)進行精細模擬。目前，常用的結(jié)構有限元模型，尤其是用于抗風抗震等動力分析的有限元模型還是高度簡化的整體結(jié)構模型，尺度單一，無法描述和模擬構造的細節(jié)，這樣的建模必然難以反映出結(jié)構的真實情況，使得有限元結(jié)構分析結(jié)果與實際真實的結(jié)果相差甚遠。正因為此，工程學科和力學學科都將復雜結(jié)構體系的建模與精細分析作為當前的關鍵科學問題之一。
[0003]為了獲得大型復雜結(jié)構關鍵部位的精確響應，可以在整體模型建模時即考慮構造細節(jié)，對結(jié)構各部位進行有限元精細模擬，但由于模型的節(jié)點數(shù)和單元數(shù)很大，使得該法對計算機的軟硬件性能要求均很高，而且過大的整體模型必定會導致計算中的出錯概率大大增加。此外，分析復雜結(jié)構關鍵部位的精確響應的另一方法是對結(jié)構整體模型和局部精細模型進行分別建模，先建立整體結(jié)構模型并對其進行受力分析，然后針對關鍵部位建立精細模型，將整體分析結(jié)果作為精細模型的邊界條件，手動施加到精細模型上進行求解。只要精細模型的尺寸滿足要求，由圣維南原理可知，精細模型中遠離邊界的響應值則較精確的。很顯然，由于該法需要人工干預來對精細模型施加邊界條件與荷載，步驟繁瑣且容易出錯。
[0004]多尺度模擬和分析計算是近年來迅速發(fā)展起來的研究熱點，正逐步被證明是大型復雜工程結(jié)構關鍵部位精細響應分析的有效手段，已開始在很多領域包括材料科學、化學、流體力學和生物學等得到成功應用。在大型復雜土木工程結(jié)構分析領域，隨著結(jié)構跨度、結(jié)構形式和建造技術的不斷發(fā)展，其關鍵部位的精細響應同樣需要在不同的尺度中進行分析。目前，多尺度分析方法在土木工程領域也開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鍵部位的精細分析等，獲得了結(jié)構關鍵部位的動靜力精細響應。然而總體而言，建立可同時描述大型復雜結(jié)構整體宏觀和局部細觀行為的多尺度動力分析方法，以準確獲取結(jié)構在外部作用下的真實動力響應，尚有很長的路要走。能夠考慮局部構造細節(jié)、缺陷和損傷的大型結(jié)構有限元建模理論與分析手段仍然比較匱乏，有待進一步的探索和創(chuàng)新。這其中的關鍵問題之一，就是目前尚無科學手段來確定結(jié)構多尺度動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)驗來確定。
[0005]雖然自20世紀70年代以來，結(jié)構有限元分析技術及計算機軟硬件技術均取得了飛速發(fā)展，一大批功能強大的土木領域常用軟件如ANSYS、ABAQUS, MIDAS、ADINA、MSC/NASTRAN和SuperSAP等應運而生，并得到越來越廣泛的應用。這些常用軟件大都自帶多尺度分析模塊，可便捷的實現(xiàn)結(jié)構多尺度動力分析。然而，上述通用軟件同樣未涉及子模型尺寸大小的確定問題。針對上述結(jié)構多尺度動力分析方法中存在的子模型尺寸大小難以準確確定的問題，有必要提供一種科學手段，使得有限元子模型即不會過大，避免重復性建模所花費的大量時間，又不會過小，使得分析結(jié)果難以滿足精度要求，最終提升大型復雜結(jié)構多尺度動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)構多尺度動力分析中，子模型尺寸尚無科學確定手段的問題，本發(fā)明提供了一種確定結(jié)構多尺度動力分析中子模型尺寸的方法，可以有效避免大型工程結(jié)構整體計算耗機耗時的問題，在提升結(jié)構動力多尺度計算效率的同時，保證了計算結(jié)果的準確性和可靠性。
[0007]技術方案:為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種確定結(jié)構多尺度動力分析中合理的子模型尺寸的方法，使得在確保多尺度動力分析結(jié)果準確可靠的前提下，通過控制子模型尺寸的大小來減少計算量，
[0008]第一步:根據(jù)設計圖紙，建立大跨結(jié)構的整體模型，用網(wǎng)格劃分尺度為米級的粗網(wǎng)格對大跨結(jié)構整體模型進行劃分，不考慮結(jié)構局部的一些構造細節(jié)，
[0009]第二步: 采用常用數(shù)值積分法進行動力反應數(shù)值分析并求解計算，根據(jù)整體模型的計算結(jié)果，得知整體模型的薄弱部位和應力集中部位，從而確定結(jié)構的關鍵部位，
[0010]第三步:由結(jié)構整體模型分析得到的內(nèi)力和位移響應得出整體模型的薄弱部位、應力集中部位和用戶所要求和關心的部位，將這些部位作為最終需要在整體模型中建立子模型進行專門分析的結(jié)構部位，
[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)構重要性共同確定:結(jié)構越重要，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)構多尺度動力分析的初始子模型，
[0012]第五步:采用結(jié)構多尺度動力分析方法，基于初始子模型進行結(jié)構動力響應分析，并采用逐步積分法進行計算得到初始子模型的動力響應值，設該值為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)驗和大跨結(jié)構重要性可以確定增大系數(shù)a的一個范圍，結(jié)構越重要，則增大系數(shù)a在這個范圍中取得值就越大，根據(jù)圣維南原理，整個子模型的響應值就會越精確，
[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行結(jié)構動力響應分析，采用逐步積分法計算得到新建子模型的動力響應值，設該值為β2，并結(jié)合P1值進行分析結(jié)果精度的保證率S計算，計算公式如公式(I)
[0015]
【權利要求】
1.一種確定結(jié)構多尺度動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)設計圖紙，建立大跨結(jié)構的整體模型，用網(wǎng)格劃分尺度為米級的粗網(wǎng)格對大跨結(jié)構整體模型進行劃分，不考慮結(jié)構局部的一些構造細節(jié)， 第二步:采用常用數(shù)值積分法進行動力反應數(shù)值分析并求解計算，根據(jù)整體模型的計算結(jié)果，得知整體模型的薄弱部位和應力集中部位，從而確定結(jié)構的關鍵部位， 第三步:由結(jié)構整體模型分析得到的內(nèi)力和位移響應得出整體模型的薄弱部位、應力集中部位和用戶所要求和關心的部位，將這些部位作為最終需要在整體模型中建立子模型進行專門分析的結(jié)構部位， 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)構重要性共同確定:結(jié)構越重要，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)構多尺度動力分析的初始子模型， 第五步:采用結(jié)構多尺度動力分析方法，基于初始子模型進行結(jié)構動力響應分析，并采用逐步積分法進行計算得到初始子模型的動力響應值，設該值為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)驗和大跨結(jié)構重要性可以確定增大系數(shù)a的一個范圍，結(jié)構越重要，則增大系數(shù)a在這個范圍中取得值就越大，根據(jù)圣維南原理，整個子模型的響應值就會越精確， 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行結(jié)構動力響應分析，采用逐步積分法計算得到新建子模型的動力響應值，設該值為β2，并結(jié)合^值進行分析結(jié)果精度的保證率δ計算，計算公式如公式(I)
2.根據(jù)權利要求1所述的確定結(jié)構多尺度動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)構多尺度動力分析方法中，需在第四步確定初始子模型的大小后，先根據(jù)第二步整體模型計算結(jié)果，由整體模型相應位置的節(jié)點位移和應力邊界條件進行插值，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施加，同樣采用結(jié)構動力響應分析中的逐步積分法計算出初始子模型的動力響應值，并賦值為β:。
3.根據(jù)權利要求1所述的確定結(jié)構多尺度動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驗算中，若計算保證率δ不能達到用戶預先設定的保證率時，則需要在整體模型中增大建立子模型的區(qū)段；把本次計算所用更新子模型作為下一步計算的初始子模型，先把β2賦值給，再重復第六步和第八步的過程，計算中增大系數(shù)a無需再次確定，直到計算出的保證率δ不大于用戶預先設定的保證率值，則確定該更新子模型作為最終用于計算的子模型，同時確定了最終子模型的尺寸。
4.根據(jù)權利要求1所述的確定結(jié)構多尺度動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】G06F17/50GK103761402SQ201410051516
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年2月14日 優(yōu)先權日:2014年2月14日
【發(fā)明者】王浩, 王春峰, 陶天友 申請人:東南大學