建筑結構常用有限元分析軟件及選擇

2016-12-30 by:CAE仿真在線來源:互聯網

近些年,隨著電腦的飛速發(fā)展,有限元軟件的開發(fā)也是日新月異,特別是隨著人們對結構分析的精確性和高端性的追求,越來越多的國內外有限元軟件被結構工程師所采用。

大致整理了一下,目前國內建筑結構領域使用的計算軟件有:PKPM、3D3S、MTS、MST、同濟啟明星、ETABS、SAP2000、SAFE、PERFORM-3D、MIDAS、STAAD PRO、ROBOT、EASY、FORTEN、ANSYS、ABAQUS、NASTRAN、MARC、LS-DYNA等。

其中PKPM、3D3S、MTS、MST、同濟啟明星屬于國內開發(fā)的軟件,目前使用的也比較普遍,效果也不錯;ETABS、SAP2000、SAFE、PERFORM-3D、MIDAS、STAAD PRO、ROBOT、ANSYS、ABAQUS、NASTRAN、MARC、LS-DYNA是國外引進的軟件,目前在國內使用的也是十分普遍,而且因為一些國人有崇洋媚外的習慣,所以相對來講國外軟件使用的更多,認可度也更高,當然,老外軟件的質量起到了關鍵的作用。

那么這么多軟件在實際使用中怎么選擇呢?其實每個軟件都有其獨到之處,針對計算工程的不同特點,可以選擇不同的分析軟件,有時候可以起到事半功倍的效果。

下面就談一下自己的一點拙見,首先是國內軟件:

1、在國內PKPM可以將是葵花寶典級別的。對于多高層結構特別好用,其最大的優(yōu)點,也是大家所依賴的就是可以很快的配筋并出圖?，F在也可以實現一些空間結構的建模與分析,但是使用起來還是有些不方便。早期人們一直都是用PKPM行遍天下,只是后來隨著ETABS等國外軟件進來后才有人開始對其有些微詞,因為很多人覺得PKPM算起來有問題,比如不同版本算的結果區(qū)別、不規(guī)則結構建模不方便啦等,但是只要是做設計的,沒有人能離開PKPM的。

2、3D3S不知道如何給它定位。這是同濟大學張其林老師開發(fā)的,可以計算的結構體系有:輕鋼、廠房、多高層結構、空間鋼結構、索膜結構等,可以進行中國規(guī)范校核。真是神通廣大啊,不過,每個模塊都是單獨賣的。個人看來,在國內軟件中3D3S算是比較成功的了,至少在商業(yè)化方面走到比較靠前。

3、MST是浙江大學羅堯治開發(fā)的,專門用于網架和網殼結構的分析與計算,算是一個專業(yè)小軟件,不過在空間結構領域可以使用一下,特別是可以用它來建模,比自己畫方便多了。

4、MTS是同濟大學李國強老師開發(fā)的,可以認為是針對多高層建筑結構開發(fā)的。在國內也有一定的用戶,不過早期聽說使用不是很方便,不知道現在改進的如何了。據介紹,這個軟件可以很好的考慮阻尼器的計算,由于沒有使用過,所以不是很了解。

5、同濟啟明星是同濟大學編制的一個軟件,用于深基坑、樁基礎、邊坡穩(wěn)定、天然地基等,方向是向地下發(fā)展的。很不錯,用起來挺方便的,而且目前類似的軟件不多。

以上是國內軟件的簡單介紹,下面對國外的軟件進行一下梳理:

6、ETABS、SAP2000、SAFE、PERFORM-3D等CSI系列是加州大學Berkeley分校的Wilson教授開發(fā)的。

其中ETABS是針對多高層建筑結構開發(fā)的。ETABS對國內的軟件行業(yè)起到了里程碑式的作用。ETABS的出現讓人們看到在計算中我們原來可以做到更多。也是ETABS讓人們對結構分析提出了更高的要求,比如彈塑性分析等。目前ETABS可以做到多高層結構的快速建模、靜動力分析、靜力彈塑性分析、中國規(guī)范校核等,幾乎涵蓋了結構工程師的所有要求。

SAP2000則專注與空間結構,比如網殼類、桁架類、不規(guī)則結構等,一句話,開發(fā)者希望不能用ETABS實現的就可以SAP2000來實現,和ETABS一樣,SAP2000對中國建筑結構領域軟件的沖擊也很大,因為在SAP2000進入中國的時候業(yè)內沒有類似可以進行空間結構建模與分析的軟件,在當時SAP2000算是填補了一個空白,現在SAP2000更新了很多版本(目前是12.0),增加了很多功能,比如中國規(guī)范校核等。

SAFE是專門進行樓板計算的,沒用過,好像必要性不是很強。PERFORM-3D是剛推出的一套軟件,專注于動力彈塑性分析,采用了大家比較期待的纖維模型,不過聽說實際操作不是很方便,本人沒用過,不能下結論。

7、MIDAS是韓國的一套結構設計軟件,是業(yè)內的后起之秀?？梢赃M行多高層及空間結構的建模與分析,也可以進行中國規(guī)范校核。其實,MIDAS進來的很晚,記得05、06年MIDAS用戶還不是很多,但是近幾年他們在銷售上花了很多心思,記得07年一套才賣3萬多塊,可以講是中國的市場他們是勢在必得,現在MIDAS的用戶已經非常多了,而且軟件的更新也很快。是一套很不錯的軟件。

8、STAAD PRO和ROBOT可能大家不是很熟悉,不過確實是國內也在用的兩套設計軟件,比如上海的南站鐵路是使用ROBOT計算的;STAAD的應用可能更多一些,而且有中文版。這兩款軟件都是可以進行任何結構體系計算的,像SAP2000和MIDAS一樣,可以進行多高層和空間結構的計算與分析,STAAD帶有中國規(guī)范,聽說ROBOT也在做,不知道現在有沒有做好。

9、EASY、FORTEN是兩款索膜結構計算軟件。其中EASY采用的是力密度法, FORTEN采用的是非線性有限元法。EASY在中國用到比較多,比如上海世博軸索膜結構是用這個軟件計算的,不錯覺得界面開發(fā)的確實不敢恭維;個人認為FORTEN的界面做得不錯,近似通用有限元的界面模式,出圖很漂亮。不過這兩款軟件在國內D版比較少,目前我還沒有找到過。

10、ANSYS、ABAQUS、NASTRAN、MARC、LS-DYNA屬于通用有限元軟件,與設計軟件不同的是,通用軟件在結構計算上功能更強大,而且往往提供二次開發(fā)平臺,對于高級用戶而言具有更大的發(fā)揮空間。

其中ANSYS應該是在業(yè)內擁有最多用戶的一款了,它不但擁有比較豐富的單元庫,而且提供了APDL編程平臺,使用戶可以很好的進行復雜工程計算,這也是參數化建模與分析的平臺。目前業(yè)內使用ANSYS計算的內容包括:多高層結構、空間結構、索膜結構、玻璃結構等;特殊問題有節(jié)點分析、動力彈塑性分析等。一個字,ANSYS太強大了,不過,ANSYS對于剪力墻的彈塑性分析方面還有一些不足。

NASTRAN是航空上的一款軟件,需要借PATRAN作為前處理,但是近幾年在業(yè)內也有人使用,這款軟件厲害了,單元豐富、功能強大,想想看,美國飛機專用軟件,算我們建筑結構還不是小菜一碟。

MARC和NASTRAN一樣,都屬于MSC系列的,它是一款功能齊全的高級非線性有限元軟件,具有極強的結構分析能力。在高?？蒲泄ぷ髦杏玫妮^多。近幾年隨著彈塑性分析的需求,很多工程是用這個軟件計算的。

ABAQUS和LS-DYNA是兩款比較特殊的軟件,它們的計算方法為顯式計算。(編者注:此處不太準確,abaqus有standard和explicit兩種求解器,前者為隱式,后者為顯示。)我們常用的有限元軟件一般都是隱式計算方法,就是解方程[K][U]=[P],而顯式計算則是使用時間積分的方法,顯示積分在動力計算中幾乎不存在不收斂的問題,所以在動力彈塑性分析中使用的較多,目前這是國內進行動力彈塑性分析中使用最多的兩款軟件。不過,關于顯式計算在我們建筑結構的動力分析中是否適用一直存在著爭議。

本人ABAQUS用得比較多,所以對其還算比較熟悉,像ABAQUS其最大的強項在于實體分析和殼單元分析,而桿單元的分析則不是其優(yōu)勢所在。所以,在我們建筑結構計算中需要用戶開發(fā)一些簡單的接口程序,把其他軟件建立的模型導入到ABAQUS中,否則在ABAQUS中建立建筑的三維模型會累死人的,不過它的后處理還比較方便。ABAQUS的非線性功能很強大,如此強大的非線性功能,用在建筑結構領域簡直太浪費了!

LS-DYNA是ANSYS系列的,據說可以把計算模型直接從ANSYS中轉換過去,其動力彈塑性功能和ABAQUS差不多,這些功能都可以輕松滿足我們建筑結構領域的需求。

前面對一些常用軟件做了簡單的介紹,了解其基本情況后作選擇就比較簡單了:

對于多高層結構的設計優(yōu)先選擇PKPM、ETABS和MTS;另外也可以選擇SAP2000、MIDAS、STAAD PRO和ROBOT、3D3S;如果是計算分析,隨便選一個通用有限元軟件即可,強烈推薦ANSYS。

對于空間結構的設計優(yōu)先選擇SAP2000、MIDAS、STAAD PRO和ROBOT;純計算分析強烈推薦ANSYS、MIDAS、SAP2000和NASTRAN;

對于索膜結構可以選擇ANSYS、EASY、FORTEN、3D3S。鑒于EASY、FORTEN一定要用正版,所以還是用ANSYS和3D3S比較現實。

對于動力彈塑性分析建議采用ABAQUS和LS-DYNA;另外也可以選用ETABS(多高層)、SAP2000、MIDAS(最近推出Building專門做動力彈塑性)。

節(jié)點細部分析,建議采用ANSYS、ABSQUS;也可以選用NASTRAN和MARC。

另外對于一些特殊結構,考慮到可能會使用到簡單的二次開發(fā),所以還是建議大家選用ANSYS、ABAQUS等帶有編程語言的通用軟件。

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