[發明專利]一種確定結構多尺度動力分析中子模型尺寸的方法

有效

• 申請號: 201410051516.9
• 申請日: 2014-02-14
• 公開（公告）號: CN103761402B
• 公開（公告）日: 2016-10-26
• 發明（設計）人: 王浩;王春峰;陶天友
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

技術領域

本發明涉及一種確定結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，保證分析結果的準確性，為大型復雜工程結構如橋梁、建筑結構等的多尺度動力時程分析提供有效手段。

背景技術

采用有限元方法對各類工程結構進行靜動力分析是結構分析的發展方向。然而近年來，橋梁跨度、建筑高度等紀錄不斷被刷新，新型復雜結構體系不斷涌現，這些都大大增加了結構分析的難度。對于大型復雜土木結構而言，采用常規有限元模擬技術還難以對結構受力狀態進行精細模擬。目前，常用的結構有限元模型，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構模型，尺度單一，無法描述和模擬構造的細節，這樣的建模必然難以反映出結構的真實情況，使得有限元結構分析結果與實際真實的結果相差甚遠。正因為此，工程學科和力學學科都將復雜結構體系的建模與精細分析作為當前的關鍵科學問題之一。

為了獲得大型復雜結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，對結構各部位進行有限元精細模擬，但由于模型的節點數和單元數很大，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，分析復雜結構關鍵部位的精確響應的另一方法是對結構整體模型和局部精細模型進行分別建模，先建立整體結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。

多尺度模擬和分析計算是近年來迅速發展起來的研究熱點，正逐步被證明是大型復雜工程結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構分析領域，隨著結構跨度、結構形式和建造技術的不斷發展，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、缺陷和損傷的大型結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經驗來確定。

雖然自20世紀70年代以來，結構有限元分析技術及計算機軟硬件技術均取得了飛速發展，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，可便捷的實現結構多尺度動力分析。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，使得分析結果難以滿足精度要求，最終提升大型復雜結構多尺度動力分析的效率及可靠性。

發明內容

發明目的：為了克服現有結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，本發明提供了一種確定結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構整體計算耗機耗時的問題，在提升結構動力多尺度計算效率的同時，保證了計算結果的準確性和可靠性。

技術方案：為解決上述問題，本發明提供了一種確定結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，

第一步：根據設計圖紙，建立大跨結構的整體模型，用網格劃分尺度為米級的粗網格對大跨結構整體模型進行劃分，不考慮結構局部的一些構造細節，

第二步：采用常用數值積分法進行動力反應數值分析并求解計算，根據整體模型的計算結果，得知整體模型的薄弱部位和應力集中部位，從而確定結構的關鍵部位，