搜索建筑結(jié)構(gòu)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(lián)網(wǎng)
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(jié)構(gòu)分析的精確性和高端性的追求,越來越多的國內(nèi)外有限元軟件被結(jié)構(gòu)工程師所采用。
大致整理了一下,目前國內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域使用的計(jì)算軟件有:PKPM、3D3S、MTS、MST、同濟(jì)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(jì)啟明星屬于國內(nèi)開發(fā)的軟件,目前使用的也比較普遍,效果也不錯(cuò);ETABS、SAP2000、SAFE、PERFORM-3D、MIDAS、STAAD PRO、ROBOT、ANSYS、ABAQUS、NASTRAN、MARC、LS-DYNA是國外引進(jìn)的軟件,目前在國內(nèi)使用的也是十分普遍,而且因?yàn)橐恍﹪擞谐缪竺耐獾牧?xí)慣,所以相對來講國外軟件使用的更多,認(rèn)可度也更高,當(dāng)然,老外軟件的質(zhì)量起到了關(guān)鍵的作用。
那么這么多軟件在實(shí)際使用中怎么選擇呢?其實(shí)每個(gè)軟件都有其獨(dú)到之處,針對計(jì)算工程的不同特點(diǎn),可以選擇不同的分析軟件,有時(shí)候可以起到事半功倍的效果。
下面就談一下自己的一點(diǎn)拙見,首先是國內(nèi)軟件:
1、在國內(nèi)PKPM可以將是葵花寶典級別的。對于多高層結(jié)構(gòu)特別好用,其最大的優(yōu)點(diǎn),也是大家所依賴的就是可以很快的配筋并出圖?，F(xiàn)在也可以實(shí)現(xiàn)一些空間結(jié)構(gòu)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(jìn)來后才有人開始對其有些微詞,因?yàn)楹芏嗳擞X得PKPM算起來有問題,比如不同版本算的結(jié)果區(qū)別、不規(guī)則結(jié)構(gòu)建模不方便啦等,但是只要是做設(shè)計(jì)的,沒有人能離開PKPM的。
2、3D3S不知道如何給它定位。這是同濟(jì)大學(xué)張其林老師開發(fā)的,可以計(jì)算的結(jié)構(gòu)體系有:輕鋼、廠房、多高層結(jié)構(gòu)、空間鋼結(jié)構(gòu)、索膜結(jié)構(gòu)等,可以進(jìn)行中國規(guī)范校核。真是神通廣大啊,不過,每個(gè)模塊都是單獨(dú)賣的。個(gè)人看來,在國內(nèi)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(xué)羅堯治開發(fā)的,專門用于網(wǎng)架和網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的分析與計(jì)算,算是一個(gè)專業(yè)小軟件,不過在空間結(jié)構(gòu)領(lǐng)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(jì)大學(xué)李國強(qiáng)老師開發(fā)的,可以認(rèn)為是針對多高層建筑結(jié)構(gòu)開發(fā)的。在國內(nèi)也有一定的用戶,不過早期聽說使用不是很方便,不知道現(xiàn)在改進(jìn)的如何了。據(jù)介紹,這個(gè)軟件可以很好的考慮阻尼器的計(jì)算,由于沒有使用過,所以不是很了解。
5、同濟(jì)啟明星是同濟(jì)大學(xué)編制的一個(gè)軟件,用于深基坑、樁基礎(chǔ)、邊坡穩(wěn)定、天然地基等,方向是向地下發(fā)展的。很不錯(cuò),用起來挺方便的,而且目前類似的軟件不多。
以上是國內(nèi)軟件的簡單介紹,下面對國外的軟件進(jìn)行一下梳理:
6、ETABS、SAP2000、SAFE、PERFORM-3D等CSI系列是加州大學(xué)Berkeley分校的Wilson教授開發(fā)的。
其中ETABS是針對多高層建筑結(jié)構(gòu)開發(fā)的。ETABS對國內(nèi)的軟件行業(yè)起到了里程碑式的作用。ETABS的出現(xiàn)讓人們看到在計(jì)算中我們原來可以做到更多。也是ETABS讓人們對結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的快速建模、靜動(dòng)力分析、靜力彈塑性分析、中國規(guī)范校核等,幾乎涵蓋了結(jié)構(gòu)工程師的所有要求。
SAP2000則專注與空間結(jié)構(gòu),比如網(wǎng)殼類、桁架類、不規(guī)則結(jié)構(gòu)等,一句話,開發(fā)者希望不能用ETABS實(shí)現(xiàn)的就可以SAP2000來實(shí)現(xiàn),和ETABS一樣,SAP2000對中國建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域軟件的沖擊也很大,因?yàn)樵赟AP2000進(jìn)入中國的時(shí)候業(yè)內(nèi)沒有類似可以進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)建模與分析的軟件,在當(dāng)時(shí)SAP2000算是填補(bǔ)了一個(gè)空白,現(xiàn)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(jìn)行樓板計(jì)算的,沒用過,好像必要性不是很強(qiáng)。PERFORM-3D是剛推出的一套軟件,專注于動(dòng)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(shí)際操作不是很方便,本人沒用過,不能下結(jié)論。
7、MIDAS是韓國的一套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件,是業(yè)內(nèi)的后起之秀。可以進(jìn)行多高層及空間結(jié)構(gòu)的建模與分析,也可以進(jìn)行中國規(guī)范校核。其實(shí),MIDAS進(jìn)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(xiàn)在MIDAS的用戶已經(jīng)非常多了,而且軟件的更新也很快。是一套很不錯(cuò)的軟件。
8、STAAD PRO和ROBOT可能大家不是很熟悉,不過確實(shí)是國內(nèi)也在用的兩套設(shè)計(jì)軟件,比如上海的南站鐵路是使用ROBOT計(jì)算的;STAAD的應(yīng)用可能更多一些,而且有中文版。這兩款軟件都是可以進(jìn)行任何結(jié)構(gòu)體系計(jì)算的,像SAP2000和MIDAS一樣,可以進(jìn)行多高層和空間結(jié)構(gòu)的計(jì)算與分析,STAAD帶有中國規(guī)范,聽說ROBOT也在做,不知道現(xiàn)在有沒有做好。
9、EASY、FORTEN是兩款索膜結(jié)構(gòu)計(jì)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(jié)構(gòu)是用這個(gè)軟件計(jì)算的,不錯(cuò)覺得界面開發(fā)的確實(shí)不敢恭維;個(gè)人認(rèn)為FORTEN的界面做得不錯(cuò),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(nèi)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(shè)計(jì)軟件不同的是,通用軟件在結(jié)構(gòu)計(jì)算上功能更強(qiáng)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(yīng)該是在業(yè)內(nèi)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(jìn)行復(fù)雜工程計(jì)算,這也是參數(shù)化建模與分析的平臺。目前業(yè)內(nèi)使用ANSYS計(jì)算的內(nèi)容包括:多高層結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)、索膜結(jié)構(gòu)、玻璃結(jié)構(gòu)等;特殊問題有節(jié)點(diǎn)分析、動(dòng)力彈塑性分析等。一個(gè)字,ANSYS太強(qiáng)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(nèi)也有人使用,這款軟件厲害了,單元豐富、功能強(qiáng)大,想想看,美國飛機(jī)專用軟件,算我們建筑結(jié)構(gòu)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(qiáng)的結(jié)構(gòu)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(gè)軟件計(jì)算的。
ABAQUS和LS-DYNA是兩款比較特殊的軟件,它們的計(jì)算方法為顯式計(jì)算。(編者注:此處不太準(zhǔn)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(jì)算方法,就是解方程[K][U]=[P],而顯式計(jì)算則是使用時(shí)間積分的方法,顯示積分在動(dòng)力計(jì)算中幾乎不存在不收斂的問題,所以在動(dòng)力彈塑性分析中使用的較多,目前這是國內(nèi)進(jìn)行動(dòng)力彈塑性分析中使用最多的兩款軟件。不過,關(guān)于顯式計(jì)算在我們建筑結(jié)構(gòu)的動(dòng)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(qiáng)項(xiàng)在于實(shí)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(jié)構(gòu)計(jì)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(dǎo)入到ABAQUS中,否則在ABAQUS中建立建筑的三維模型會(huì)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(qiáng)大,如此強(qiáng)大的非線性功能,用在建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域簡直太浪費(fèi)了!
LS-DYNA是ANSYS系列的,據(jù)說可以把計(jì)算模型直接從ANSYS中轉(zhuǎn)換過去,其動(dòng)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(jié)構(gòu)領(lǐng)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(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(jì)算分析,隨便選一個(gè)通用有限元軟件即可,強(qiáng)烈推薦ANSYS。
對于空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)先選擇SAP2000、MIDAS、STAAD PRO和ROBOT;純計(jì)算分析強(qiáng)烈推薦ANSYS、MIDAS、SAP2000和NASTRAN;
對于索膜結(jié)構(gòu)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(xiàn)實(shí)。
對于動(dòng)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(dòng)力彈塑性)。
節(jié)點(diǎn)細(xì)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(jié)構(gòu),考慮到可能會(huì)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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