计算机在土木工程中的应用

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1、土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用n有限元的基本原理有限元的基本原理n常用有限元分析软件简介常用有限元分析软件简介n有限元设计软件简介有限元设计软件简介n计算机制图简介计算机制图简介土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用1 1 有限元的基本原理有限元的基本原理n应力计算：应力计算：n复杂结构的应力计算复杂结构的应力计算土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用1 1 有限元的基本原理有限元的基本原理n有限单元法有限单元法： 1941 1941年年HrenikoffHrenikoff提出了所谓的网格法，它将平面弹性提出了所谓的网格法，它将平面弹性体看作是一批杆件和梁

2、；体看作是一批杆件和梁；19431943年年CourantCourant提出了在一个提出了在一个子域上采用逐段连续函数来接近未知函数。子域上采用逐段连续函数来接近未知函数。HrenikoffHrenikoff和和CourantCourant提出的无疑是有限元方法（提出的无疑是有限元方法（Finite Element Finite Element MethodMethod，简称，简称FEMFEM）的关键特性，但正式的有限元法的）的关键特性，但正式的有限元法的文献则应归功于文献则应归功于ArgyrisArgyris、KelseyKelsey、TurnerTurner、CloughClough、Ma

3、rtinMartin和和ToppTopp，其中，其中CloughClough于于19601960年第一次使用了年第一次使用了“有有限元限元”这个名词，其后有限元的研究开始迅速发展，在这个名词，其后有限元的研究开始迅速发展，在结构力学、流体力学、电学、热力学，核物理等方面都结构力学、流体力学、电学、热力学，核物理等方面都有着极为重要的应用有着极为重要的应用 土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用1 1 有限元的基本原理有限元的基本原理n有限单元法的基本思想有限单元法的基本思想： v有限元法分析计算的基本思想：有限元法分析计算的基本思想：物体离散化物体离散化单元特性分析单元特性分析选择位

4、移模式选择位移模式分析单元的力学性质分析单元的力学性质计算等效节点力计算等效节点力 单元组集单元组集求解未知节点位移求解未知节点位移土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用宏观尺度宏观尺度材料设计材料设计 有限元方法v物体离散化物体离散化将将某某个个工工程程结结构构离离散散为为由由各各种种单单元元组组成成的的计计算算模模型型，这这一一步步称称作作单元剖分。单元剖分。离离散散后后单单元元于于单单元元之之间间利利用用单单元元的的节节点点相相互互连连接接起起来来；单单元元节节点点的的设设置置、性性质质、数数目目等等应应视视问问题题的的性性质质，描描述述变变形形形形态态的的需需要要和和计算进度

5、而定。计算进度而定。用用有有限限元元分分析析计计算算所所获获得得的的结结果果只只是是近近似似的的。如如果果划划分分单单元元数数目目非常多而又合理，则所获非常多而又合理，则所获 得的结果就与实际情况相符合。得的结果就与实际情况相符合。土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用宏观尺度宏观尺度材料设计材料设计 有限元方法v分析单元的力学性质分析单元的力学性质 根据根据 单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，找出单元节点力和节点位移的关系式，置及其含义等，找出单元节点力和节点位移的关系式，这是单元分析中的关键一步。此时需要应用弹性力学这是

6、单元分析中的关键一步。此时需要应用弹性力学中的几何方程和物理方程来建立力和位移的方程式，中的几何方程和物理方程来建立力和位移的方程式，从而导出单元刚从而导出单元刚 度矩阵，这是有限元法的基本步骤度矩阵，这是有限元法的基本步骤之一。之一。土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用宏观尺度宏观尺度材料设计材料设计 有限元方法v选择位移模式选择位移模式位移法：选择节点位移作为基本未位移法：选择节点位移作为基本未 知量称为位移法；知量称为位移法；力力 法：选择节点力作为基本未法：选择节点力作为基本未 知量时称为力法；知量时称为力法；混合法：取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量时称混合法：

7、取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量时称为混合法。为混合法。 位移法易于实现计算自动化，所以，在有限单元法中位移法易于实现计算自动化，所以，在有限单元法中位移法应用范围最广。位移法应用范围最广。土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用宏观尺度宏观尺度材料设计材料设计 有限元方法v计算等效节点力计算等效节点力 物体离散化后，假定力是通过节点从一个单元物体离散化后，假定力是通过节点从一个单元 传递传递到另一个单元。但是，对于实际的连续体，力是从单到另一个单元。但是，对于实际的连续体，力是从单元的公共边传递到另一个单元中去的。因而，这种作元的公共边传递到另一个单元中去的。因而，这种作

8、用在单元边界上的表面力、体积力和集中力都需要等用在单元边界上的表面力、体积力和集中力都需要等效的移到节点上去，也就是用等效的节点力来代效的移到节点上去，也就是用等效的节点力来代 替替所有作用在单元上得力。所有作用在单元上得力。土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用宏观尺度宏观尺度材料设计材料设计 有限元方法v单元组集单元组集 利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新连接起来，形成整体的有限的结构重新连接起来，形成整体的有限 元方程元方程 v求解未知节点位移求解未知节点位移 可以根据方程组的具体特点来选择合适的可以根据方程组

9、的具体特点来选择合适的 计算方法。计算方法。土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用宏观尺度宏观尺度材料设计材料设计 有限元方法v在在大大力力推推广广CADCAD技技术术的的今今天天，从从自自行行车车到到航航天天飞飞机机，所所有有的的设设计计制制造造都都离离不不开开有有限限元元分分析析计计算算，FEAFEA在在工工程程设设计计和和分分析析中中将将得得到到越越来来越广泛的重视。越广泛的重视。v国国际际上上早早在在2020世世纪纪5050年年代代末末、6060年年代代初初就就投投入入大大量量的的人人力力和和物物力力开开发发具具有有强强大大功功能能的的有有限限元元分分析析程程序序。其其中中最

10、最为为著著名名的的是是由由美美国国国国家家宇宇航航局局（NASANASA）在在19651965年年委委托托美美国国计计算算科科学学公公司司和和贝贝尔尔航航空空系系统统公公司司开开发发的的NASTRANNASTRAN有有限限元元分分析析系系统统。该该系系统统发发展展至至今今已已有有几几十个版本，是目前世界上规模最大、功能最强的有限元分析系统。十个版本，是目前世界上规模最大、功能最强的有限元分析系统。土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用ABAQUSADINAADINAAFEMSAFEMSAirMechanicsAirMechanicsALADDINALADDINAlgorAlgorAN

11、SYSAVwin (Avansse)AVwin (Avansse)BEASYBEASYBOSS InternationalBOSS InternationalCADRECADRECADSCADSCAEFEMCAEFEMCESAR - LCPCCESAR - LCPCCAESAR II - (pipe CAESAR II - (pipe stress analysis) stress analysis) COSARCOSARCOSMOS/MCOSMOS/MCSA/GENSACSA/GENSACSA/NASTRANCSA/NASTRANCSA/Visual for CSA/Visual for A

12、utoCADAutoCADCSTRAADCSTRAADDIANADIANADYNA3DDYNA3DELFENELFENENERCALCENERCALCESACompESACompETABS(CSI)ETABS(CSI)FE/PipeFE/PipeFEItFEItFEMAPFEMAPFEMGVFEMGVFlexPDEFlexPDEGenesisGenesisGRAPE GBW16 & GBW32GRAPE GBW16 & GBW32GT STRUDLGT STRUDLHyperMesh (Altair HyperMesh (Altair Computing)Computing)I-DEAS Ma

13、ster I-DEAS Master SeriesSeriesIndus FEAIndus FEAINERTIAINERTIALapFEALapFEALARSALARSALUSASLUSASMARCMARCME/NASTRANME/NASTRAN常用有限元分析软件常用有限元分析软件 土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用常用有限元分析软件简介常用有限元分析软件简介Microstran for Microstran for WindowsWindowsMotionView (Altair MotionView (Altair Computing)Computing)MSC/DYTRAN

14、MSC/DYTRANMSC/FATIGUEMSC/FATIGUEMSC/MARCMSC/MARCMSC/NASTRANMSC/NASTRANMSC/NASTRAN (for MSC/NASTRAN (for Windows)Windows)MSC/PatranMSC/PatranmTAB*STRESSmTAB*STRESSMultiframeMultiframeNE/NastranNE/NastranNISA/DISPLAYNISA/DISPLAYOptiStruct (Altair OptiStruct (Altair Computing)Computing)P-Frame (Softek)

15、P-Frame (Softek)PDE ToolboxPDE ToolboxPDEase2DPDEase2DPENTAGON 2DPENTAGON 2DPENTAGON 3DPENTAGON 3DPERMASPERMASProkonProkonProPHLEXProPHLEXRISA-2DRISA-2DRISA-3DRISA-3DRobot 97Robot 97RSTABRSTABS-Frame (Softek)S-Frame (Softek)SAFE (CSI)SAFE (CSI)SAFISAFISAMCEFSAMCEFSAP2000 (CSI)SAP2000 (CSI)SoFiSTiKSo

16、FiSTiKSTAAD IIISTAAD IIISTAAD/ProSTAAD/ProSTARDYNESTARDYNESTRAND6STRAND6STRAPSTRAPStressCheckStressCheckTEDDSTEDDSVISAGEVISAGEZebulonZebulon常用有限元分析软件常用有限元分析软件 土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用仿真软件在我国建筑工程领域中的应用仿真软件在我国建筑工程领域中的应用 常见的通用有限元分析程序，如常见的通用有限元分析程序，如ANSYS、ABAQUS、DIANA、ADINA、IDARC、ALGOR等程序当中对国内影响比较大的是等程序

17、当中对国内影响比较大的是ANSYS 国家大剧院计算模型国家大剧院计算模型 结构的整体变形结构的整体变形 土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用使用使用ANSYS建模并进行力学分析建模并进行力学分析 在在ANSYS中导入中导入AutoCAD模型模型 使用使用ANSYS进行结构有限元分析一般分前处理、求解和后处理三步。进行结构有限元分析一般分前处理、求解和后处理三步。其中前处理当中会包含着建模、设定分析类型、设定模型材料性质参数、设其中前处理当中会包含着建模、设定分析类型、设定模型材料性质参数、设定单元类型、划分单元、施加约束和荷载几步，是整个分析过程用时最多的定单元类型、划分单元、施加

18、约束和荷载几步，是整个分析过程用时最多的部分。一个有限元分析是否合理，甚至于有限元分析是否能够正常完成都取部分。一个有限元分析是否合理，甚至于有限元分析是否能够正常完成都取决于前处理工作完成的质量决于前处理工作完成的质量 土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用叠溪藤桥设计 松坪沟上白腊海的钢结构藤桥,跨度28-30米，桥内直径3米 土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用桥身取30m：1

19、、确定轴线形状：土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用则立体的轴线如下图：土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用2、横截面构件形状：初步确定为椭圆，长向直径由桥端的4.2m至跨中的5.7m线性变化。端部、跨中断面如图所示。 端部断面 跨中断面土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用变

20、形：土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用My（杆件平面内弯曲）：单位：N，mm土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用Mz：杆件平面外弯曲土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用扭矩：土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用轴力：土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用Y向剪力：ANSYS Workbench 设计思路设计思路 在在ANSYS Workbench中导入中导入AutoCAD 模型模型 作为当今大型通用程序专业化的趋向，作为当今大型通用程序专业化的趋向，ANSYS也推出了供开发者针对也推出了供开发者针对特定分析需求，开发具自主知识产权软件

21、的专用平台特定分析需求，开发具自主知识产权软件的专用平台ANSYS Workbench。它提供了一个加载和管理各种它提供了一个加载和管理各种API组件的基本框架，在这个框架中各种组件组件的基本框架，在这个框架中各种组件通过通过Jscript、Vbscript和和HTML脚本组织成适合用户使用的脚本组织成适合用户使用的GUI，开发者，开发者自己的技术也可以向自己的技术也可以向ANSYS的技术一样编制成的技术一样编制成API融入到程序当中融入到程序当中 土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用 ANSYS Workbench自动自动进行分析，定义接触进行分析，定义接触 在在ANSYS Wo

22、rkbench环境中查看应力云图环境中查看应力云图 ANSYS功能虽然强大，但美中不足的是由于功能虽然强大，但美中不足的是由于ANSYS对对混凝土、地基等高度非线性问题的处理相当困难，相较之下混凝土、地基等高度非线性问题的处理相当困难，相较之下ABAQUS在这方面有着更有为优越的表现在这方面有着更有为优越的表现 土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用 ABAQUS 是美国是美国ABAQUS公司于公司于1978年推出的一套功年推出的一套功能强大的有限元分析软件，其解决问题的范围从相对简单的能强大的有限元分析软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。线性分析到许多

23、复杂的非线性问题。ABAQUS包括一个丰富包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。并拥有各种类型的材料的、可模拟任意几何形状的单元库。并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料。作为通用的模拟工具，沫材料以及土壤和岩石等地质材料。作为通用的模拟工具，ABAQUS 除了能解决大量结构（应力、位移）问题，还可以除了能解决大量结构（应力、位移）问题，还可以模拟其他工程领域的许多问题，

24、例如热传导、质量扩散、热模拟其他工程领域的许多问题，例如热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析（流体渗透、应力耦电耦合分析、声学分析、岩土力学分析（流体渗透、应力耦合分析）及压电介质分析合分析）及压电介质分析 土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用大连中国石油大厦大连中国石油大厦节点分析节点分析土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用土木工程概论 第18讲 计算机在土木工

25、程中的应用土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用土木工程概论

26、第18讲 计算机在土木工程中的应用kk1b.avi土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用有限元设计软件简介：有限元设计软件简介：PKPM土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用计算机制图简介：计算机制图简介：AUTOCAD土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用感谢各位同学的合作感谢各位同学的合作 祝大家学习生活愉快顺利祝大家学习生活愉快顺利 谢谢！谢谢！土木工程概论 第18讲 计算机在土木工程中的应用