建筑结构常用有限元分析软件及选择

2016-12-30 by:CAE仿真在线来源:互联网

近些年,随着电脑的飞速发展,有限元软件的开发也是日新月异,特别是随着人们对结构分析的精确性和高端性的追求,越来越多的国内外有限元软件被结构工程师所采用。

大致整理了一下,目前国内建筑结构领域使用的计算软件有:PKPM、3D3S、MTS、MST、同济启明星、ETABS、SAP2000、SAFE、PERFORM-3D、MIDAS、STAAD PRO、ROBOT、EASY、FORTEN、ANSYS、ABAQUS、NASTRAN、MARC、LS-DYNA等。

其中PKPM、3D3S、MTS、MST、同济启明星属于国内开发的软件,目前使用的也比较普遍,效果也不错;ETABS、SAP2000、SAFE、PERFORM-3D、MIDAS、STAAD PRO、ROBOT、ANSYS、ABAQUS、NASTRAN、MARC、LS-DYNA是国外引进的软件,目前在国内使用的也是十分普遍,而且因为一些国人有崇洋媚外的习惯,所以相对来讲国外软件使用的更多,认可度也更高,当然,老外软件的质量起到了关键的作用。

那么这么多软件在实际使用中怎么选择呢?其实每个软件都有其独到之处,针对计算工程的不同特点,可以选择不同的分析软件,有时候可以起到事半功倍的效果。

下面就谈一下自己的一点拙见,首先是国内软件:

1、在国内PKPM可以将是葵花宝典级别的。对于多高层结构特别好用,其最大的优点,也是大家所依赖的就是可以很快的配筋并出图。现在也可以实现一些空间结构的建模与分析,但是使用起来还是有些不方便。早期人们一直都是用PKPM行遍天下,只是后来随着ETABS等国外软件进来后才有人开始对其有些微词,因为很多人觉得PKPM算起来有问题,比如不同版本算的结果区别、不规则结构建模不方便啦等,但是只要是做设计的,没有人能离开PKPM的。

2、3D3S不知道如何给它定位。这是同济大学张其林老师开发的,可以计算的结构体系有:轻钢、厂房、多高层结构、空间钢结构、索膜结构等,可以进行中国规范校核。真是神通广大啊,不过,每个模块都是单独卖的。个人看来,在国内软件中3D3S算是比较成功的了,至少在商业化方面走到比较靠前。

3、MST是浙江大学罗尧治开发的,专门用于网架和网壳结构的分析与计算,算是一个专业小软件,不过在空间结构领域可以使用一下,特别是可以用它来建模,比自己画方便多了。

4、MTS是同济大学李国强老师开发的,可以认为是针对多高层建筑结构开发的。在国内也有一定的用户,不过早期听说使用不是很方便,不知道现在改进的如何了。据介绍,这个软件可以很好的考虑阻尼器的计算,由于没有使用过,所以不是很了解。

5、同济启明星是同济大学编制的一个软件,用于深基坑、桩基础、边坡稳定、天然地基等,方向是向地下发展的。很不错,用起来挺方便的,而且目前类似的软件不多。

以上是国内软件的简单介绍,下面对国外的软件进行一下梳理:

6、ETABS、SAP2000、SAFE、PERFORM-3D等CSI系列是加州大学Berkeley分校的Wilson教授开发的。

其中ETABS是针对多高层建筑结构开发的。ETABS对国内的软件行业起到了里程碑式的作用。ETABS的出现让人们看到在计算中我们原来可以做到更多。也是ETABS让人们对结构分析提出了更高的要求,比如弹塑性分析等。目前ETABS可以做到多高层结构的快速建模、静动力分析、静力弹塑性分析、中国规范校核等,几乎涵盖了结构工程师的所有要求。

SAP2000则专注与空间结构,比如网壳类、桁架类、不规则结构等,一句话,开发者希望不能用ETABS实现的就可以SAP2000来实现,和ETABS一样,SAP2000对中国建筑结构领域软件的冲击也很大,因为在SAP2000进入中国的时候业内没有类似可以进行空间结构建模与分析的软件,在当时SAP2000算是填补了一个空白,现在SAP2000更新了很多版本(目前是12.0),增加了很多功能,比如中国规范校核等。

SAFE是专门进行楼板计算的,没用过,好像必要性不是很强。PERFORM-3D是刚推出的一套软件,专注于动力弹塑性分析,采用了大家比较期待的纤维模型,不过听说实际操作不是很方便,本人没用过,不能下结论。

7、MIDAS是韩国的一套结构设计软件,是业内的后起之秀。可以进行多高层及空间结构的建模与分析,也可以进行中国规范校核。其实,MIDAS进来的很晚,记得05、06年MIDAS用户还不是很多,但是近几年他们在销售上花了很多心思,记得07年一套才卖3万多块,可以讲是中国的市场他们是势在必得,现在MIDAS的用户已经非常多了,而且软件的更新也很快。是一套很不错的软件。

8、STAAD PRO和ROBOT可能大家不是很熟悉,不过确实是国内也在用的两套设计软件,比如上海的南站铁路是使用ROBOT计算的;STAAD的应用可能更多一些,而且有中文版。这两款软件都是可以进行任何结构体系计算的,像SAP2000和MIDAS一样,可以进行多高层和空间结构的计算与分析,STAAD带有中国规范,听说ROBOT也在做,不知道现在有没有做好。

9、EASY、FORTEN是两款索膜结构计算软件。其中EASY采用的是力密度法, FORTEN采用的是非线性有限元法。EASY在中国用到比较多,比如上海世博轴索膜结构是用这个软件计算的,不错觉得界面开发的确实不敢恭维;个人认为FORTEN的界面做得不错,近似通用有限元的界面模式,出图很漂亮。不过这两款软件在国内D版比较少,目前我还没有找到过。

10、ANSYS、ABAQUS、NASTRAN、MARC、LS-DYNA属于通用有限元软件,与设计软件不同的是,通用软件在结构计算上功能更强大,而且往往提供二次开发平台,对于高级用户而言具有更大的发挥空间。

其中ANSYS应该是在业内拥有最多用户的一款了,它不但拥有比较丰富的单元库,而且提供了APDL编程平台,使用户可以很好的进行复杂工程计算,这也是参数化建模与分析的平台。目前业内使用ANSYS计算的内容包括:多高层结构、空间结构、索膜结构、玻璃结构等;特殊问题有节点分析、动力弹塑性分析等。一个字,ANSYS太强大了,不过,ANSYS对于剪力墙的弹塑性分析方面还有一些不足。

NASTRAN是航空上的一款软件,需要借PATRAN作为前处理,但是近几年在业内也有人使用,这款软件厉害了,单元丰富、功能强大,想想看,美国飞机专用软件,算我们建筑结构还不是小菜一碟。

MARC和NASTRAN一样,都属于MSC系列的,它是一款功能齐全的高级非线性有限元软件,具有极强的结构分析能力。在高校科研工作中用的较多。近几年随着弹塑性分析的需求,很多工程是用这个软件计算的。

ABAQUS和LS-DYNA是两款比较特殊的软件,它们的计算方法为显式计算。(编者注:此处不太准确,abaqus有standard和explicit两种求解器,前者为隐式,后者为显示。)我们常用的有限元软件一般都是隐式计算方法,就是解方程[K][U]=[P],而显式计算则是使用时间积分的方法,显示积分在动力计算中几乎不存在不收敛的问题,所以在动力弹塑性分析中使用的较多,目前这是国内进行动力弹塑性分析中使用最多的两款软件。不过,关于显式计算在我们建筑结构的动力分析中是否适用一直存在着争议。

本人ABAQUS用得比较多,所以对其还算比较熟悉,像ABAQUS其最大的强项在于实体分析和壳单元分析,而杆单元的分析则不是其优势所在。所以,在我们建筑结构计算中需要用户开发一些简单的接口程序,把其他软件建立的模型导入到ABAQUS中,否则在ABAQUS中建立建筑的三维模型会累死人的,不过它的后处理还比较方便。ABAQUS的非线性功能很强大,如此强大的非线性功能,用在建筑结构领域简直太浪费了!

LS-DYNA是ANSYS系列的,据说可以把计算模型直接从ANSYS中转换过去,其动力弹塑性功能和ABAQUS差不多,这些功能都可以轻松满足我们建筑结构领域的需求。

前面对一些常用软件做了简单的介绍,了解其基本情况后作选择就比较简单了:

对于多高层结构的设计优先选择PKPM、ETABS和MTS;另外也可以选择SAP2000、MIDAS、STAAD PRO和ROBOT、3D3S;如果是计算分析,随便选一个通用有限元软件即可,强烈推荐ANSYS。

对于空间结构的设计优先选择SAP2000、MIDAS、STAAD PRO和ROBOT;纯计算分析强烈推荐ANSYS、MIDAS、SAP2000和NASTRAN;

对于索膜结构可以选择ANSYS、EASY、FORTEN、3D3S。鉴于EASY、FORTEN一定要用正版,所以还是用ANSYS和3D3S比较现实。

对于动力弹塑性分析建议采用ABAQUS和LS-DYNA;另外也可以选用ETABS(多高层)、SAP2000、MIDAS(最近推出Building专门做动力弹塑性)。

节点细部分析,建议采用ANSYS、ABSQUS;也可以选用NASTRAN和MARC。

另外对于一些特殊结构,考虑到可能会使用到简单的二次开发,所以还是建议大家选用ANSYS、ABAQUS等带有编程语言的通用软件。

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