一种基于Excel的SRC构件有限元模型的弹簧单元建模方法技术

本发明专利技术公开了一种基于Excel的SRC构件有限元模型的弹簧单元建模方法：建立SRC构件的有限元模型并保存inp文件；将inp文件中型钢节点信息复制到Sheet1第1列并分为四列；将混凝土节点信息复制到第5列并分为四列；将第1列型钢节点编号复制到第10列并在混凝土节点中寻找与第一行2、3、4列的型钢节点坐标相同的混凝土节点编号在每行10、11列得到坐标相同的型钢和混凝土节点编号；得到弹簧单元所需的型钢和混凝土节点编号；在第12列得到inp文件所需的弹簧单元；将第12列弹簧单元复制到inp文件中要求的位置，并在第一个弹簧单元前面添加弹簧单元的属性。本发明专利技术能够高效且准确地完成弹簧单元的添加，从而用于考虑粘结滑移性能的SRC构件或结构的有限元仿真分析。

A Spring Element Modeling Method Based on Excel for Finite Element Model of SRC Components

【技术实现步骤摘要】
一种基于Excel的SRC构件有限元模型的弹簧单元建模方法
本专利技术属于建筑与土木工程仿真分析领域，具体涉及一种基于Excel的SRC构件有限元模型的弹簧单元建模方法。
技术介绍
型钢混凝土(Steelreinforcedconcrete，SRC)因强度高、刚度大且抗震性能良好等优势，在国内外广泛应用于高层建筑结构中。SRC构件中两种材料的粘结作用决定着钢材和混凝的土协同工作性能，有研究表明，型钢与混凝土间粘结强度不足光圆钢筋与混凝土粘结强度的50％，较弱的粘结强度导致两种材料在界面处易产生滑移现象，滑移会使得二者共同工作能力下降，并直接对构件的强度、刚度及适用性产生严重影响，因此SRC粘结滑移性能成为了SRC结构理论研究的关键问题，国内外学者就此问题进行了大量的试验研究，得到了粘结滑移强度、本构关系等重要理论。且众多学者在进行粘结滑移试验研究时，都提出该研究属于SRC结构的有限元分析的基础工作，然而，目前关于SRC粘结滑移的有限元分析研究却较少、工作效率不高且不够准确，以至于未能将试验所得粘结滑移理论很好地应用于有限元分析中，其原因是考虑粘结滑移的SRC构件有限元建模手动操作工作量大且难度极高，此问题相关文献中均有体现。如黄长鑫利用ABAQUS分析SRC梁式转换框架时，因人工输入非线性弹簧单元工作量巨大而调整了网格尺寸，文献中也可看到其网格尺寸较粗糙，自然导致有限元分析结果不准确；杨勇利用ANSYS建立考虑粘结滑移的SRC梁试件有限元模型时，提到了较为繁琐的操作方法；王广勇利用ABAQUS考虑SRC粘结滑移时因非线性弹簧单元建模工作量大，选择库仑摩擦以摩擦力完全代替粘结力，由粘结滑移机理可知该做法不甚合理。大量文献表明ABAQUS提供了能够考虑粘结滑移的弹簧单元，基于ABAQUS强大的非线性功能，更多的研究者在进行SRC构件或结构的仿真分析时多选用ABAQUS，ABAQUS中的弹簧单元虽然适合分析粘结滑移性能，但由于以下问题很难被工程领域的研究者应用：(1)ABAQUS中的弹簧单元分为弹性弹簧单元(Spring1)和非线性弹簧单元(Spring2)，在图形用户界面操作中只能添加弹性弹簧单元，而非线性弹簧单元只能通过修改inp文件添加，非线性弹簧单元需要定义两个分别连接在型钢和混凝土上，且坐标完全相同的节点(位置重合)，且需要按照图1所示的格式输入到inp文件中。第一行表示在名为“SpingZ_yywc”集合中的弹簧单元被定义为Spring2(非线性弹簧)，第二行以后都表示弹簧单元，以第二行的“1，S-1.197，C-1.28”为例说明弹簧单元的规则，以逗号分为三列，第一列的“1”表示弹簧单元的编号为1；第二列“S-1.197”表示型钢上编号为“197”的节点为1号弹簧单元的第一个节点，型钢上的节点都以“S-1.”为开头，S为有限元模型中型钢的名称；第三列“C-1.28”表示混凝土上编号为“28”的节点1号弹簧单元的第二个节点，混凝土上的节点都以“C-1.”为开头，C为有限元模型中混凝土的名称，且型钢上的197号节点和混凝土上的28号节点的坐标完全一样，可以认为这两个节点在模型中是重合的。除了按照上述方法定义弹簧单元以外，还需要对弹簧单元添加非线性的F-D关系，F-D关系按照本领域公知的方法计算，如图2所示，第一行表示为名为“SpingZ_yywc”的弹簧单元集合定义非线性弹簧属性，第二行表示F-D关系的方向，第三行以后表示所定义的非线性弹簧单元的F-D曲线，其中第一列表示F，第二列表示与F对应的D。需要强调的是弹性弹簧单元的添加方法有利用inp文件添加和利用图形用户界面(GUI)添加，其中利用inp文件添加弹性弹簧单元的过程和非线性弹簧单元一样复杂，弹簧单元的格式是相同的，区别在于定义弹性弹簧属性的时候选择Spring1，且不需要定义F-D曲线而是定义一个刚度；通过GUI添加时的操作方法是每定义一个弹簧单元则需要在GUI中选择两个节点，其中一个节点在型钢上，另一个节点在混凝土上，需要添加几个弹簧单元就需要重复操作几次，该方法工作量太大且出错率极高，实际应用时几乎不可用。(2)由以上过程可知，定义弹簧单元时需要找到型钢与混凝土上若干成对的节点用于定义弹簧单元，且需要强调的是实际中型钢和混凝土的粘结滑移存在于二者界面的任意位置，这样就导致理论上需要添加的弹簧单元应该有无穷个，所以为尽可能地符合实际必须建立足够多的弹簧单元，这就需要有限元模型的网格足够的精细，在此基础上手动在inp格式文件中按照要求输入足够多的成对节点，此事难度极大。以埋置长度为540mm的SRC构件来说明非线性弹簧单元的建模难度，该构件的有限元模型如图3、图4所示，图3为型钢、图4为混凝土、图5为型钢和混凝土组装而成的SRC构件。当该试件网格尺寸划分为5mm时，此时混凝土节点有151074个，型钢节点有27864个，对应的节点对(模型中接触面处型钢与混凝土重合的节点对)有13298对，即13298个弹簧单元需要添加，要人工在151074个混凝土节点和27864个型钢节点中找出坐标完全一致且随机对应的13298组节点对，其难度可想而知。若在网格划分更精细或对于长度超过3m，横截面尺寸更大的实际构件、甚至结构考虑粘结滑移性能时，则需要添加数百万非线性弹簧单元，显然，此时人工查找两个坐标一样的节点来定义非线性弹簧单元几乎是不可能的。正因添加非线性弹簧单元存在极大地难度，现有文献在对结构或实际构件进行有限元模拟时几乎都不考虑界面的粘结滑移或者考虑的不够合理。为了解决在利用有限元仿真分析考虑粘结滑移性能的SRC构件或结构时操作难度大、准确率低、工作效率差的问题，提出了一种新的SRC构件有限元模型的弹簧单元建模方法是很有必要的。
技术实现思路
针对上述现有技术中利用有限元仿真分析SRC构件的粘结滑移性能时存在的操作难度极大、工作效率极低的问题，本专利技术的目的在于，提出一种基于Excel的SRC构件有限元模型的弹簧单元建模方法。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案予以解决：一种基于Excel的SRC构件有限元模型的弹簧单元建模方法，包括以下步骤：步骤1，建立SRC构件的ABAQUS有限元模型，创建一个Job并保存有限元模型的inp文件；步骤2，打开inp文件，新建一个Excel文件，并将inp文件中的型钢的节点编号及坐标信息复制到Excel中Sheet1的A列，利用Excel的分列功能将复制在A列的型钢节点信息分为四列，这四列分别是型钢各节点的节点编号、X坐标、Y坐标和Z坐标，分别处于A、B、C、D列；步骤3，将inp文件中的混凝土的节点编号及坐标信息复制到Sheet1的E列，并利用Excel的分列功能将复制在E列的混凝土节点信息分为四列，这四列分别是混凝土各节点的节点编号、X坐标、Y坐标和Z坐标，分别处于E、F、G、H列；步骤4，将A列的型钢节点编号复制到J列，并在K列的第一个单元格K1输入纵向查找函数，自动寻找F、G、H列与第一行的B、C、D列三个数据完全相同的行，并自动将该行的节点编号写入这个位置，也就是在混凝土节点中寻找与第一行的B、C、D列的型钢节点坐标完全相同的节点编号；步骤5，双击K列第一个单元格的右下角的点，将该K1单元格的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于Excel的SRC构件有限元模型的弹簧单元建模方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，建立SRC构件的ABAQUS有限元模型，创建一个Job并保存有限元模型的inp文件；步骤2，打开inp文件，新建一个Excel文件，并将inp文件中的型钢的节点编号及坐标信息复制到Excel中Sheet1的A列，利用Excel的分列功能将复制在A列的型钢节点信息分为四列，这四列分别是型钢各节点的节点编号、X坐标、Y坐标和Z坐标，分别处于A、B、C、D列；步骤3，将inp文件中的混凝土的节点编号及坐标信息复制到Sheet1的E列，并利用Excel的分列功能将复制在E列的混凝土节点信息分为四列，这四列分别是混凝土各节点的节点编号、X坐标、Y坐标和Z坐标，分别处于E、F、G、H列；步骤4，将A列的型钢节点编号复制到J列，并在K列的第一个单元格K1输入纵向查找函数，自动寻找F、G、H列与第一行的B、C、D列三个数据完全相同的行，并自动将该行的节点编号写入这个位置，也就是在混凝土节点中寻找与第一行的B、C、D列的型钢节点坐标完全相同的节点编号；步骤5，双击K列第一个单元格的右下角的点，将该K1单元格的函数赋予K列的每个单元格，则Excel将自动在F、G、H列的混凝土节点中查找与每个型钢节点坐标相同的混凝土节点编号，并写入K列中相应的每个单元格，查找完成之后则在每行的J列和K列得到坐标相同的型钢和混凝土节点编号；步骤6，利用Excel的筛选功能对K列得到的结果进行筛选，筛选出除“#N/A”外的所有单元格及所在行的数据，则得到了SRC构件中每个弹簧单元所需的两个对应的型钢和混凝土节点编号，并将筛选出的结果复制到Sheet2中，并在Sheet2的I列的第1行从1开始对弹簧单元进行编号；步骤7，在Sheet2的L列第1行输入函数，将J列的型钢节点和混凝土节点编号组合以得到符合ABAQUS中要求的弹簧单元，同时将该单元格的函数赋予给L列的每个单元格，则在L列得到了ABAQUS的inp文件所需要的弹簧单元；步骤8，将L列的弹簧单元复制到inp文件中“*End Assembly”的前面一行，并在第一个弹簧单元的前面定义弹簧单元的属性，即完成SRC构件有限元模型中弹簧单元的添加。...

【技术特征摘要】
1.一种基于Excel的SRC构件有限元模型的弹簧单元建模方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，建立SRC构件的ABAQUS有限元模型，创建一个Job并保存有限元模型的inp文件；步骤2，打开inp文件，新建一个Excel文件，并将inp文件中的型钢的节点编号及坐标信息复制到Excel中Sheet1的A列，利用Excel的分列功能将复制在A列的型钢节点信息分为四列，这四列分别是型钢各节点的节点编号、X坐标、Y坐标和Z坐标，分别处于A、B、C、D列；步骤3，将inp文件中的混凝土的节点编号及坐标信息复制到Sheet1的E列，并利用Excel的分列功能将复制在E列的混凝土节点信息分为四列，这四列分别是混凝土各节点的节点编号、X坐标、Y坐标和Z坐标，分别处于E、F、G、H列；步骤4，将A列的型钢节点编号复制到J列，并在K列的第一个单元格K1输入纵向查找函数，自动寻找F、G、H列与第一行的B、C、D列三个数据完全相同的行，并自动将该行的节点编号写入这个位置，也就是在混凝土节点中寻找与第一行的B、C、D列的型钢节点坐标完全相同的节点编号；步骤5，双击K列第一个单元格的右下角的点，将该K1单元格的函数赋予K列的每个单元格，则Excel将自动在F、G、H列的混凝土节点中查找与每个型钢节点坐标相同的混凝土节点编号，并写入K列中相应的每个单元格，查找完成之后则在每行的J列和K列得到坐标相同的型钢和混凝土节点编号；步骤6，利用Excel的筛选功能对K列得到的结果进行筛选，筛选出除“#N...

【专利技术属性】
技术研发人员：白国良，刘彪，许振华，
申请(专利权)人：西安建筑科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61