基于刚度等效的有限元结构简化分析方法技术

本发明专利技术涉及数值分析技术领域，特别是一种基于刚度等效的有限元结构简化分析方法，采用有限元软件abaqus进行实施，整个简化分析过程分为建立等效结构模型、计算等效刚度矩阵和计算目标结构三个阶段，依次计算完成。通过刚度属性，考虑了等效结构对目标结构力学计算的影响，相比一般简化方法，能够更准确地模拟目标结构的受力特性。结构的受力特性。结构的受力特性。

【技术实现步骤摘要】
基于刚度等效的有限元结构简化分析方法


[0001]本专利技术涉及数值分析
，特别是一种基于刚度等效的有限元结构简化分析方法。

技术介绍

[0002]随着计算机技术的快速发展，有限元方法被越来越广泛地应用于解决复杂的工程问题，从而避免了建立繁琐的力学和数学模型，是一种实用且高效的数值分析方法。为了更准确地计算工程结构的力学特性，通常在建模时尽可能地模拟结构的真实形态与边界条件，但这样也会占用更多的计算资源，降低计算效率。特别是对于大型结构的工程设计，通常情况下会针对局部结构进行不断的迭代优化。例如进行海上风电筒型基础结构强度设计时，当泥面以下的筒体结构确定后，需要多次对上部过渡段结构进行调整和应力校核，确保最终的结构满足经济性和强度设计要求；在这个过程中是否考虑筒土相互作用对上部结构的应力计算结果影响十分显著，虽然考虑筒土相互作用能更真实地反映基础结构的受力特性，计算结果更准确，但同时也会大大增加计算工作量，耗时更长。对于这种既需要考虑整体结构对局部结构力学计算的影响，又需要避免因为整体结构数据量庞大而降低计算效率的问题，找到一种有限元简化分析方法对于结构的力学计算十分重要。
[0003]目前，已有一些基于子结构的有限元等效方法尝试对复杂结构进行简化，从而达到既能精确计算又能提升计算效率的目的。但这种方法存在一定的局限性，即只能基于同一款有限元软件进行数值模拟，无法综合两款软件的优势对同一个结构进行仿真计算。例如abaqus商业软件能够有效求解岩土工程的非线性问题，而ansys软件在解决上部结构的线性及耦合问题时更具优势，如果能找到一种等效方法作为两款软件交互的媒介，将更有针对性地解决同一工程中的不同专业问题，并且保证计算结果的相对准确性。刚度矩阵可作为这样的媒介，在软件交互的接口输入等效结构的刚度矩阵，进而计算目标结构的力学特性。但是目前的整体刚度矩阵提取方法主要是针对等效结构的所有单元刚度矩阵，对于大型结构的刚度矩阵，这个数据量是极其庞大的，无论是对于数据的存储还是转接输入，均不适用。

技术实现思路

[0004]本专利技术为了有效的解决上述
技术介绍
中的问题，提出了一种基于刚度等效的有限元结构简化分析方法。
[0005]具体技术方案如下：
[0006]一种基于刚度等效的有限元结构简化分析方法，采用有限元软件abaqus进行实施，整个简化分析过程分为建立等效结构模型、计算等效刚度矩阵和计算目标结构三个阶段，依次计算完成。
[0007]优选地，所述建立等效结构模型阶段包括以下步骤：
[0008]步骤1：新建等效结构模型I，在等效结构模型I中建立等效结构中所包含的各部件
模型，所述等效结构为整体结构中需要用刚度矩阵进行等效替代的部分，等效结构通常由多个不同部件组成；
[0009]步骤2：设置材料属性，并将其赋予等效结构中对应的部件；
[0010]步骤3：对所有部件进行装配，形成装配体；
[0011]步骤4：设置计算分析步；建立子结构生成分析步，选择线性摄动子结构生成选项，计算复原矩阵区域设置时选择整个等效结构模型，并将子结构标识符命名为Z(X)，一般X为大于或等于1的整数；
[0012]步骤5：建立相互作用；根据等效结构中不同部件之间的连接关系分别设置接触条件与约束条件；
[0013]步骤6：设置荷载与边界条件；等效结构模型I的计算中不施加任何荷载，仅设置边界约束条件：基于子结构分析步，选择等效结构中与下述目标结构相交的截面部位，保留其节点自由度，其余边界约束与整体结构中等效结构自有的边界约束设置相同；所述目标结构为整体结构中去除等效结构后剩下的部分，目标结构将用于结构的目标计算；
[0014]步骤7：进行有限元网格的划分；
[0015]步骤8：提交作业进行计算，得到计算结果_Z(X).sim文件。
[0016]优选地，所述计算等效刚度矩阵包括以下步骤：
[0017]步骤1：新建子结构模型II，在子结构模型II中导入等效结构模型I的计算结果_Z(X).sim文件构成子结构模型II的部件，此部件包含等效结构模型I的所有属性，包括材料属性、相互作用、荷载与边界条件及网格划分，然后对部件进行装配，形成装配体；
[0018]步骤2：设置计算分析步为静力通用，时间为1秒；
[0019]步骤3：建立相互作用，创建参考点RP1，该点一般位于等效结构与目标结构相交截面的中心处，并将其与子结构模型II中保留自由度的节点进行耦合，记作耦合点RP1；
[0020]步骤4：提交作业进行计算，创建作业并写入.inp文件，在此.inp文件中添加生成整体刚度矩阵的关键字，对修改后的.inp文件重新提交计算，得到计算结果.mtx文件，整理得到耦合点RP1的刚度矩阵，该矩阵即为等效刚度矩阵。
[0021]优选地，目标结构计算包括以下步骤：
[0022]步骤1：新建目标结构模型III，目标结构模型III中目标结构的部件、材料属性及装配体的建模方法与等效结构模型I中等效结构的建模方法相同；
[0023]步骤2：设置计算分析步，根据计算目标设置相对应的计算分析步；
[0024]步骤3：建立相互作用，创建参考点RP2，原则上该点和点RP1在整体结构中属于相同位置点，选择目标结构中与上述等效结构相交的截面部位，将其与点RP2进行耦合，记作耦合点RP2，在耦合点RP2上建立连接器，并在连接属性设置中输入等效刚度矩阵，然后将连接属性赋予连接器；再根据目标结构中不同部件之间的连接关系分别设置其余接触条件与约束条件；
[0025]步骤4：设置荷载与边界条件。根据计算目标设置相对应的荷载条件，并根据整体结构中目标结构自有的边界约束对连接器设置等效边界约束；
[0026]步骤5：进行有限元网格的划分；
[0027]步骤6：提交作业进行计算。
[0028]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1、通过刚度属性，考虑了等效结构对目标
结构力学计算的影响，相比一般简化方法，能够更准确地模拟目标结构的受力特性。
[0029]2、通过结构简化，避免了因整体结构计算数据量庞大而导致计算效率低，耗时长，甚至出现无法计算的问题，在满足计算精度要求的前提下极大地提升了有限元法的计算效率。
[0030]3、通过刚度矩阵形式，可以在不同软件的交互接口进行输入，从而可以综合不同软件的优势对同一个结构进行仿真计算，更有针对性地解决同一工程中的不同专业问题，有力地拓展了有限元方法的应用范围。
[0031]4、通过等效后的刚度矩阵，可以避免原有的刚度矩阵提取方法导致的数据存储空间不足的问题，在满足计算精度要求的前提下有效地节约了存储空间，方便可行，易于计算。
附图说明
[0032]图1是整体结构示意图(海上风电整机结构)；
[0033]图2是等效结构示意图(下部筒土结构)；
[0034]图3是子结构示意图；
[0035]图4是目标结构示意图(上部塔筒导本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于刚度等效的有限元结构简化分析方法，其特征在于：采用有限元软件abaqus进行实施，整个简化分析过程分为建立等效结构模型、计算等效刚度矩阵和计算目标结构三个阶段，依次计算完成。2.根据权利要求1所述的基于刚度等效的有限元结构简化分析方法，其特征在于，所述建立等效结构模型阶段包括以下步骤：步骤1：新建等效结构模型I，在等效结构模型I中建立等效结构中所包含的各部件模型，所述等效结构为整体结构中需要用刚度矩阵进行等效替代的部分，等效结构通常由多个不同部件组成；步骤2：设置材料属性，并将其赋予等效结构中对应的部件；步骤3：对所有部件进行装配，形成装配体；步骤4：设置计算分析步；建立子结构生成分析步，选择线性摄动子结构生成选项，计算复原矩阵区域设置时选择整个等效结构模型，并将子结构标识符命名为Z(X)，一般X为大于或等于1的整数；步骤5：建立相互作用；根据等效结构中不同部件之间的连接关系分别设置接触条件与约束条件；步骤6：设置荷载与边界条件；等效结构模型I的计算中不施加任何荷载，仅设置边界约束条件：基于子结构分析步，选择等效结构中与下述目标结构相交的截面部位，保留其节点自由度，其余边界约束与整体结构中等效结构自有的边界约束设置相同；所述目标结构为整体结构中去除等效结构后剩下的部分，目标结构将用于结构的目标计算；步骤7：进行有限元网格的划分；步骤8：提交作业进行计算，得到计算结果_Z(X).sim文件。3.根据权利要求1所述的基于刚度等效的有限元结构简化分析方法，其特征在于，所述计算等效刚度矩阵包括以下步骤：步骤1：新建子结构模型II，在子结构模型II中导入等效结构模型I的计算结果_Z(X).s...

【专利技术属性】
技术研发人员：黎慧珊，练继建，刘润，杨旭，王孝群，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：