一种确定结构多尺度动力分析中子模型尺寸的方法
【专利摘要】一种确定结构多尺度动力分析中子模型尺寸的方法，解决了大型结构多尺度动力分析中，子模型的尺寸大小难以准确确定的问题。该法首先建立大型结构的整体模型，根据整体分析结果确定结构关键部位，建立其初始子模型。进行初始子模型的动力响应计算，结果设为β1；将初始子模型的尺寸增加a倍建立更新子模型，其动力响应结果设为β2；由β1和β2计算出分析结果精度的保证率δ，通过δ与所设最优保证率的对比来最终确定计算结果的精度是否满足要求，以及是否需要进一步增大子模型尺寸。该法避免了大型复杂结构整体建模分析耗机耗时的问题，提高了结构多尺度动力分析的建模和计算效率，确保了计算结果的准确性和可靠性，便于在广大工程结构设计分析人员中推广应用。
【专利说明】—种确定结构多尺度动力分析中子模型尺寸的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种确定结构多尺度动力分析中子模型尺寸的方法，能够在确保多尺度动力分析计算效率的同时，保证分析结果的准确性，为大型复杂工程结构如桥梁、建筑结构等的多尺度动力时程分析提供有效手段。
【背景技术】
[0002]采用有限元方法对各类工程结构进行静动力分析是结构分析的发展方向。然而近年来，桥梁跨度、建筑高度等纪录不断被刷新，新型复杂结构体系不断涌现，这些都大大增加了结构分析的难度。对于大型复杂土木结构而言，采用常规有限元模拟技术还难以对结构受力状态进行精细模拟。目前，常用的结构有限元模型，尤其是用于抗风抗震等动力分析的有限元模型还是高度简化的整体结构模型，尺度单一，无法描述和模拟构造的细节，这样的建模必然难以反映出结构的真实情况，使得有限元结构分析结果与实际真实的结果相差甚远。正因为此，工程学科和力学学科都将复杂结构体系的建模与精细分析作为当前的关键科学问题之一。
[0003]为了获得大型复杂结构关键部位的精确响应，可以在整体模型建模时即考虑构造细节，对结构各部位进行有限元精细模拟，但由于模型的节点数和单元数很大，使得该法对计算机的软硬件性能要求均很高，而且过大的整体模型必定会导致计算中的出错概率大大增加。此外，分析复杂结构关键部位的精确响应的另一方法是对结构整体模型和局部精细模型进行分别建模，先建立整体结构模型并对其进行受力分析，然后针对关键部位建立精细模型，将整体分析结果作为精细模型的边界条件，手动施加到精细模型上进行求解。只要精细模型的尺寸满足要求，由圣维南原理可知，精细模型中远离边界的响应值则较精确的。很显然，由于该法需要人工干预来对精细模型施加边界条件与荷载，步骤繁琐且容易出错。
[0004]多尺度模拟和分析计算是近年来迅速发展起来的研究热点，正逐步被证明是大型复杂工程结构关键部位精细响应分析的有效手段，已开始在很多领域包括材料科学、化学、流体力学和生物学等得到成功应用。在大型复杂土木工程结构分析领域，随着结构跨度、结构形式和建造技术的不断发展，其关键部位的精细响应同样需要在不同的尺度中进行分析。目前，多尺度分析方法在土木工程领域也开始了一些有益的尝试，包括被成功用于混凝土高拱坝底孔的三维非线性受力分析、大跨度斜拉桥/悬索桥的扁平钢箱梁的受力分析、大跨径混凝土斜拉桥桥面板关键部位的精细分析等，获得了结构关键部位的动静力精细响应。然而总体而言，建立可同时描述大型复杂结构整体宏观和局部细观行为的多尺度动力分析方法，以准确获取结构在外部作用下的真实动力响应，尚有很长的路要走。能够考虑局部构造细节、缺陷和损伤的大型结构有限元建模理论与分析手段仍然比较匮乏，有待进一步的探索和创新。这其中的关键问题之一，就是目前尚无科学手段来确定结构多尺度动力分析中子模型尺寸的大小，使得子模型的尺寸通常仍然根据经验来确定。
[0005]虽然自20世纪70年代以来，结构有限元分析技术及计算机软硬件技术均取得了飞速发展，一大批功能强大的土木领域常用软件如ANSYS、ABAQUS, MIDAS、ADINA、MSC/NASTRAN和SuperSAP等应运而生，并得到越来越广泛的应用。这些常用软件大都自带多尺度分析模块，可便捷的实现结构多尺度动力分析。然而，上述通用软件同样未涉及子模型尺寸大小的确定问题。针对上述结构多尺度动力分析方法中存在的子模型尺寸大小难以准确确定的问题，有必要提供一种科学手段，使得有限元子模型即不会过大，避免重复性建模所花费的大量时间，又不会过小，使得分析结果难以满足精度要求，最终提升大型复杂结构多尺度动力分析的效率及可靠性。
【发明内容】
[0006]发明目的:为了克服现有结构多尺度动力分析中，子模型尺寸尚无科学确定手段的问题，本发明提供了一种确定结构多尺度动力分析中子模型尺寸的方法，可以有效避免大型工程结构整体计算耗机耗时的问题，在提升结构动力多尺度计算效率的同时，保证了计算结果的准确性和可靠性。
[0007]技术方案:为解决上述问题，本发明提供了一种确定结构多尺度动力分析中合理的子模型尺寸的方法，使得在确保多尺度动力分析结果准确可靠的前提下，通过控制子模型尺寸的大小来减少计算量，
[0008]第一步:根据设计图纸，建立大跨结构的整体模型，用网格划分尺度为米级的粗网格对大跨结构整体模型进行划分，不考虑结构局部的一些构造细节，
[0009]第二步: 采用常用数值积分法进行动力反应数值分析并求解计算，根据整体模型的计算结果，得知整体模型的薄弱部位和应力集中部位，从而确定结构的关键部位，
[0010]第三步:由结构整体模型分析得到的内力和位移响应得出整体模型的薄弱部位、应力集中部位和用户所要求和关心的部位，将这些部位作为最终需要在整体模型中建立子模型进行专门分析的结构部位，
[0011]第四步:第三步中子模型的初始尺寸大小根据圣维南原理和结构重要性共同确定:结构越重要，子模型初始尺寸大小就越大，依据圣维南原理，子模型初始尺寸越大，分析结果就越精确，由此建立用于结构多尺度动力分析的初始子模型，
[0012]第五步:采用结构多尺度动力分析方法，基于初始子模型进行结构动力响应分析，并采用逐步积分法进行计算得到初始子模型的动力响应值，设该值为β
[0013]第六步:确定更新子模型的尺寸增大系数a，以a倍增大初始子模型尺寸，根据工程经验和大跨结构重要性可以确定增大系数a的一个范围，结构越重要，则增大系数a在这个范围中取得值就越大，根据圣维南原理，整个子模型的响应值就会越精确，
[0014]第七步:根据增大系数a重新建立子模型，基于更新子模型重新进行结构动力响应分析，采用逐步积分法计算得到新建子模型的动力响应值，设该值为β2，并结合P1值进行分析结果精度的保证率S计算，计算公式如公式(I)
[0015]
【权利要求】
1.一种确定结构多尺度动力分析中子模型尺寸的方法，其特征在于该方法包括以下步骤: 第一步:根据设计图纸，建立大跨结构的整体模型，用网格划分尺度为米级的粗网格对大跨结构整体模型进行划分，不考虑结构局部的一些构造细节， 第二步:采用常用数值积分法进行动力反应数值分析并求解计算，根据整体模型的计算结果，得知整体模型的薄弱部位和应力集中部位，从而确定结构的关键部位， 第三步:由结构整体模型分析得到的内力和位移响应得出整体模型的薄弱部位、应力集中部位和用户所要求和关心的部位，将这些部位作为最终需要在整体模型中建立子模型进行专门分析的结构部位， 第四步:第三步中子模型的初始尺寸大小根据圣维南原理和结构重要性共同确定:结构越重要，子模型初始尺寸大小就越大，依据圣维南原理，子模型初始尺寸越大，分析结果就越精确，由此建立用于结构多尺度动力分析的初始子模型， 第五步:采用结构多尺度动力分析方法，基于初始子模型进行结构动力响应分析，并采用逐步积分法进行计算得到初始子模型的动力响应值，设该值为β 第六步:确定更新子模型的尺寸增大系数a，以a倍增大初始子模型尺寸，根据工程经验和大跨结构重要性可以确定增大系数a的一个范围，结构越重要，则增大系数a在这个范围中取得值就越大，根据圣维南原理，整个子模型的响应值就会越精确， 第七步:根据增大系数a重新建立子模型，基于更新子模型重新进行结构动力响应分析，采用逐步积分法计算得到新建子模型的动力响应值，设该值为β2，并结合^值进行分析结果精度的保证率δ计算，计算公式如公式(I)
2.根据权利要求1所述的确定结构多尺度动力分析中子模型尺寸的方法，其特征在于第五步所述的结构多尺度动力分析方法中，需在第四步确定初始子模型的大小后，先根据第二步整体模型计算结果，由整体模型相应位置的节点位移和应力边界条件进行插值，以此确定整体模型和子模型交界面的耦合条件，作为整体模型和子模型的衔接处理，并将作用在子模型上的荷载单独施加，同样采用结构动力响应分析中的逐步积分法计算出初始子模型的动力响应值，并赋值为β:。
3.根据权利要求1所述的确定结构多尺度动力分析中子模型尺寸的方法，其特征在于第八步所述的分析结果精度的保证率δ验算中，若计算保证率δ不能达到用户预先设定的保证率时，则需要在整体模型中增大建立子模型的区段；把本次计算所用更新子模型作为下一步计算的初始子模型，先把β2赋值给，再重复第六步和第八步的过程，计算中增大系数a无需再次确定，直到计算出的保证率δ不大于用户预先设定的保证率值，则确定该更新子模型作为最终用于计算的子模型，同时确定了最终子模型的尺寸。
4.根据权利要求1所述的确定结构多尺度动力分析中子模型尺寸的方法，其特征在于所述的数值积分法包括中心差分法、Newmark-β法、Wilson- Θ法、线性加速度法和平均常加速度法。`
【文档编号】G06F17/50GK103761402SQ201410051516
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年2月14日 优先权日:2014年2月14日
【发明者】王浩, 王春峰, 陶天友 申请人:东南大学