有限元分析中模拟钢筋混凝土的结构特性的方法和系统的制作方法
【专利摘要】在计算机系统中定义并接收表示钢筋混凝土结构的FEA模型。所述FEA模型包括多个由多个实体单元节点定义的实体单元和至少一个由多个主梁单元节点定义的梁单元。梁单元表示嵌入到表示混凝土的所述实体单元中的钢筋。每个梁单元跨越一个或多个实体单元。沿至少一个梁单元创建从梁节点以使每个实体单元嵌入至少一个从梁节点。钢筋混凝土结构的数值模拟结构特性通过利用FEA模型执行时间推进模拟获得。在时间推进模拟的多个求解周期中的每一个周期，确保实体单元和至少一个梁单元的正确连接。
【专利说明】
有限元分析中模拟钢筋混凝±的结构特性的方法和系统
技术领域
[0001 ]本发明设及计算机辅助工程分析，更具体地说，设及一种有限元分析中数值模拟 钢筋混凝±的结构特性的方法和系统。
【背景技术】
[0002] 许多现代工程分析是在计算机系统的辅助下进行的。运些计算机辅助工程 (Computer Aided Engineering,CAE)分析中的一种被称为有限元分析（Finite Element Analysis，FEA)或有限元法化inite Element Method,阳Μ)。阳A是一种计算机实现方法，广 泛用于工业建模和解决工程问题，设及复杂系统，如Ξ维、非线性结构设计和分析。FEA的名 称来自于所考虑的对象的几何形状的指定方式。随着现代数字计算机的出现，FEA已经被实 现为FEA软件。基本上，FEA软件提供几何描述的模型W及在模型中每个点的相关的材料属 性。在运模型中，要分析的系统的几何形状由各种尺寸的实体、壳体和梁表示，称之为单元。 单元的顶点被称为节点。模型包括有限数量的单元，其被分配材料标识W关联其材料属性。 模型因此表示由要分析的对象沿其周围的环境所占据的物理空间。FEA软件然后引用一表 格，其中每种材料的属性(例如应力-应变本构方程、杨氏模量、泊松比、热导率)被制成表 格。此外，对象的边界条件（即载荷、物理约束等)被指定。对象及其环境的模型通过运种方 式创建。
[0003] 钢筋混凝±已被用于构建许多不同类型的结构（例如，建筑物、水巧、桥梁、公路 等）。工程师们依赖于FEA中钢筋混凝±的数值模拟结构特性W进行决策。现有的FEA中表示 钢筋混凝±结构的方法包括一些专口技术，其可W在某些情况下正常工作。因此，希望有更 全面的方法和系统用于在有限元分析中数值模拟钢筋混凝±的结构特性。
【发明内容】
[0004] 本发明公开了有限元分析中数值模拟钢筋混凝±的结构特性的方法和系统。根据 一方面，在安装有FEA应用模块的计算机系统中定义并接收表示钢筋混凝±结构的FEA模 型。所述FEA模型包括多个由多个实体单元节点定义的实体单元和至少一个由多个主梁单 元节点定义的梁单元。梁单元表示嵌入到表示混凝±的所述实体单元中的钢筋。每个梁单 元跨越一个或多个实体单元。沿至少一个梁单元创建从梁节点W使每个实体单元嵌入至少 一个从梁节点。钢筋混凝±结构的数值模拟结构特性通过利用FEA模型执行时间推进模拟 获得。在时间推进模拟的多个求解周期中的每一个周期，确保实体单元和至少一个梁单元 的正确连接。
[0005] 在时间推进模拟的多个求解周期中的每一个周期，所述实体单元和至少一个梁单 元的正确连接通过W下操作确保：（a)从相应的主梁节点在每个从梁节点获取从梁节点的 质量和速度；（b)通过累计来自从梁节点的相关节点的各自贡献，在每个实体单元节点更新 实体单元节点的质量和动量，基于相应的实体单元形状函数；（C)利用所述更新的实体单元 节点的质量和动量在每个从梁节点计算从梁节点的速度，基于相应的实体单元形状函数； (d)通过累计来自计算的从节点的质量和速度的各自贡献，在每个主梁节点更新主梁节点 的质量和动量，基于相应的梁单元形状函数；W及(e)在每个主梁节点分别通过更新的主梁 节点动量除W更新的主梁节点的质量计算更新的主梁节点的速度。
[0006] 本发明的其他目的、特征和优点是显而易见的，在仔细阅读W下实施例的详细描 述，并结合附图。
【附图说明】
[0007] 本发明的运些和其他特征、方面W及优点会被更好的理解，对于W下叙述、所附权 利要求W及如下附图：
[0008] 图1A-1B共同示出了阐明在有限元分析中数值模拟钢筋混凝±的结构特性的示例 方法的流程图，根据本发明的一实施例；
[0009] 图2为表示示例钢筋混凝±结构的示意图，其结构特性可W由本发明的实施例数 值模拟；
[0010] 图3为表示示例钢筋混凝±结构的FEA模型的示意图，根据本发明的一实施例；
[0011] 图4为表示在示例FEA模型中沿梁单元的从梁节点的创建的二维示意图，根据本发 明的一实施例；
[0012] 图5A-5D为表示示例连接技术的二维示意图，根据本发明的一实施例；
[0013] 图6为表示用于示例实体单元的本地单元坐标系统的示意图，根据本发明的一实 施例；
[0014] 图7为表示用于示例梁单元的本地单元坐标系统的示意图，根据本发明的一实施 例;W及
[0015] 图8为表示计算设备的主要部件的功能图，本发明的实施例可W在其中实现。
【具体实施方式】
[0016] 首先参考图1A-1B，其示出了阐明在有限元分析中数值模拟钢筋混凝±的结构特 性的示例方法100的流程图，根据本发明的一实施例。方法100在软件中实现，并优选结合其 他附图理解。
[0017]方法100开始在步骤102,在安装有FEA应用模块的计算机系统中（例如，图8所示的 计算机系统）接收表示钢筋混凝±结构（例如，图2中所示的钢筋混凝±结构200)的FEA模 型。FEA模型(例如，图3中的FEA模型300)包括由多个实体单元节点312所定义的多个实体单 元310a-310d，W及由多个主梁节点322定义的至少一梁单元320。至少一个梁单元表示嵌入 到表示混凝±的实体单元中的钢筋。
[0018] 示例FEA模型300包括四个实体单元310a-310b和一个梁单元320,可W为钢筋混凝 ±结构200的一部分。
[0019] 然后，在步骤104中，多个从梁节点沿至少一个梁单元创建，使得每个实体单元嵌 入至少一个从梁节点。图4为表示一个示例从节点创建方案的二维示意图。使用二维视图代 替Ξ维视图是为了阐述简单和视觉清楚。每个嵌入到实体单元410中的梁单元420由两个主 梁节点422定义。从梁节点424沿梁单元420创建。图4中所示的例子可W变为每个实体单元 一个从节点424,而不是两个。
[0020] 然后，在步骤106中，钢筋混凝±结构的数值模拟结构特性通过利用FEA应用模块 用FEA模型执行时间推进模拟获得。时间推进模拟包括多个求解周期或时间步长，涵盖整个 模拟时间范围。在每个求解周期，必须确保实体单元和至少一个梁单元的正确连接W获得 数值模拟结构特性。执行运种连接的细节如在图1B中所示。
[0021] 在步骤112中，在时间推进模拟开始时模拟时间初始化为零。然后，在步骤114中， 在每个从梁节点的从梁节点的质量和速度从相应的主梁节点（如图5A中的示意图所示)获 得。根据一实施例，每个从梁节点的质量是通过从由两个主梁节点定义的初始梁的均匀分 配获得。从梁节点的速度是通过主梁节点的速度的插值获得。
[0022] 在步骤116中，在每个实体单元节点的实体单元节点的质量和动量通过累计来自 从梁节点中的相关节点（例如，驻留在每个实体单元中的那些节点）的各自的贡献而更新， 根据相应的实体单元形状函数(如图5B中的示意图所示）。在步骤118中，在每个从梁节点的 从梁节点的速度由更新的实体单元节点的质量和动量计算，根据相应的实体单元形状函数 (如图5C中的示意图所示）。接着，在步骤120中，在每个主梁节点的主梁节点的质量和动量 通过累计从梁节点的质量和动量的各自贡献而更新，基于相应的梁单元形状函数（图5D中 的示意图所示）。在步骤122中，在每个主节点的主梁节点的速度分别通过主节点动量除W 主节点的质量而计算。图6为表示示例实体单元的本地单元坐标系统的示意图。图7为表示 示例梁单元的本地单元坐标系统的示意图。
[0023] 在步骤124中，模拟时间接着增加一个时间步长大小。然后，在判定步骤130,用公 知技术判定时间推进模拟是否已经结束。如果没有，方法100沿着"否"连线为下一求解周期 重复步骤114-124,直到判定步骤130变为真。然后，方法100沿"是"连线结束。
[0024] 根据一实施例，连接技术是利用下述程序实现。
[0025] 1)从主梁生成从梁节点；
[0026] 2)连接从梁节点到实体单元节点；
[0027] 2.1)依次通过所有从梁节点；
[002引2.1.1)收集每个从梁节点的质量和速度胃气、砖);
[0029] 2.1.2)找出相应实体单元(例如，参见图6)的本地实体单元坐标(ξ，，η，ζ)，每个从 梁节点的所在；
[0030] 2.1.3)计算相应的实体单元形状函数(8节点实体单元）
[0038] 2.1.4)分配从梁节点的质量和动量到实体单元节点
[0041] 2.2)依次通过所有实体单元节点W计算新的实体单元节点的速度
[0042]
[0043] 2.3)依次通过所有从梁节点W从新的实体单元节点的速度计算新的从梁节点的 速度
[0044]
[0045] 3)连接从梁节点到主梁节点；
[0046] 3.1)依次通过所有从梁节点；
[0047] 3.1.1)收集每个从节点的质量和速度(術产'。6气皆;。;、々）；
[004引 3.1.2)找出相应梁单元(例如，参看图7)的本地梁单元坐标(ξ)，每个从梁节点的 所在；
[0049] 3.1.3)计算相应的梁单元形状函数(2节点梁单元）
[0052] 3.1.4)分配从节点的质量和动量到主梁节点
[0055] 3.2)依次通过所有主梁节点W计算新的主梁节点的速度
[0化6]
[0057]根据一方面，本发明设及一个或多个能够执行在此描述的功能的计算机系统。计 算机系统800的例子在图8中示出。计算机系统800包括一个或多个处理器，例如处理器804。 处理器804连接到计算机系统内部通信总线802。关于该示范性的计算机系统，有各种软件 实现的描述。在读完运一描述后，相关技术领域的人员将会明白如何使用其它计算机系统 和/或计算机架构来实施本发明。
[005引计算机系统800还包括主存储器808,优选随机存取存储器(RAM)，还可包括辅助存 储器810。辅助存储器810包括例如一个或多个硬盘驱动器812和/或一个或多个可移除存储 驱动器814,它们代表软盘驱动器、磁带驱动器、光盘驱动器等。可移除存储驱动器814用已 知的方式从可移除存储单元818中读取和/或向可移除存储单元818中写入。可移除存储单 元818代表可W由可移除存储驱动器814读取和写入的软盘、磁带、光盘等。可W理解，可移 除存储单元818包括其上存储有计算机软件和/或数据的计算机可读媒介。
[0059]在可选实施例中，辅助存储器810可包括其它类似的机制，允许计算机程序或者其 它指令被装载到计算机系统800。运样的机制包括例如可移除存储单元822和接口 820。运样 的例子可包括程序盒式存储器和盒式存储器接口（例如，视频游戏设备中的那些）、可移除 存储忍片(例如可擦除可编程只读存储器巧PROM))、通用串行总线化SB)闪存、或者PROM) W 及相关的插槽、W及其它可移除存储单元822和允许软件和数据从可移除存储单元822传递 到计算机系统800的接口 820。通常，计算机系统800由操作系统(0S)软件控制和管理，操作 系统执行例如进程调度、存储器管理、网络连接和I/O服务。
[0060]可能还设有连接到总线802的通信接口 824。通信接口 824允许软件和数据在计算 机系统800和外部设备之间传递。通信接口824的例子包括调制解调器、网络接口（例如W太 网卡）、通信端口、个人计算机存储卡国际协会(PCMCIA)插槽和卡等等。计算机800基于一组 特定的规则(也就是，协议)通过数据网络与其它计算设备通信。通用协议的其中一种是在 互联网中通用的TCP/IP(传输控制协议/互联网协议）。通常，通信接口 824将数据文件组合 处理成较小的数据包W通过数据网络传输，或将接收到的数据包重新组合成原始的数据文 件。此外，通信接口824处理每个数据包的地址部分W使其到达正确的目的地，或者中途截 取发往计算机800的数据包。在运份文件中，术语"计算机程序媒介"和"计算机可用媒介"都 用来指代媒介，例如可移除存储驱动器814和/或设置在硬盘驱动器812中的硬盘。运些计算 机程序产品是用于将软件提供给计算机系统800的手段。本发明设及运样的计算机程序产 品。
[0061 ]计算机系统800还包括输入/输出（I/O)接口830，它使得计算机系统800能够接入 显示器、键盘、鼠标、打印机、扫描仪、绘图仪、W及类似设备。
[0062] 计算机程序(也被称为计算机控制逻辑)作为应用模块806存储在主存储器808和/ 或辅助存储器810中。也可通过通信接口824接收计算机程序。运样的计算机程序被执行时， 使得计算机系统800执行如在此所讨论的本发明的特征。特别地，当执行该计算机程序时， 使得处理器804执行本发明的特征。因此，运样的计算机程序代表计算机系统800的控制器。
[0063] 在本发明采用软件实现的实施例中，该软件可存储在计算机程序产品中，并可使 用可移除存储驱动器814、硬盘驱动器812、或者通信接口824加载到计算机系统800中。应用 模块806被处理器804执行时，使得处理器804执行如在此所述的本发明的功能。
[0064] 主存储器808可被加载有一个或多个应用模块806(例如，离散元方法），所述应用 模块806可被一个或多个处理器804执行W实现期望的任务，所述处理器可具有或不具有通 过I/O接口830输入的用户输入。在运行中，当至少一个处理器804执行一个应用模块806时， 结果被计算并存储在辅助存储器810(也就是，硬盘驱动器812)中。有限元分析的结果和/或 状态(例如，裂纹扩展）W文字或者图形表示在禪合到计算机的监视器的方式通过I/O接口 830报告给用户。
[0065] 虽然参照特定的实施例对本发明进行了描述，但是运些实施例仅仅是解释性的， 并不用于限制本发明。本技术领域的人员可得到暗示，对具体公开的示范性实施例做出各 种修改和改变。虽然仅图示和描述了几个实体单元和一个梁，本发明并不限制在有限元模 型中实现本发明的实体和/或梁单元的数量。此外，尽管六面体单元作为实体单元被图示和 描述，其他类型的实体单元，例如四面体单元，也可W用来实现实体单元。总之，本发明的范 围不限于在此公开的特定示范性实施例，对本技术领域人员来说暗含的所有修改都将被包 括在本申请的精神和范围W及后附权利要求的范围内。
【主权项】
1. 一种有限元分析FEA中数值模拟钢筋混凝土的结构特性的方法，其特征在于，包括： 在安装有FEA应用模块的计算机系统中接收表示钢筋混凝土结构的FEA模型，所述FEA 模型包括多个由多个实体单元节点定义的实体单元和至少一个由多个主梁单元节点定义 的梁单元，其中，至少一个梁单元表示嵌入到表示混凝土的所述实体单元中的钢筋； 由所述FEA应用模块沿至少一个梁单元创建多个从梁节点以使每个所述实体单元嵌入 至少一个从梁节点；以及 由所述FEA应用模块通过利用FEA模型执行时间推进模拟获取钢筋混凝土结构的数值 模拟结构特性，在时间推进模拟的多个求解周期中的每一个周期，所述实体单元和至少一 个梁单元的正确连接通过以下操作确保： 从相应的主梁节点在每个从梁节点获取从梁节点的质量和速度； 通过累计来自从梁节点的相关节点的各自贡献，在每个实体单元节点更新实体单元节 点的质量和动量，基于相应的实体单元形状函数； 利用所述更新的实体单元节点的质量和动量在每个从梁节点计算从梁节点的速度，基 于相应的实体单元形状函数； 通过累计来自计算的从节点的质量和速度的各自贡献，在每个主梁节点更新主梁节点 的质量和动量，基于相应的梁单元形状函数；以及 在每个主梁节点分别通过更新的主梁节点动量除以更新的主梁节点的质量计算更新 的主梁节点的速度。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述从相应的主梁节点在每个从梁节点获 取从梁节点的质量和速度还包括均匀分配相应的主梁节点的总质量给从梁节点。3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述实体单元包括六面体有限元。4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述实体单元包括四面体有限元。5. -种有限元分析FEA中数值模拟钢筋混凝土的结构特性的系统，其特征在于，包括： 主存储器，用于存储FEA应用模块的计算机可读代码； 与主存储器相连的至少一个处理器，所述至少一个处理器执行主存储器中的计算机可 读代码以使FEA应用模块通过以下方法执行操作： 接收表示钢筋混凝土结构的FEA模型，所述FEA模型包括多个由多个实体单元节点定义 的实体单元和至少一个由多个主梁单元节点定义的梁单元，其中，至少一个梁单元表示嵌 入到表示混凝土的所述实体单元中的钢筋； 由所述FEA应用模块沿至少一个梁单元创建多个从梁节点以使每个所述实体单元嵌入 至少一个从梁节点；以及 由所述FEA应用模块通过利用FEA模型执行时间推进模拟获取钢筋混凝土结构的数值 模拟结构特性，在时间推进模拟的多个求解周期中的每一个周期，所述实体单元和至少一 个梁单元的正确连接通过以下操作确保： 从相应的主梁节点在每个从梁节点获取从梁节点的质量和速度； 通过累计来自从梁节点的相关节点的各自贡献，在每个实体单元节点更新实体单元节 点的质量和动量，基于相应的实体单元形状函数； 利用所述更新的实体单元节点的质量和动量在每个从梁节点计算从梁节点的速度，基 于相应的实体单元形状函数； 通过累计来自计算的从节点的质量和速度的各自贡献，在每个主梁节点更新主梁节点 的质量和动量，基于相应的梁单元形状函数；以及 在每个主梁节点分别通过更新的主梁节点动量除以更新的主梁节点的质量计算更新 的主梁节点的速度。6. 根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述从相应的主梁节点在每个从梁节点获 取从梁节点的质量和速度还包括均匀分配相应的主梁节点的总质量给从梁节点。7. 根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述实体单元包括六面体有限元。8. 根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述实体单元包括四面体有限元。
【文档编号】G06F17/50GK106066899SQ201610094683
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年2月19日 公开号201610094683.0, CN 106066899 A, CN 106066899A, CN 201610094683, CN-A-106066899, CN106066899 A, CN106066899A, CN201610094683, CN201610094683.0
【发明人】陈皓
【申请人】利弗莫尔软件技术公司