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2018-07-15 11:42:13 | 分类:默认分类 | 标签:

Perform-3D与Abaqus关于动力弹塑性分析的技术特征对比

原创: 安东亚 张小勇 小匠驿站 4月15日

在结构动力弹塑性分析中经常会用到不同的软件,要想用好或者合理理解其结果,需要清晰了解各自的技术条件,今天将其中比较常用的两款软件——Perform-3D和Abaqus的技术特征进行简要梳理,目的在于通过对比说明不同软件在技术细节上的处理差别,可能并不全面,也无针对性评价好坏,仅供工程人员参考——都是舶来品,边使用边学习,具体使用效果有赖于操作者的经验。国内也出过不少介绍软件使用的书,这里不一一列出了——软件只是手中工具,更多分析需要借助工程师的内功。下表由安东亚和张小勇共同整理。

对比内容

Per-3D

Abaqus

软件出处

美国加州大学Berkeley分校Powell教授开发,前身为Drain-2DX、Dtrain-3DX。

美国HKS公司产品,于2000年代中期卖给达索公司。

软件类型及应用范围

主要用于结构抗震和减隔震非线性分析和性能评估,软件自身与工程结合度较高。

通用有限元程序,应用范围和领域更加广泛,非线性分析能力强大,软件自身与工程结合度较弱。

工程假定

结合工程习惯概念进行一些基本假定,采用宏观单元对构件进行模拟。模拟的结果直接依赖于构件宏观单元的选择是否合理和参数输入是否准确。

完全是纯有限元软件,基于微观材料模型,除了基本的力学假定外,在工程概念上基本未做人为假定,模拟结果依赖于微观材料参数的合理确定。

模型的精细度

一个构件单元由若干部件组成,不同部件模拟不同的受力特性,比较贴合工程习惯。

为提高分析精度,通常采用更加精细的单元网格(多个单元模拟1个构件),计算规模大。

破坏模式假定

基于能力设计理念,对结构潜在的塑性铰区进行非线性模拟,其它不允许发生破坏的部件可以采用弹性假定。例如可以用集中塑性铰模拟框架梁的弯曲破坏,然后对塑性铰在地震作用下的塑性转动进行性能评估,而对框架梁的受剪定义为弹性,用剪切强度截面对其受剪承载力进行复核,判断其是否满足强剪弱弯的设计准则。

一般全结构采用非线性分析,允许破坏发生在任何可能的部位,不预先假定破坏位置。基于材料本构关系和实际内力、变形发展情况自动获得构件发生破坏的位置和破坏形式。无需对弯曲和剪切独立定义破坏准则,自动反映二者相关性,但这导致在构件性能评价时较难区分破坏模式,需要结合具体破坏现象来综合判断。

动力方程求解的积分方法

隐式

显式或隐式

阻尼方式

等效振型阻尼或瑞利阻尼

等效振型阻尼或瑞利阻尼

非线性材料本构

直接定义基于构件层次的本构或构件的受力行为基于非线性材料本构。

在非线性材料本构层面进行模拟,混凝土定义拉压损伤系数,构件刚度及承载力的退化依据截面内积分点的材料状态。

非线性单元模型

剪力墙

平面内压弯行为采用纤维截面模拟(钢筋纤维+混凝土纤维),剪切行为采用弹性材料或弹塑性材料模拟;面外受力行为采用等效弹性假定。

采用分层壳单元模拟混凝土和钢筋层,也可根据需要单独设置钢筋单元;面外与面内同时考虑非线性行为。弯曲破坏与剪切破坏耦合,考虑二者的相互影响。

框架梁

通常采用中间等效弹性段+端部集中塑性铰[M铰(或一定长度的纤维截面)+V强度截面];也可以采用细分的全部纤维截面+剪切强度截面。

构件进行单元细分后全部采用纤维截面+剪切强度控制

连梁

可以根据剪跨比采用梁单元模拟(集中塑性铰(端部M铰+中部V铰))或用壳(墙)单元进行模拟。

根据剪跨比选用梁或壳单元模拟。

框架柱

通常采用中间等效弹性段+端部集中塑性铰[PMM铰(或一定长度的纤维截面)+V强度截面];也可以采用细分的全部纤维截面+剪切强度截面。

构件进行单元细分后全部采用纤维截面+剪切强度控制

支撑

可以采用一个单元的屈曲本构材料模拟整个构件的失稳特征或采用纤维截面+单元细分,直接模拟失稳特征。

纤维截面+单元细分,直接分析法模拟失稳

楼板

弹性楼板或刚性隔板假定

采用非线性壳单元并配筋,模拟楼板实际开裂和钢筋屈服。

构件性能评价

针对不同构件的受力特性采用不同的评价指标,对于延性受力行为采用变形(转角、位移或应变),脆性受力行为采用强度(剪力、弯矩、轴力或应力)的评价指标。评价指标的接受准则可以参照中国规范描述的破坏水平自定义。由于对应中国规范破坏水平的量化评价指标和接受准则不完善,现阶段可以参考《建筑结构抗倒塌设计规范》CECS 392或美国FEMA356或ASCE41-06。

以混凝土的材料损伤系数和钢筋的塑性应变及在截面上的发展区域比例等为主要参数进行评价,并和中国规范描述的破坏水平对照,中国规范基于构件或截面的非线性变形定量描述有待进一步完善。

总结

是更加贴近工程概念的性能分析与评价软件。从更加宏观的层面进行性能分析,模拟的切入点与最终破坏现象之间的距离较短,即将一定程度上对现象的总结规律作为输入去评价目标对象的现象规律,可降低存在于微观层面上的一些不确定因素的影响。但需要研究对象的受力特征等前提与已有现象规律总结的前提相一致,否则将会导致较大误差。

是更为精细的纯有限元软件,从更加微观的层面进行分析,更加适合反应复杂受力的相互耦合影响,非线性规则定义无需过多依赖于不同受力模式的前提条件。但模拟的切入点与最终破坏现象之间的距离较远,微观层面上的不确定因素相对影响较大。构件性能评价方面需做更多的开发。

 

本文作者是以上两款软件的正版使用者,不过专门说软件,小匠驿站还是第一次。原来觉得因为不是自己开发的,也没拿广告费,没那个义务代言。更愿意说的是结构问题本身。今天算是例外。写到快结尾时,突然想到晚上有个约会,挺美好的一个,就匆忙跑掉了,回来继续收尾完成,推送……


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