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隨著門窗幕墻行業(yè)的發(fā)展，各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)形態(tài)的門窗幕墻結(jié)構(gòu)相繼出現(xiàn)，使得傳統(tǒng)計算方法已難以適應(yīng)工程分析的需要，出現(xiàn)了計算精度差、計算效率低下、難以分析計算等問題。有限元分析技術(shù)是隨著電子計算機的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計算方法，是進(jìn)行工程計算的有效方法，自五十年代起，在航空、水利、土木建筑、機械等多方面得到廣泛的應(yīng)用。
同時，得益于計算機技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，一些大型有限元通用軟件相繼出現(xiàn)，如德國的ASKA、英國的PAFEC、法國的SYSTUS、美國的ABQUS、ANSYS、ADINA、BERSAFE、BOSOR等等，使得有限元法（詞條“有限元法”由行業(yè)大百科提供）逐漸成為廣大工程技術(shù)人員進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)分析的首選方法。通用有限元軟件以其強大功能支持，受到了用戶的好評，然而該類軟件針對性不強，用戶學(xué)習(xí)周期長，對與CAD集成、工程建模及其后處理等缺乏必要支持，因而給工程分析帶來了不少麻煩，難以滿足由于行業(yè)競爭加劇而逐漸提倡的節(jié)約設(shè)計和制造成本、減少設(shè)計周期以及提高設(shè)計質(zhì)量的要求。
基于此，本文以AutoCAD作為圖形處理及運行支持平臺，基于自行研制的有限元分析計算軟件和ANSYS通用有限元分析軟件，開發(fā)了一套適合門窗幕墻結(jié)構(gòu)的專業(yè)有限元分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)支持與AutoCAD的無縫集成，提供了諸如模型設(shè)計、模型計算、模型校核、結(jié)果出圖以及計算書生成等一整套工程應(yīng)用解決方案，解決了通用有限元軟件的專用性不強、設(shè)計效率低、操作不方便、計算模型難以統(tǒng)一等問題。
一.有限元分析技術(shù)概述
1.1 定義(什么是有限元?)
將求解域離散為由有限個小的互連子域組成，對每一子域假定一個合適的(較簡單的)近似解，然后推導(dǎo)求解整個域總的滿足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件)，從而得到問題的解。目的在于用較簡單的問題代替復(fù)雜問題，求得問題近似解，而不一定是準(zhǔn)確解。
有限元不僅可以獲得高的計算精度，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段(工程結(jié)構(gòu)的數(shù)值計算方法)。
定義：有限單元法(FEM，F(xiàn)inite Element Method)、即有限元法，是用有限個單元將連續(xù)體離散化，通過對有限個單元作分片插值求解各種力學(xué)、物理問題的一種數(shù)值方法。
對于工程問題，我們通常有兩種計算方法：解析法和數(shù)值解法。
1.2 核心思想(具體內(nèi)容?)
核心思想是將一個大的工程結(jié)構(gòu)劃分為有限個稱為單元的小區(qū)域，在每一個小區(qū)域里，假定結(jié)構(gòu)的變形（詞條“變形”由行業(yè)大百科提供）和應(yīng)力都是簡單的，小區(qū)域內(nèi)的變形和應(yīng)力都容易通過計算機求解出來，單元之間通過約束條件進(jìn)行拼接(變形協(xié)調(diào)等)，進(jìn)而可以獲得整個結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力。
有限元法是隨著電子計算機的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計算方法，是進(jìn)行工程計算的有效方法，自五十年代起，在航空、水利、土木建筑、機械等多方面得到廣泛的應(yīng)用。 隨著計算機普及及許多大型有限元通用程序的出現(xiàn)，有限元法逐漸成為廣大工程技術(shù)人員進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的有力工具。
有限元法的核心——物體離散化
在工程技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)之兩類典型系統(tǒng) ：
離散系統(tǒng)和連續(xù)系統(tǒng)
離散系統(tǒng)：可以歸結(jié)為有限個已知單元體的組合。例如，幕墻立柱（詞條“立柱”由行業(yè)大百科提供）多跨鉸接連續(xù)梁、建筑結(jié)構(gòu)框架、桁架、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。我們把這類問題，稱為離散系統(tǒng)。
如下圖所示平面桁架結(jié)構(gòu)，是由6個只承受軸向力的“桿單元”組成，其中每根桿的受力狀況相似。這樣的離散系統(tǒng)由于單元數(shù)目較少，構(gòu)造簡單，我們通過常規(guī)力學(xué)分析就能解決。
但即使是桁架結(jié)構(gòu)類，當(dāng)單元數(shù)目眾多，連接方式稍有改變時，計算的復(fù)雜度大大增加，設(shè)計人員不能把精力專注于更富有意義的創(chuàng)新設(shè)計，卻把大多數(shù)精力浪費在大量結(jié)構(gòu)計算(校核)方面。
連續(xù)系統(tǒng) ：針對連續(xù)介質(zhì)，通常可以建立它們應(yīng)遵循的基本方程，即微分方程和相應(yīng)的邊界條件。例如彈性力學(xué)問題，熱傳導(dǎo)（詞條“熱傳導(dǎo)”由行業(yè)大百科提供）問題，電磁場問題等。由于建立基本方程所研究的對象通常是無限小的單元，這類問題稱為連續(xù)系統(tǒng) .
針對兩大類系統(tǒng)：
基本方程：
(1)力的平衡方面 (力的平衡方程)——結(jié)構(gòu)穩(wěn)定條件
(2)幾何方面(幾何變形方程)——變形諧調(diào)條件
(3)材料方面(物理本構(gòu)方程 )——本構(gòu)公理條件
三大類方程
應(yīng)用本質(zhì)：分析歸納出有限種類標(biāo)準(zhǔn)件——>構(gòu)造出任意復(fù)雜的對象。
1.3 分析精度(越高越好?)
相鄰小區(qū)域通過邊界上的結(jié)點聯(lián)接起來，可以用一個簡單的插值函數(shù)描述每個小區(qū)域內(nèi)的變形和應(yīng)力，求解過程只需要計算出結(jié)點處的應(yīng)力或者變形。
以結(jié)點位移作為基本變量（詞條“基本變量”由行業(yè)大百科提供），求出結(jié)點位移后再計算單元內(nèi)的應(yīng)力，這種方法稱為位移法。主要應(yīng)用于結(jié)構(gòu)優(yōu)化，如結(jié)構(gòu)形狀的最優(yōu)化，結(jié)構(gòu)強度的分析，振動的分析等。
當(dāng)單元劃分得足夠小，計算結(jié)果也就越接近真實情況。當(dāng)單元數(shù)目足夠多時，有限單元解將收斂于問題的精確解，但是計算量相應(yīng)增大。實際工作中要在計算量和計算精度之間找到一個平衡點。
過多的單元劃分，對計算結(jié)果的精度提高作用無實際意義(小數(shù)點后一位甚至后幾位上的區(qū)別)，反而會增加操作的工作量，影響求解時間效率。以滿足工程應(yīng)用要求為標(biāo)準(zhǔn)!
1.4 小結(jié)
1、有限元離散求解問題的思想(非準(zhǔn)確解)
保留問題的復(fù)雜性，通過問題離散，利用數(shù)值計算方法求得近似解。
2、合理的精度控制
一般以自然桿件作為一個桿單元;板的應(yīng)力集中處。
3、基本方程
三大類變量——三大類方程。
二.門窗幕墻行業(yè)應(yīng)用需求
隨著門窗幕墻行業(yè)的發(fā)展，各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)形態(tài)的出現(xiàn)，使得傳統(tǒng)的計算方法(經(jīng)驗法和類比法)已經(jīng)難以適應(yīng)。
由實際結(jié)構(gòu)模型推導(dǎo)出的平衡方程應(yīng)用到每個節(jié)點上，由此產(chǎn)生了一個巨大方程組，手工已經(jīng)無法求解。
鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，結(jié)構(gòu)越發(fā)復(fù)雜和龐大，對安全性提出了更高的要求，結(jié)構(gòu)的差異性對計算服務(wù)的需求。
行業(yè)競爭加劇，要求節(jié)約設(shè)計和制造成本、減少設(shè)計周期、提高設(shè)計質(zhì)量，國家規(guī)范的強制要求。
三.有限元應(yīng)用軟件介紹
3.1 應(yīng)用軟件選擇
通用軟件
功能強大，但針對性不強，尤其是針對特定工程或產(chǎn)品的建模和后處理部分，使用成本高，技術(shù)支持不夠。
主要有美國的NASTRAN、ABQUS、ANSYS、ADINA、BERSAFE、BOSOR、COSMOS、ELAS、MARC、STARDYNE、德國的ASKA、英國的PAFEC、法國的SYSTUS等產(chǎn)品。
專用軟件
功能單一，針對性強，建模方便，行業(yè)專用性好，與CAD集成度高，如：百科GESP2015、SAP等。
3.2 選擇有限元分析軟件注意事項
3.3應(yīng)用軟件—百科GESP2015
百科通用結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)是內(nèi)江百科科技有限公司、重慶大學(xué)和中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會在BKCADPM系列軟件產(chǎn)品的基礎(chǔ)上推出的適用于建筑金屬結(jié)構(gòu)行業(yè)的有限元分析系統(tǒng)產(chǎn)品，系統(tǒng)由基礎(chǔ)平臺和各個專業(yè)系統(tǒng)模塊組成 。能夠為用戶提供結(jié)構(gòu)建模、模型設(shè)計、模型分析計算、模型校核、結(jié)果出圖以及計算書生成等一整套工程應(yīng)用解決方案。同時搭建一個技術(shù)支持服務(wù)平臺，在提供軟件產(chǎn)品的同時，為用戶提供專業(yè)技術(shù)支持服務(wù)，從而提高設(shè)計人員的結(jié)構(gòu)分析技術(shù)水平。
3.4百科GESP2015特點
基于AutoCAD進(jìn)行二次開發(fā)，系統(tǒng)全面兼容AutoCAD的文件格式，系統(tǒng)適用面廣，操作簡單，支持CAD2000-2015
系統(tǒng)提供了豐富的標(biāo)準(zhǔn)模型庫、豐富的截面庫;支持任意截面三維顯示;支持任意單一、組合(隔熱)截面參數(shù)計算;支持截面庫中截面自動繪制。
可對任意結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析計算，如雨棚、采光頂、幕墻、玻璃（詞條“玻璃”由行業(yè)大百科提供）房等，支持弧形結(jié)構(gòu)的分析，如觀光電梯扶手、欄桿等。
提供了詳細(xì)的計算書生成功能，如：計算報告書、模型校核計算書、載荷計算書、玻璃板塊計算書、埋件計算書、焊縫計算書等。
工具箱提供了幕墻、雨棚、采光頂、地板等多種形式的玻璃綜合計算，支持四點、六點及九種框支撐形式的玻璃板塊校核計算，其中雨棚支持考慮負(fù)風(fēng)壓。
提供單榀骨架參數(shù)化建模，全面支持CAD復(fù)制、鏡像、陣列、移動等功能!
提供了框支撐幕墻5種計算模型的自動建模 ，支持多跨鉸接連續(xù)靜定梁的優(yōu)化設(shè)計功能!
提供了幕墻、采光頂、雨棚、地板等五種玻璃板塊計算類型 ，增加新抗震（詞條“抗震”由行業(yè)大百科提供）規(guī)范中設(shè)防類別、設(shè)計地震分組等內(nèi)容!
提供了四點、六點支撐玻璃板塊計算，以及四邊簡支、三邊簡支(一邊自由)、對邊簡支等九種形式的框支撐玻璃板塊計算 !
提供了多層夾層玻璃、雙夾層中空玻璃、多層中空玻璃、夾層中空玻璃等8種玻璃組合類型的計算!
完善的計算書
計算報告書：結(jié)構(gòu)整體的支座、載荷、桿件、材料等工程信息，桿件的內(nèi)力（詞條“內(nèi)力”由行業(yè)大百科提供）及節(jié)點位移信息、支座反力，桿件驗算等信息。
模型校核計算書：關(guān)鍵桿件詳細(xì)的驗算過程，強度、抗剪、長細(xì)比、撓度等。
載荷計算書：載荷的具體計算，即載荷的由來，包括風(fēng)載荷、雪載荷、活載荷、地震載荷、自重載荷等，確定最不利組合。
玻璃板塊計算書：玻璃板塊的具體計算過程，強度、撓度。
埋件計算書、焊縫計算書、玻璃肋計算書等。
廣東省博物館新館外裝鋼結(jié)構(gòu)
蘇州北站主體鋼結(jié)構(gòu)
3.5一些基本概念
坐標(biāo)系和方位
坐標(biāo)系的分類：一般分為整體坐標(biāo)系和局部(單元)坐標(biāo)系。
整體坐標(biāo)系為整體結(jié)構(gòu)信息描述提供統(tǒng)一的參照系，如桿件位置、支座位置、支座反力、節(jié)點位移、載荷作用方向等。
局部坐標(biāo)系為獨立構(gòu)件信息描述提供統(tǒng)一的參照系，如桿件撓度、桿件抗剪、桿件彎矩（詞條“彎矩”由行業(yè)大百科提供）等。
工程信息可以在不同的坐標(biāo)系間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
整體坐標(biāo)系往往只有一個，局部坐標(biāo)系有多個。
方位提供桿件空間擺放位置的描述。
方位定義即局部坐標(biāo)系的定義，整體坐標(biāo)系為局部坐標(biāo)系的定義提供統(tǒng)一的基準(zhǔn)。
線性和非線性
a、幾何非線性; b、材料非線性;
線性結(jié)構(gòu)不必考慮因大變位、大撓度所引起的幾何非線性性質(zhì)。此外，鋼結(jié)構(gòu)的材料都按處于彈性受力狀態(tài)而未進(jìn)入塑性狀態(tài)計算，即不考慮材料非線性性質(zhì)。
非線性結(jié)構(gòu)無法忽略大變位、大撓度所引起的幾何非線性性質(zhì)，但有時可不計材料進(jìn)入塑性狀態(tài)影響，即不考慮材料非線性性質(zhì)。
幕墻支撐結(jié)構(gòu)：建筑幕墻鋼結(jié)構(gòu)主要用于框支撐幕墻以及點支撐幕墻兩大類幕墻的結(jié)構(gòu)支撐。
幕墻支撐結(jié)構(gòu)主要按照線性結(jié)構(gòu)計算，對于幕墻拉索桿結(jié)構(gòu)，當(dāng)節(jié)點外載荷作用時，結(jié)構(gòu)會改變幾何形狀，產(chǎn)生較大的撓曲（詞條“撓曲”由行業(yè)大百科提供）變形，屬于幾何非線性、材料線性結(jié)構(gòu)。需要進(jìn)行非線性分析。
線性結(jié)構(gòu)滿足疊加原理，即通過研究其對簡單輸入的響應(yīng)，疊加起來就可導(dǎo)出和描述組合輸入的響應(yīng)。非線性結(jié)構(gòu)則不滿足。
四.有限元案例分析
有限元分析一般步驟
(1)建立模型
1、模型抽象
2、幾何模型
3、約束信息
4、物理信息(材料、截面及型號)
5、空間擺放情況
6、載荷信息( 工況與組合)
7、連接狀況(自由度釋放)
(2)分析計算
線形分析、非線形分析、找形分析 自重等信息是否考慮
(3)結(jié)果查詢與顯示、驗算、調(diào)整優(yōu)化、最終計算結(jié)果輸出(包括校核結(jié)果、載荷計算書、計算報告書等) 簡圖和載荷、內(nèi)力結(jié)果、位移結(jié)果、驗算結(jié)果
圣維南原理
有限元分析流程
結(jié)束語
采用有限元分析技術(shù)進(jìn)行線性結(jié)構(gòu)分析，最終必然歸結(jié)為求解一系數(shù)矩陣為對稱正定陣的線性方程組。因而線性方程組求解的效率和精度是線性結(jié)構(gòu)有限元分析軟件成功與否的關(guān)鍵因素。線性方程租的求解一般可以考慮以下幾個關(guān)鍵問題：(1)總剛度矩陣的存儲空間效率以及讀取時間效率。(2)總剛度矩陣算法選擇以及對總剛度矩陣的計算預(yù)處理。(3)計算模型的完整性檢驗。
本文在對門窗幕墻結(jié)構(gòu)分析的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)之上，提出了門窗幕墻結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。在針對參數(shù)化建模技術(shù)、有限元分析技術(shù)以及ANSYS二次開發(fā)技術(shù)等關(guān)鍵實現(xiàn)技術(shù)的研究基礎(chǔ)之上，開發(fā)了一套針對門窗幕墻結(jié)構(gòu)的專業(yè)有限元分析系統(tǒng)，對提高設(shè)計人員工作效率、縮短設(shè)計周期、降低設(shè)計成本以及提高設(shè)計質(zhì)量具有一定的現(xiàn)實意義，目前系統(tǒng)已經(jīng)在我國門窗幕墻行業(yè)中推廣應(yīng)用。
