結構分析軟體的選擇

2021-03-04 01:04:36 字數 4030 閱讀 8072

近些年,隨著電腦的飛速發展,有限元軟體的開發也是日新月異。特別是隨著人們對結構分析的精確性和高階性的追求,越來越多的國內外有限元軟體被結構工程師所採用。

大致整理了一下,目前國內置築結構領域使用的計算軟體有:pkpm、3d3s、mts、mst、同濟啟明星、etabs、sap2000、safe、perform-3d 、midas、staad pro、robot 、easy、forten、ansys、abaqus、nastran、marc、ls-dyna等。

其中pkpm、3d3s、mts、mst、同濟啟明星屬於國內開發的軟體,目前使用的也比較普遍,效果也不錯;etabs、sap2000、safe、perform-3d 、midas、staad pro、robot 、ansys、abaqus、nastran、marc、ls-dyna是國外引進的軟體,目前在國內使用的也是十分普遍,而且因為一些國人有崇洋媚外的習慣,所以相對來講國外軟體使用的更多,認可度也更高,當然,老外軟體的質量起到了關鍵的作用。

那麼這麼多軟體在實際使用中怎麼選擇呢?其實,每個軟體都有其獨到之處,針對計算工程的不同特點,可以選擇不同的分析軟體,有時候可以起到事半功倍的效果。下面就談一下自己的一點拙見:

(1)在國內pkpm可以將是葵花寶典級別的。對於多高層結構特別好用,其最大的優點,也是大家所依賴的就是可以很快的配筋並出圖。現在也可以實現一些空間結構的建模與分析,但是使用起來還是有些不方便。

早期人們一直都是用pkpm行遍天下,只是後來隨著etabs等國外軟體進來後才有人開始對其有些微詞。因為很多人覺得pkpm算起來有問題,比如不同版本算的結果區別啦、不規則結構建模不方便啦等等。但是只要是做設計的,沒有人能離開pkpm的。

(2)3d3s不知道如何給它定位。這是同濟大學張其林老師開發的,可以計算的結構體系有:輕鋼、廠房、多高層結構、空間鋼結構、索膜結構等,可以進行中國規範校核。

真是神通廣大啊,不過,每個模組都是單獨賣的。個人看來,在國內軟體中3d3s算是比較成功的了,至少在商業化方面走到比較靠前。

(3)mst是浙江大學羅堯治開發的,專門用於網架和網殼結構的分析與計算,算是乙個專業小軟體。不過在空間結構領域可以使用以下,特別是可以用它來建模,比自己畫方便多了。

(4)mts是同濟大學李國強老師開發的,可以認為是針對多高層建築結構開發的。在國內也有一定的使用者,不過早期聽說使用不是很方便,不知道現在改進的如何了。據介紹,這個軟體可以很好的考慮阻尼器的計算,由於沒有使用過,所以不是很了解。

(5)同濟啟明星是同濟大學編制的乙個軟體,用於深基坑、樁基礎、邊坡穩定、天然地基等,方向是向地下發展的。很不錯,用起來挺方便的,而且目前類似的軟體不多。

以上是國內軟體的簡單介紹,下面對老外的軟體進行一下梳理:

(6)etabs、sap2000、safe、perform-3d等csi系列是加州大學berkeley分校的wilson教授開發的。其中etabs是針對多高層建築結構開發的。etabs對國內的軟體行業起到了里程碑式的作用。

etabs的出現讓人們看到在計算中我們原來可以做到更多。也是etabs讓人們對結構分析提出了更高的要求,比如彈塑性分析等。目前etabs可以做到多高層結構的快速建模、靜動力分析、靜力彈塑性分析、中國規範校核等。

幾乎涵蓋了結構工程師的所有要求。sap2000則專注與空間結構,比如網殼類、桁架類、不規則結構等,一句話,開發者希望不能用etabs實現的就可以sap2000來實現。和etabs一樣,sap2000對中國建築結構領域軟體的衝擊也很大,因為在sap2000進入中國的時候業內沒有類似可以進行空間結構建模與分析的軟體。

在當時sap2000算是填補了乙個空白。現在sap2000更新了很多版本(目前是12.0),增加了很多功能,比如中國規範校核等。

safe是專門進行樓板計算的,沒用過,好像必要性不是很強。perform-3d是剛推出的一套軟體,專注於動力彈塑性分析,採用了大家比較期待的纖維模型,不過聽說實際操作不是很方便,本人沒用過,不能下結論。

(7)midas是南韓的一套結構設計軟體,是業內的後起之秀。可以進行多高層及空間結構的建模與分析,也可以進行中國規範校核。其實,midas進來的很晚,記得05、06年midas使用者還不是很多,但是近幾年他們在銷售上花了很多心思,記得07年一套才賣3萬多塊,可以講是中國的市場他們是勢在必得。

現在midas的使用者已經非常多了,而且軟體的更新也很快。是一套很不錯的軟體。

(8)staad pro和robot可能大家不是很熟悉,不過確實是國內也在用的兩套設計軟體, 比如上海的南站鐵路是使用robot計算的;staad的應用可能更多一些,而且有中文版。這兩款軟體都是可以進行任何結構體系計算的,像sap2000和midas一樣,可以進行多高層和空間結構的計算與分析,staad帶有中國規範,聽說robot也在做,不知道現在有沒有做好。

(9)easy、forten是兩款索膜結構計算軟體。其中,easy採用的是力密度法, forten採用的是非線性有限元法。easy在中國用到比較多,比如上海世博軸索膜結構是用這個軟體計算的,不錯覺得介面開發的確實不敢恭維;個人認為forten的介面做得不錯,近似通用有限元的介面模式,出圖很漂亮。

不過這兩款軟體在國內d版比較少,目前我還沒有找到過。

(10)ansys、abaqus、nastran、marc、ls-dyna屬於通用有限元軟體,與設計軟體不同的是,通用軟體在結構計算上功能更強大,而且往往提供二次開發平台,對於高階使用者而言具有更大的發揮空間。其中:

<1> ansys應該是在業內擁有最多使用者的一款了,它不但擁有比較豐富的單元庫,而且提供了apdl程式設計平台,使使用者可以很好的進行複雜工程計算,這也是引數化建模與分析的平台。目前業內使用ansys計算的內容包括:多高層結構、空間結構、索膜結構、玻璃結構等等;特殊問題有節點分析、動力彈塑性分析等等。

乙個字,ansys太強大了,不過,ansys對於剪力牆的彈塑性分析方面還有一些不足。

<2> nastran是航空上的一款軟體,需要借patran作為前處理,但是近幾年在業內也有人使用,這款軟體厲害了,單元豐富、功能強大,想想看,美國飛機專用軟體,算我們建築結構還不是小菜一碟?

<3> marc和nastran一樣,都屬於msc系列的,它是一款功能齊全的高階非線性有限元軟體,具有極強的結構分析能力。在高校科研工作中用的較多。近幾年隨著彈塑性分析的需求,很多任務程是用這個軟體計算的。

<4> abaqus和ls-dyna是兩款比較特殊的軟體,它們的計算方法為顯式計算。我們常用的有限元軟體一般都是隱式計算方法,就是解方程[k][u]=[p]。而顯式計算則是使用時間積分的方法。

顯示積分在動力計算中幾乎不存在不收斂的問題,所以在動力彈塑性分析中使用的較多,目前這是國內進行動力彈塑性分析中使用最多的兩款軟體。不過,關於顯式計算在我們建築結構的動力分析中是否適用一直存在著爭議。本人abaqus用比較多,所以對其還算比較熟悉。

像abaqus其最大的強項在於實體分析和殼單元分析,而杆單元的分析則不是其優勢所在。所以,在我們建築結構計算中需要使用者開發一些簡單的介面程式,把其他軟體建立的模型匯入到abaqus中,否則在abaqus中建立建築的三維模型會累死人的,不過它的後處理還比較方便。abaqus的非線性功能很強大,如此強大的非線性功能,用在建築結構領域簡直太浪費了!

ls-dyna是ansys系列的,據說可以把計算模型直接從ansys中轉換過去。其動力彈塑性功能和abaqus差不多,這些功能都可以輕鬆滿足我們建築結構領域的需求。

前面對一些常用軟體做了簡單的介紹,了解其基本情況後作選擇就比較簡單了:

(1)對於多高層結構的設計優先選擇pkpm、etabs和mts;另外也可以選擇sap2000、midas、staad pro和robot、3d3s;如果是計算分析,隨便選乙個通用有限元軟體即可,強烈推薦ansys。

(2)對於空間結構的設計優先選擇sap2000、midas、staad pro和robot;純計算分析強烈推薦ansys、midas、sap2000和nastran;

(3)對於索膜結構可以選擇ansys、easy、forten、3d3s。鑑於easy、forten一定要用正版,所以還是用ansys和3d3s比較現實。

(4)對於動力彈塑性分析建議採用abaqus和ls-dyna;另外也可以選用etabs(多高層)、sap2000、midas(最近推出building專門做動力彈塑性)。

(5)節點細部分析,建議採用ansys、absqus;也可以選用nastran和marc。

另外,對於一些特殊結構,考慮到可能會使用到簡單的二次開發,所以還是建議大家選用ansys、abaqus等帶有程式語言的通用軟體。

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