基于数据库的有限元模型转换研究与应用

1 前言
建筑结构设计计 算中常采用的有 限元的软件 有 PKPM/SATWE、 ETABS、 SAP2000、 MIDAS、 ANSYS、ABAQUS等 , 不同的软件都各自拥有自己的有 限元模型数据的存储文件 , 存储文件的数据格式不 尽相同 , 一些重要的建筑结构的设计计算通常需要 采用两个甚至更多的程序进行校核或 者不同需求 的分析 , 不同软件之间的三维有限元模型数据存在 着交换困难的问题 。 当建筑结构需要 用两个甚至 多个软件进行校核或不同类型的分析的时候 , 由于 不同的有限元软件的数据格式的不同 , 需要对同一 个结构分别建立各自的有限元模型 , 对于复杂的结 构来说 , 这一工作量是十分 的庞大的 , 尤其是当结 构布置的变化较多的时候 [ 1] 。
5 总结和展望
图 3 三维模型图
4 高层建筑有限元模 型转换中心的工程 应用
本文目前 实现了将 SATWE、ETABS和 ANSYS 的有限元模型数据读入到有限元模型转换中心 , 并 将有限元模型转换中心中存储的模型 数据输出成
随着计算机技术的飞速发展 , WEB技 术和数据库技术结合的越来越紧密 。 本文 是以设计好的数据库为有限元模型的转换中心 , 通 过对不同的有限元软件的接口文件进行研究 , 利用 C#语言和 .NET技术实现不同的有限元模型的数据 之间的转换 , 转换 程序 可以 通过 WEB界 面调用 。 通过复杂高层建筑的算例比较 , 说明了本文的模型 转换中心能够达到很高的转换精度 。
该大厦共 50层 , 总高度为 211米 。第 1层和第 5 层的层高度为 6米 , 第 2层到底 4层的层高为 5.2米 , 第 17层和 33层的层高为 4.5米, 第 49和 50层的层高 分别为 3米和 3.3米 。其余层的层高为 4.1米 。该大 厦为钢筋混凝土的框筒结构体系 。抗震设防烈度为 7 度 ,框架的抗震等级为一级 , 剪力墙的抗震等级为特
Double Double
ZLOCATION 节点 Z坐标
Double
单元库
表 2 单元库
ELEMENT ID
单元编号
ELE SECTION ID 单元的截面编号
ELE MATERIALID 单元的材料编号
ELE TYPE ID 单元的类型编号
NODE1
单元的节点 1 编号
NODE2
单元的节点 2 编号
2 建筑结构有限元模型转换中心的设计
不同软件的 有限元模型通 常具有一些共 同的
【作者简介 】 李华 (1987 -), 男 , 安微安庆人 , 硕士研究生 , 从事结 构风工程研究 , E-mail:1h19870202@
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应 用交 流
信息 , 包括有限元节点信息 、单元信息 (单元节点 、 单元类型 、材料 、截面等 )、荷载 信息 (点 、线 、面荷 载 )、约束信息等 , 这些共同信息为实现不同程序之 间有限元模型数据相互交换提供了便利 。
NODE3
单元的节点 3 编号
NODE4
单元的节点 4 编号
NODE5
单元的节点 5 编号
NODE6
单元的节点 6 编号
NODE7
单元的节点 7 编号
NODE8
单元的节点 8 编号
ANGLE
单元的角度
BUILDING TYPE 梁 、柱 、墙的表示
REFERENCE NODE 参考点编号
Long Int Int Int Long Long Long Long Long Long Long Long Double Int Long
3.材料库 :主要包含了材料的编号 、材料的属 性值 (弹性模量 、密度 、泊松比 、热膨胀系数等等 )。
4.截面库 :主要包含了截面的编号 、截面的几 何形状参数值 。
5.约束库 :主要包含了点约束和线约束 。 6.荷载库 :主 要考虑 了点荷 载 、线 荷载 、面荷 载 、风荷载和地震荷载等信 息 , 列出了 荷载作用荷 载类型 、荷载作用的大小 、方向荷载作用的位置 。 7.特殊信息库 :主要包含了有限元模型的总体 信息库 、配筋信息库 、刚性楼层库等等 。 以下列出有限元 模型转换中心的 节点和单元 库的设计作为示例 , 如表 1和表 2所示 。
3 建筑结构有限元模型转换中心编程实现
通过对不 同的 CAE软 件 的有 限 元模 型数 据文 件的 分 析 , 熟悉和掌握不同的 CAE软 件 的接 口 文 件 , 例 如 :SATWE 的有限元模型数据文件主要是 STRU.SAT, LOAD.SAT 和 WIND.SAT, 其 中 STRU.SATA 存储 模型的几 何信息 , LOAD. SAT存储有限元模型的竖向荷 载信 息 , WIND.SAT存储 有限 元模 型的风 荷载 信息 ;ETABS 的全部有限元模型信息主要存 储在 ＊.e2k文件中 ;ANSYS的 全部有限元模型信息主要存储 在 ＊ .cdb文件中[ 3, 4, 5, 6, 7] 。
本文主 要采 用 的 开 发工 具 是 Microsoftvisual studio2005, 目前制作的简单的 WEB界面如图 2所 示 , 通过 WEB界面 , 远程用户或本地用户可以通过 WEB界面调用服务器端的转换程序 , 并将结果下载 到本地使用 。
编程所用的语言的 C#, 读取文本文件主要是采用 的 streamreader类 , 生成文本文件主要采用的是 streamwriter类[ 8] 。与数据库的连接采用的是 oledb连接 :
目前 , 只有少数的软件之间可以进行比较完整的 有限元 模型数 据的转 换 , 比如 ETABS模 型转换 到 SAP2000中 , 但这个转换也只是单向的。国内高层结构 建筑设计通常采用的软件是 ETABS和 PKMP/SATWE, 很多复杂的高层建筑都同时采用这两个软件进行分 析 , 但是这两个软件之间的有限元模型的转换还没有
图 2 模型转换程序的 WEB界面
ETABS和 ANSYS的接口文件 , 从而实现了将 SATWE的模型转换成 ETABS和 ANSYS。
目前 , 有限元模型转换中心主要实现了高层建 筑模型的转换 , 并在一些复杂的工程模型中实现了 应用 。实现从中心数据库中输 出不同类型高 层建 筑 , 通过计算分析比 较相互之间的差 异 , 以分 析和 验证模型转换的 精度 。 以下介 绍高层结构建 筑中 的核心筒结构为例 [ 9] 。
ABAQUS等 )需要进 一步发展 , 实现所有的软 件之 间的有限元模型的相互转换 。
表21节点单元库单元库数据库项目名称数据库中变量名称变量的解释变量格式数据类型nodeid节点编号longxlocation节点x坐标double节点库ylocation节点y坐标doublezlocation节点z坐标doubleelementilongelesectionio单元的截面编号intelematerialid单元的材料编号inteletypeid单元的类型编号intnodel争元的节点l编号longnode2单元的节点2编号longnode3单元的节点3编号longnode4单元的节点4编号longnode5单元的节点5编号longnode6单元的节点6编号longnode7单元的节点7编号longnode8单元的节点8编号longangle单元的角度doublereferencenode参考点编号long483d单元编号墨三鱼三垦堕堡苎墨垫壁旦型堑丝堡图21为设计好的有限元模型转换中心1有mi模型转拽o通过对不同的cae软件的有限元模型数据文件的分析熟悉和掌握不同的cae软件的接口文件例如
(1)减少有限元模型的建模的次数 , 节约建模 的工作量 ;
(2)高精度的模型转 换可以提高 CAE分 析的 效率 , 节约建筑结构设计计算的时间 ;
(3)Web在线技术的应用大大提高了模型转换 的方便性 , 集中使用计算资源 ;
.NET和数据库技术的发展 , 也促进了 CAE技 术和数据库的集成化方向发展 。 目前 , 多个有限元 分析程序都具有了 .NET开发接口 , .NET和数据库 是一套结合紧密的开发工具 , 这些工具为模型转换 中心的建成提供了有利条件 。
级 , 修正后的基本风压为 0.95KN/m2。 SATWE, ETABS和 ANSYS的三 维 有
限元模型如图 3所示 。 分别用 SATWE、ETABS和 ANSYS计
算得出该建筑结构的自振频率 。 结果及误 差如表 3所示 。
ETABS在计算结构的总质量时 , 自动 扣除了梁和柱重叠部分的质量 , 而 SATWE 计算结构的总质量时并没有扣除 。因此 , 对于框架 -剪力 墙结构 、框架结 构 、核 心 筒结构等梁柱比比较大的结构 , 梁柱重 叠部分的质量是比较客观的 , ETABS计算 出来的 结构的 总质量 要比 SATWE的小 。 SATWE和 ETABS对于剪力墙墙元的计算 方法也不完全相同, 导致结果存在误差 。 ANSYS中的单元类型与 SATWE和 ETABS 也存在一些差异 , 因此计算结果存在一定 误差 。
【摘 要 】本文通过对有限元模型的 节点 、单元 、约束 、荷载 等信息 进行分 类 , 设 立有限 元数据 库中 心 。 通过 .NET (C#)与数据库结合的技术 , 对建筑结 构设计领域常用的分析软件 的接口文件 进行分析 , 实现 模型数据的 输入和输 出操作 , 分别将他们的有限元模型数据读入到设计好的 有限元 中心数据 库 , 进而可 以通过对 中心数 据库的 操作获 得有限元模型信息 , 生成所需要的 CAE分析软件的 接口文件 。 本 文主要实 现了将 SATWE、ETABS和 ANSYS的有 限元模型输入到数据库中 , 并实现了将数据库中的有 限元模型输 出成 ETABS和 ANSYS模型 。 通过 一个复 杂的核 心筒高层结构的工程实例对转换 的精度进行了验证 , 分 析了结 构的前三 阶频率 和结构 的总质 量 , 将 结果进 行了对 比 , 结果比较吻合 。 【关键词 】有限元 ;模型 转换 ;数据库 ;CAE 【中图分类号 】TP212.12;O241.82 【文献标志码 】A 【文章编号 】1674 -7461(2009)01 -0095 -04
第 1卷 第 1期 2009年 9月
Vol.1 No.1 Sep.2 009
基于数据库的有限元模型转换研究与应用
李 华1, 2 赵松 1, 2 汪丛军 1 黄本才 1, 2
(1.上海凯德数值信息科技有限公司 , 上海 200086; 2.同济大学航空航天与力学学院 , 上海 200092)
分别计算出总质量 , 结果及误差如表 4所示 。
SATWE计算
表 4 总质量及误差比较 结构总质量 (t)
ETBAS计算 (误差 %) ANSYS计算 (误差 %)
144959.234
142877.3 (1.44)
142000 (2.04)
目前本文只是实现了将 SATWE的有限元模型 转换到 ETABS和 ANSYS中 , 对于其他 的高层结 构 建筑常用 的有限元软件 (如 :SAP2000、 MADIS、
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应 用交 流
表 3 频率计算结果及误差的比较
频率 振型
SATWE计算 ETABS计算 (误差 %) ANSYS计算 (误差 %)
1
0.2174
2
0.2183
3
0.3200
0.2218(2.02) 0.2408(10.30) 0.3559(11.21)
0.2190(0.73) 0.2483(13.7) 0.3305(3.28)
通过 .NET(C#)技术和数 据库技术的结合 , 将 有限元模
基于数据库的有限元模型转换研究与应用
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型的数据读入到设计好的有限元模型转换中心中 , 然后通过对数据库的操作将存储在有 限元模型转 换中心的数据输出成相应或者所需的 有限元软件 的接口文件 , 从而实现不同的有限元软件之间的有 限元模型数据的相互转换 。
本文以 .NET和数据库技术 , 以数据库作为有 限元模型数据存储和交换的中心 , 设计有限元模型 转换的中心 [ 2] 。
有限元模型转换 中心的设计中主 要包含了以 下的信息 :
1.节 点 库 :主 要 包 含 了 节 点 的 编 号 和 节 点 坐标 。
2.单元库 :主要包含了单元的编号 、单元的单 元类型 、单元的截面编号 、单元的材料编号 、单元的 节点编号 、单元的参考点编号等等 。
图 1 有限元模型转换中心
通过对有限元模型的信息的分类 , 并对其进行 数据库的设计 , 最终获得有限元模型转换中心 。 图 1为设计好的有限元模型转换中心 。
表 1 节点库
数据库项目名称 数据库中变 变量的解释 变量格式 (数据类型 ) 量名称
NODEID 节点编号
Long
节点库
X LOCATION节点 X坐标 Y LOCATION节点 Y坐标
可供使用的可靠的程序 ,需要进行人工的调试和检验 。 进行有限元 模型的数据转 换已经成为一 种必
要的需求 , 如果在一 种软件上建立有 限元模型 , 通 过相应的程序转换 , 得到其他的软件的有限元模型 的数据格式 , 将不仅 大大减少建模的 工作量 , 而且 能够提高 CAE分析的效率 , 节约建筑结构设计计算 的时间 。 因此 , 研究不同软件之间的有限元的模型 的转换具有以下重要的意义 :