sacs原理功能介绍以及实例

一、功能特点

1、软件功能

SACS系统是美国EDI公司(Engineering Dynamic INC.)的产品，是基于有限元技术的仿真平台，是为海洋平台和土木工程提供结构分析的一套软件，尤其在海洋动力分析方面有自己独到的优势。现在，SACS 包括了广泛的有关海洋平台结构设计和分析模块，功能强大。SACS 系统在各大洲都有应用，包括单机和网络。

美国EDI公司(Engineering Dynamic INC.)成立于1973年，具有丰富的工程软件开发经验，其代表产品为有限元分析软件系统SACS，该软件最早起源于航空航天技术及其程序代码，1974 年开始应用于商业，已发展成当今海事结构设计分析中应用最广泛的软件系统，得到了全球海洋工业的认可，目前有超过300家专业海事结构设计公司采用SACS系统。

SACS软件功能强大，可以分析复杂海洋环境下结构的静力和动力作用，每个模块都有着丰富的作用。在静力分析模块中包括结构的线弹性静力分析、含有间隙单元的线弹性静力分析、大变形分析、桩-土-结构相互作用的非线性静力分析、完全塑性倒塌分析；在动力分析模块中包括结构的模态分析、疲劳分析、地震分析、力响应分析、波浪作用分析、冰作用分析、风谱作用分析以及引擎振动分析。

2、软件编制依据、编制原理、系统架构、核心方法

2.1编制依据及原理

软件依据材料力学、弹塑性力学、动力学、海洋动力学、断裂力学、岩土力学等编制，内置美国API、英国、德国、挪威以及日本等国家级组织的钢架结构资料库，基于有限元以及有限差分法理论编制而成。

软件含有专业、方便的的波浪、重力、浮力、风力、冰等载荷的设置，完全执行美国石油组织（API）第20版环境载荷规定，包含5种波浪理论（Airy、Stokes、Stream Function、Cnoidal and Solitary）以及完善的流体静力学、动力学分析能力。

SACS系统所有的程序模块都包含有比较完整的英制及公制单位的缺省工程参数以简化用户的输入。

2.2系统架构

软件含有全3D图形化交互界面，智能化多文档编辑使建模更为快捷方便，全面交互式有限元模型生成器。典型的用户界面见图1。

图1 典型SACS用户界面

下面的程序系统架构图（见图2）用于解释各程序模块之间的数据连接关系。所有的结构数据：几何形状，构件尺寸，材料特性以及环境条件都是由交互方式输入以文件方式存储。然后求解程序对这些数据进行分析计算，得出最终的求解文件，这个文件中包含所有节点的位移以及单元内力。后处理软件使用求解文件中的数据，采用相应的规范对结构作规范校核。不符合规范要求的部分，程序可自动进行重新设计。结构分析及规范校核结果也可以用图形的方式输出，其结果可用于工程图纸生成及结构材料表。

图2 SACS程序系统架构图

2.3核心方法

静力学分析梁单元、板壳单元、实体元以及非线性缝隙单元，混凝土单元，包括双向加强筋混凝土、加强筋以及加强盒段分析，支持P-Δ分析，支持弹簧元和超单元分析，支持梁结构热载荷分析。单元类型十分丰富，可以充分满足实际工程的需求。可以依据API 20th，LRFD 1st edition，NPD and DNV等规范计算节点冲切。

非线性塑性分析依据弹塑性理论进行非线性塑性失效以及大变形分析，支持材料硬化以及连接变形分析，可用于结构的最大极限强度确定以及安全性评估。

动态分析地震波谱与响应历程分析，定常与随机海浪动态冲击响应分析，船舶驱动分析，冰块冲击分析，强风作用下结构动态分析与疲劳分析，固有和强迫振动分析。

疲劳以及交互疲劳分析支持定常和谱疲劳分析。依据Kuang、Wordsworth、efthymiou、NPD and DNV等理论和规范计算节点应力集中系数SCF，参照API、AWS and NPD等规范和S-N谱计算结构厚度。利用SCF和S-N理论计算节点连接疲劳寿命。

桁架结构设计基于DXF格式的交互全三维绘图界面连接详细设计与放样，材料下料、重量控制和成本分析，自动生成有限元连接模型。

桩-土相互分析基于有限差分法的非线性弹性地基和圆柱梁单元桩基相互作用，地基和桩用超单元来表示，依据API RP2A 20规范和非线性T-Z、P-Y曲线，可以计算桩基水平以及轴向的位移、内力。此外还能分析桩基的疲劳作用。

海上安装以及运输分析安装及拖航运动响应部分可以作船体稳性、运动响应分析，导管架下水和扶正分析。

3、软件使用范围

SACS软件系统包含多个互相兼容的分析程序，不仅适用于各类海事结构分析，也适用于各种民用建筑结构分析。

二、案例

1、工程概况

1.1概述

某海上结构位于东海海滨，离岸约12km，水深8~14m，采用高桩混凝土承台结构，承台顶标高为9.000m（国家85工程，下同）。

1.2水位

本工程设计采用的水位主要有以下四类：设计高水位、设计低水位、极端高水位和极端低水位，水位参数见表1。

表1 水位参数

1.3波浪

波浪的基本参数见表2，在设计中波浪采用50年一遇1%波高。

表2 波浪基本参数表

1.4潮流

本工程的设计潮流参数列入表3。

表3 设计潮流参数

1.5工程地质

工程区域泥面高程为-11.00m，地基土层按地质时代、成因类型、土性的不同和

物理力学性质的差异可分为7层，具体土层分布从上到下依次为：①层，淤泥，-11.00m~-11.40m；③层，淤泥质粉质粘土，-11.40m~-15.00m；④1层，淤泥质粘土，-15.00m~-24.10m；④3层，淤泥质粉质粘土，-24.10m~-28.20m；⑤3层，粘土，-28.20m~-38.80m；⑦1-2层，粉砂，-38.80m~-48.20m；⑦2-1层，粉细砂，-48.20m~-66.00m。其中⑦1-2层粉砂和⑦2-1层粉细砂可以作为桩基的持力层。

本工程桩基础结构为高桩承台结构，桩侧土体水平抗力按循环加载的P-Y曲线法确定。在计算中使用SACS软件的结构－桩－土相互作用模块，P-Y曲线地质基本参数见表4。

表4 P-Y曲线地质参数表

1.6工况组合

本测风塔按高耸结构二级建筑物设计，结构重要性系数γ0取1.0，荷载作用分项系数根据《港口工程荷载规范》（JTJ215-98）、《水运工程抗震设计规范》（JTJ225-98）

以及《高耸结构设计规范》（GB50135-2006），取值见表5。

表5荷载作用分项系数表