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    CAE咨询 / Data Area

    12年的专业CAE咨询服务经验,超过1000个项目的丰富经验积累。

    • 土木建筑结构工程作为最早期的工程学科之一,涵盖着相当广泛的科学技术领域。从土木建筑、桥梁结构、水工结构,到公路、隧道、地下工程等方面都离不开结构的设计与计算分析。土木工程是有限元分析应用的一个重要领域。土木工程设备的强度、寿命和可靠性分析以及钻探、挖掘、采矿、施工等过程的力学仿真是结构工程领域中很深入、复杂并极具挑战性的课题,需要多门学科的理论和方法的综合应用。

      计算模拟在这一领域起步最早、发展最快。国外大型模拟软件大都是从满足结构计算开始的。目前,数值模拟在建筑结构行业发展得相当成熟,不仅有大量的通用模拟软件、而且还有众多的针对某个专业需求的数值模拟软件可供选择。但目前结构工程数值模拟方面主要的困难表现在以下两个方面:一是物理场耦合分析开发的难度大,很多方面工作才刚刚起步,如热舒适环境优化设计与火灾热影响分析、车辆桥梁耦合分析、风桥耦合非线性分析、海洋结构海浪冲击-海水腐蚀共同作用分析等。二是和建筑结构紧密相连的地基与基础建模分析,国内外的很多工程往往因为地基和基础处理的不正确而导致建筑结构工程的失效和破坏。万丈高楼平地起,地的问题很复杂,性质多变,在计算模拟上通过模型把握有不小的困难,需要综合考虑的因素很多,这对计算模拟也提出了很大的挑战。

      当前土木建筑结构工程分析中最关键的问题仍然是岩土、建筑材料等的本构模型,以及相应的材料非线性和几何非线性分析。物理非线性是指岩土和建筑材料的本构关系是非线性的,而应变和位移的关系是线性的。岩土在荷载作用下的位移与其几何尺度相比很小,因而在求出位移场后,可以用某单元原来的尺寸计算应力场。采用非线性有限元软件在土木建筑结构工程分析中具有可用于非均质问题,多层土、多种建筑材料、多区域;可用于非线性材料,各向异性材料、塑性材料等;可适应复杂边界条件;可用于各种类型的问题:应力变形、渗流、固结、流变、湿化变形、动力和温度问题等优点。同时也存在单元形态对计算结果影响较大;计算比较复杂、麻烦;非连续性问题等困难。

    • 一、有限元在线在该行业能做什么,即我们的解决方案

      从总体上来看,有限元在土木建筑领域中的分析问题包括土木行业、建筑工程、岩土工程、桥梁工程以及水工等有限元分析。

      1. 有限元在线在建筑结构行业的应用

      有限元在线在建筑结构领域具有较深入的应用,要利用有限元分析软件实现建筑结构力学分析、高层建筑结构阵型分析、高层剪力墙弹塑性动力学分析、框架结构地震响应分析、沥青混凝土开裂分析、建筑结构声场分析等。

      2. 有限元在线在岩土工程行业的应用

      岩土工程是将土力学及基础工程、工程地质力学、岩体力学三者逐渐结合为一体并应用与土木工程实际而形成的新学科,其设计土木工程建设中岩石和土的利用、整治或改造。其基本问题是岩体或土体的稳定、变形和渗流问题。岩体在其形成和存在的整个地质历史过程中,经受了各种复杂的地质作用,因而有着复杂的结构和地应力场环境。正因为岩土材料具有前述的复杂性、非均质、非连续性等特点,这使得岩土问题无法用解析方法简单求解,否则会使计算结果出现较大偏差,相比之下有限元数值方法成为岩土工程和结构分析的一个有力工具。

      3. 有限元在线在桥梁工程行业的应用
      随着材料随着材料科学和桥梁施工工艺的发展,现代桥梁结构向大跨径、轻型化和柔性化方向发展,这就对桥梁的结构设计提出了更高的要求,需要对桥梁结构的各种力学性能进行计算与分析,如静力特性:强度、刚度与变形等;动力特性:固有频率及振型,动刚度及动位移等。对于以板梁和工字梁等为主,且形状、载荷及约束都较为简单的桥梁结构,采用经典公式和简单的数值计算,能够得到满意的结果。但对于结构、受载和边界条件相对复杂的桥梁工程的实际问题,由于无法较为合理地将问题简化为简单的力学模型,因而不能得到理想的计算结果。现今计算机及计算技术的高速发展,各种大型有限元分析程序包将是对各种结构新颖的桥梁实际工程问题进行数值分析的有力工具,正受到桥梁工程界的广泛重视。
      4. 有限元在线在水利工程中的应用
      由于有限元法的应力成果往往与所采用的单元型式和单元划分有较大的关系,因此目前还难以提出相应的应力控制指标。另外,有限元法应力分析中存在着坝踵、坝趾的应力集中效应,这对应力评价及确定控制应力带来困难,因此,有限元分析中应力取值一直是坝工界长期关注且尚未得到很好解决的关键技术问题之一。坝踵、坝趾等角缘应力集中部位往往是最受关注的应力控制部位。结构应力控制标准是建立在一定的应力取值方法基础上的,两者必须配套,这也是建立有限元应力控制标准的难点所在。
      二、我们是如何做的
      1. 有限元在线在建筑结构行业的应用
      在建筑结构中主要利用的有限元软件:ABAQUS—功能强大的非线性有限元软件;ANSYS—融结构、流体、电场、磁场于一体的大型通用有限元软件;MARC—功能齐全的高级有限元软件;ADINA—开发用于固体、结构、流体以及结构相互作用的流体流动软件等。当前较常用的主要是ABAQUS软件,由于其丰富的非线性功能可以很好得解决建筑结构行业的重大应用。
       
         
      2. 有限元在线在岩土工程行业的应用
      地下工程及深基础工程的建设安全与质量、施工环境保护,是城市建设者应优先考虑的问题。岩土介质本身非常复杂,如岩土的结构、孔隙、密度、应力历史、荷载特征、孔隙水及时间效应等等。SIMULIA可以很好地模拟岩土的力学性能及对岩土工程的各个方面进行模拟,包括非线性应力-应变关系、瞬态固结、稳态流变、井点降水、土体液化分析、施工过程、岩土的应力- 变形与稳定性、边坡应力及稳定性、边坡和硐室锚固效应分析、路基、底座、深基坑、桩等的承载能力与沉陷分析、土体与钢筋混凝土道路主体间的相互作用、锚固钢缆、预应力钢筋、钢支撑、隧道加强筋等钢结构与岩土和混凝土在温度和外力作用下裂隙的分布与扩展过程模拟。对于桥梁工程的分析如预应力箱型桥梁、悬索桥、斜拉桥等特殊的桥梁结构形式,同时可以做非线性边界分析、水化热分析、材料非线性分析、静力弹塑性分析、动力弹塑性分析。
       
       
       
      3. 有限元在线在桥梁工程行业的应用
      桥梁结构涉及几何非线性问题,这种非线性是由于大位移、弯矩和轴力之间的相互作用而产生的,任何一个实际的工程问题都希望能根据设计方案,从理论上、计算上以及试验上对其进行校核,将方案做得更经济实用,风险降到更低。对于设计之后的分析,用于设计的近似方法已经不能提供足够的精确度,我们必须建立准确的模型,借助计算机精确地分析结构。
      此外,广泛的适用领域包括:钢筋混凝土桥梁——板型桥梁、刚架桥梁、预应力桥梁;结合桥梁——钢箱型桥梁、梁板桥梁;预应力混凝土箱型桥梁施工过程 —— 悬臂法、顶推法、移动支架法、满堂支架法;大跨度桥梁 ——悬索桥、斜拉桥、拱桥;大体积混凝土的水化热分析 ——预应力钢筋混凝土箱型桥梁、墩台、基础、防波堤;以及地下结构——地铁、通信电缆管道、上下水处理设施、隧道等。
       
       
       
      4. 有限元在线在水利工程中的应用
      有限元在线对于模拟诸如大坝等建筑物的力学行为具有强大的优势,可以对这些结构的稳定性和应力状态进行分析计算,并且进行防渗计算。在计算中可以考虑水压力、温度场、渗流场、重力场作用以及温度场和力场、渗流场和力场的耦合。
       

       

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