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地震弹塑性(II):TJU.SAP2ABAQUS接口技术、程序开发与验证
作者: 柳国环,练继建,国巍
 

 

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动力弹塑性与倒塌(II):SAP2ABAQUS接口技术、程序开发与验证
第x 卷第x 期《地震研究》Vol.37 No.1
2014,37(1):141-150


摘要:开发并实现了由大型商业软件SAP2000导入ABAQUS有限元模型的接口程序——TJU.SAP2ABAQUS,明确交代了适用于隐式算法UMAT与显式算法VUMATinp数据格式并给出了相应注记。该接口TJU.SAP2ABAQUS基于Microsoft VS2008为开发平台并采用Visual C#语言开发而成,提出并设置界面为导航方式,可自由选择生成隐式或显式格式的inp数据文件,不仅直接可转换不同截面杆系构件、壳体、组以及约束等信息,而且可将材料纤维信息直接转化为inp文件,包括难于处理的适用于隐式和显式算法的的钢材纤维、剪力墙配筋率等。可转化型钢构件包括:圆形钢管、箱形钢管、工字钢与角钢,混凝土构件包括:钢筋混凝土、圆钢管混凝土、方钢管混凝土、I字型以及十字形型钢混凝土。采用TJU.SAP2ABAQUS接口程序,对几种典型形式的结构模型分别转化,对比转化前后的模型信息以及模态分析结果,进一步验证了本文开发TJU.SAP2ABAQUS的可行性与准确性。本文工作可极大提高ABAQUS前处理的工作效率和模型转化的准确性。
关键词:有限元;SAP2000ABAQUSSAP2ABAQUSUMATVUMAT
中图分类号:P315.9;U442   文献标识码:A     文章编号:

基金项目:国家创新研究群体科学基金资助项目(51021004);国家自然科学基金青年基金(51108466);中国博士后科学基金(2011M500332)
作者简介柳国环,男,副教授,博士
通讯作者柳国环liu_guohuan@sina.com.


Abstract:An interface program named SAP2ABAQUS for converting finite element model from commercial software SAP2000 into ABAQUS is developed and implemented. While, the ABAQUS inp file format suitable respectively to implicit and explicit algorithm is briefly introduced and the corresponding notes are given as well. The interface program SAP2ABAQUS is implemented on the Microsoft Visual Studio development environment and coded using C# programming language. Through using SAP2ABAQUS, not only the rigid frame member, shell, group and restraint information but the material information can be transformed to ABAQUS inp file format. The inp file format involves the implicit or explicit steel fiber and steel ratio for shear wall. The convertible frame member includes circular steel pipebox shape steelI shape steel and angle steelreinforced concrete fameconcrete-filled circular steel tube“I” shaped steel reinforced concrete and “”shape steel reinforced concrete. At last, several typical finite element models are respectively transformed from SAP2000 to ABAQUS using the program SAP2ABAQUS, and then the models between the models of SAP2000 and ABAQUS and the corresponding modal analysis results are compared. From the transformation process and results, it shows the feasibility and accuracy of the program SAP2ABAQUS developed in this paper. The work in this paper can increase greatly ABAQUS preprocessing efficiency for reseachers and engineers.
Key words:finite element; SAP2000; ABAQUS; SAP2ABAQUS ;UMAT;VUMAT

引言
     ABAQUS是致力于非线性分析的大型通用商业有限元软件,首要创始人为布朗大学David Hibbitt,另外两位创始人Bengt karlsson和Paul Sorensenjia随后加入,后来三位力学专家于1978年2月成立了HKS公司致力于工程分析计算工具的研发,之后又于2002年改名为ABAQUS公司。ABAQUS核心程序能够分析广泛的线性和非线性问题,包括静态、动态、模态分析、时域\频域以及多场耦合分析,而且具有可用于二次开发的材料本构的用户子程序接口UMAT和VUMAT的开发功能,前者适用于隐式算法而后者适用于显式算法。美中不足的是:与ABAQUS自身的强大计算能力相比,ABAQUS前处理的便捷性尚不足以满足工程师人员的需要。例如在前处理方面,直接采用ABAQUS软件建立有限元模型占用工程人员较多时间,尤其在生成材料inp文件方面比较消耗时间。例如:一个复杂的大跨或超高层建筑,技术人员可能需要数天甚至花费更长时间建立模型和修改模型,而且有限元模型信息未必能够充分反映结构本身。此外,GUI(Graphic User Interaction)方式建模还容易出现由于有限元模型自身问题导致计算难于收敛甚至不收敛等常见但很耗时才能解决的问题。如上所述问题是工程中常见问题,完全采用ABAQUS直接进行有限元模型建立极大可能性降低了工程技术人员的工作效率甚至导致结果的不可靠,进而会影响整体及后续工程进度。

图1  转换前后对比 (局部坐标)   
 
        相比之下,大家熟知的SAP2000(下文简称,SAP)是土木工程领域工程师常用的有限元软件之一,由Berkerley大学Edward L.Wilson教授作为技术顾问的美国CSI(Computer and Structural Incorporate)公司研发。关于SAP更多介绍可参考文献[1]和[2]。与ABAQUS相比,由于SAP的主要面向对象领域为土木工程,因此其前处理的普及性相对更强,从而备受土木工程领域的设计单位青睐。然而,与ABAQUS相比,SAP目前的分析能力还仍存在一定差距,尤其是在构件和结构体系的高级非线性方面,例如:复杂结构动力弹塑性分析、失效与破坏判断以及多场耦合计算等。
        本文综合考虑ABAQUS和SAP2000软件存在的优势,当需要做大型复杂结构高级非线性分析时,容易想到一种途径:若能够将SAP中的模型导入ABAQUS中则是一种更为便利的方法。这样,不仅可以充分利用SAP软件已经建立好的模型,关键是还能够避免SAP2000前处理过程中建立模型这一复杂过程,从而可节约时间、提高工作效率。为此,本文开发并实现了有限元模型由商业软件SAP导入ABAQUS软件中的接口程序——SAP2ABAQUS,文中给出了编写流程、单元信息、隐式算法格式、显式算法格式、SAP2ABAQUS操作流程以及模型验证等相关情况。程序SAP2ABAQUS基于Microsoft VS开发环境并采用C#语言编码而成,界面采用到流程导向方式以便于使用者操作。SAP2ABAQUS不仅直接可转换不同截面杆系构件、壳体、组以及约束等信息,而且可将材料信息(钢筋与混凝土级别,构件的纵筋和箍筋以及剪力墙的配筋率)通过界面输入可直接转化为inp文件,通过选择可生成适用于隐式或显式算法的inp格式。可转换的型钢形式包括:圆钢管、箱型钢、工字钢与角钢等,混凝土构件包括:钢筋混凝土、圆钢管钢管混凝土、方钢管混凝土以及I字型和十字形型钢混凝土等。此外,边界约束条件以及构件分组等信息也可直接转入到ABAQUS软件中。最后,采用本文开发SAP2ABAQUS接口程序,对一简单模型与一复杂实际工程模型分别转化,并进一步对转化前后的模型信息以及模态分析结果进行对比。
 
     
图2  转换前后对比 (杆系)   
 
     本文作为ABAQUS相关系列工作的第II部分,主要涉及关于程序开发与验证,主要包括:
    (1) 开发了SAP2000化为ABAQUS有限元模型的接口程序SAP2ABAQUS。
    (2) 给出了开发SAP2ABAQUS接口程序的主要相关技术细节与主要注记。
    (3) 实现了程序SAP2ABAQUS导航式的可视化界面,给出操作步骤与说明。
    (4) 验证了SAP2ABAQUS转化模型的可行性与准确性。
        本文所开发的SAP2ABAQUS生成的inp数据文件可直接与第I部分[3]中开发子程序配套使用,第I部分的子程序与第II部分的SAP2ABAQUS接口程序被应用于实际工程中并在第III部分[4]中给出,从而得到进一步检验。
                           
 
图3  转换前后对比 (壳) 
结论
    本文作为系列工作的第II部分工作,针对有效提高ABAQUS程序有限元模型前处理的工作效率和准确性,做了如下几项工作:
(1)扼要且具体给出SAP2000与ABAQUS程序数据格式的技术细节与相关注记。
(2)开发并实现了可视化程序接口——TJU.SAP2ABAQUS,功能包括:导航式界面;直接选择和定义纤维;自由选择生成隐式和显式数据格式;转化内容丰富(包括钢筋层的楼板与剪力墙、钢筋混凝土、圆钢管混凝土、方刚管混凝土、I字形以及十字形型钢混凝土);钢管混凝土考虑了钢管得约束效应;自动转化分组并定义约束条件。
(3)给出了SAP2ABAQUS导航式可视化界面的操作流程、使用步骤及与相关注记。
(4)通过四种模型转化前后对比,进而验证了采用本文SAP2ABAQUS转化模型信息的可行性与准确性。
本文所开发的SAP2ABAQUS生成的inp数据文件可直接与第I部分中开发子程序配套使用,与第I部分子程序[3]的工程中应用在第III部分[4]给出,SAP2ABAQUS的便利性与准确性将得到进一步检验。

参考文献(References):
[1] Wilson E L. Static and dynamic analysis of structures: a physical approach with emphasis on earthquake engineering [M]. Computer and Structures, Inc, Berkley, California,    
     2004.
[2] 北京金土木软件技术有限公司等编著. SAP2000中文版使用指南.北京:人民交通出版社,2006.
      Civil Engineering Software Technology Co., Ltd. Beijing Golden, eds.the Chinese Guide of SAP2000.Beijing: China Communications Press,2006. ( in Chinese)
[3] 柳国环,练继建,国巍.结构动力弹塑性和倒塌分析(I):滞回关系改进、ABAQUS子程序开发与验证[J].
      Elasto-plasticity analysis for large-span and high structure (II): Hysteresis relationship Improvement, ABAQUS subroutine development and Verification. [J]. (Under review)
[4] 柳国环,练继建,孙雪艳,国巍.结构动力弹塑性和倒塌分析(III): 地震差动作用下输电塔-线体系的弹塑性与倒塌分析[J].
    Elasto-plasticity and collapse analysis for large-span and high structure (III): Elasto-plastic and Collapse analysis of transmission-lines system under Multi-point Seismic    
    Motions. [J]. 
[5] 陈肇元, 朱金铨, 吴佩刚. 高强混凝土及其应用[M]. 北京: 清华大学出版社, 1992
     Chen Zhaoyuan, Zhu Jinquan, Wu Peigang. High strength concrete and its application[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 1992(in Chinese)
[6] Legeron F, Paultre P. Uniaxial confinement model for normal and high-strength concrete columns. Journal of Structural
     Engineering , ASCE, 2003, 129(2): 241–252
[7] 韩林海. 钢管混凝土结构:理论与实践(第二版)[M]. 北京: 科学出版社,2007
     Han Linhai. Concrete filled steel tubular structures: Theory and practice (Second Edition)[M]. Beijing: Science Press, 2007(in Chinese)
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天津大学 建筑工程学院 ; 天津大学 前沿技术研究院; 国家重点实验室-水利工程仿真与安全