MIDASGen的數值分析模型.doc

1. MIDAS/Gen的数值分析模型 数值分析模型 结构分析模型是由节点、单元及边界条件三要素所构成的。其中，节点是用来确定构件的位置；单元是用分析模型数据表达结构构件的元素，它是由连续的结构构件按有限元法划分而成的；边界条件是用来表达所研究的对象结构与相邻的结构之间的连接方式。 所谓的结构分析就是为了研究结构的力学性能，建立结构的数值分析模型，利用假定的外部环境作用，对数学模型作理论性的实验分析的总过程。 在结构分析时，需要准确的表现结构的特性和结构所处的外部环境。其中外部环境主要就是指荷载因素。可通过规范或者一些现有的统计资料得到。但是，要想把握好结构的特性，充分地了解结构的受力性能，则不是一件非常简单的事情。它将直接影响到结构的受力分析结果。 因此，作结构分析时必须充分细致的了解实际结构的材料特性，掌握结构的变形能力即刚度，选择合理的有限计算单元，使得计算结构模型同实际结构相接近，使计算结果同实际结构相符合。 但是，通常结构的形状是复杂的，而且很难精确地把握其材料的物理特性。要想把结构的刚度（即变形能力）和质量精确地反映到计算结构模型上，将会花去很大的精力和时间，有时有可能带来事倍功半的效果。 因此，进行结构分析时，在不破坏整体结构特征的前提下，必须做到简化、调整计算结构的数学模型，使得用最少的投入，得到最佳的结果。  例如，对桥梁的主梁建立数学模型时，不使用板形单元（平面应力单元或板单元），而采用线形单元（桁架单元或梁单元）时，不但缩短结构分析时间，而且更便于作结构设计。 所谓的有限元（Finite Element)就是用分析模型数据表达结构构件特性的元素，它是由连续的结构构件按有限元法划分而成的。它必须充分的反映结构受力特性，但通常很难做到用数学的方法完整地反映出实际结构固有的特性。 因此，作为用户必须充分地了解实际结构的受力性能，掌握好各种有限单元的力学特性，以便较好的选择有限单元，正确地做到结构分析和设计。 坐标系及节点 MIDAS/Gen软件使用如下几个坐标系系统。 全局坐标系 (Global Coordinate System) 单元坐标系 (Element Coordinate System) 节点坐标系 (Node local Coordinate System) 全局坐标系是由X、Y、Z三轴满足右手螺旋法则的空间直角坐标系(Conventional Cartesian Coordinate System)，用大写X、Y、Z表示三个轴的方向。 通常利用该坐标系表达节点坐标、节点位移、节点反力及相关于节点的其它输入数据。 全局坐标系是用来确定所分析对象结构空间位置的坐标系统。启动MIDAS/Gen软件，在系统界面视窗区，将自动生成基准点 (Reference Point) 即全局坐标系的原点X=0、Y=0、Z=0和全局坐标系统。其中Z轴的方向平行于重力加速度方向并与其反向。因此利用软件建立结构的计算模型时，建议做到结构的垂直方向与全局坐标系的Z轴平行建模，将有利于结构分析。  单元坐标系也是由x、y、z三轴满足右手螺旋法则的空间直角坐标系统，可用小写x、y、z表示三个轴的方向。 通常利用该坐标系表达单元内力、单元应力及相关于单元的其它输入数据。? 结构端部节点的约束（支撑）方向、弹簧支撑方向及节点的强制位移方向同全局坐标系的坐标轴方向不相吻合时，通常采用节点坐标系。 节点坐标系也是由x、y、z三轴满足右手螺旋法则的空间直角坐标系统，可用小写x、y、z表示三个轴的方向。 图1.1 全局坐标系和节点坐标 单元种类及主要考虑事项 MIDAS/Gen软件使用以下几种单元类型。 桁架单元 (Truss Element) 只受拉单元 (Tension-only Element, 包含Hook功能) 索单元 (Cable Element) 只受压单元 (Compression-only Element, 包含Gap功能) 梁单元/变截面梁单元 (Beam Element/Tapered Beam Element) 平面应力单元 (Plane Stress Element) 板单元 (Plate Element) 平面应变单元 (2D Plane Strain Element) 平面轴对称单元 (2D Axisymmetric Element) 空间单元 (Solid Element) 输入有限单元就是输入相关于单元的种类、材料特性、刚度大小的数据和输入确定单元位置、形状和大小的节点数据的过程。 桁架单元