SkyCiv中有限元模型的API转换与验证

如今, FEM是世界上各种类型结构的结构分析和设计的主要工具. 创建结构的 FE 模型时，可以区分三种主要方法. 即有一种低级建模方法, 高级建模方法, 以及通过 API 通过命令生成 FE 模型.

低级建模方法基于在每个建模步骤中使用 FEM 软件功能的逐步建模. FE 模型是手动创建的. 工程师手动定义空间节点, 在节点之间设置 FE, 设置材料, 设置负载, 设置边界条件, 等等. 这种建模方法是工程师中主要和广泛使用的.

高级方法基于 FEM 软件中的特殊模板, 适用于某些类型的结构. 这可能是一个对话框，工程师可以在其中输入结构数据. 然后软件根据这些数据自动生成现成的有限元模型. 这种方法可能被认为是抽象的，因为工程师确实花时间在 FE 模型上创建.

第三种方法是创建结构的 FE 模型中最强大和最灵活的方法之一. 这里的 FE 模型创建过程可以通过包含特殊执行命令的脚本来执行.

基于脚本的 FEM 模型的用例

这意味着工程师可以描述 FE 模型自动生成的顺序, 分析, 使用文本形式的结果后处理. 与前两种方法相比，这种工具提供了优化结构分析的能力. 以下是用于结构分析和设计的 API 应用的主要领域:

1. 工程师可以创建一套自己的模板，用于 FE 模型自动生成. 例如, 一位工程师正在处理一段高速公路，在该路段上必须有许多相同类型的不同桥梁. 桥接结构拓扑相同, 但只有一些基本参数必须改变, 比如道路宽度, 跨度的长度, 主梁的数量和尺寸. 相应地, 通过 API, 工程师可以创建脚本来自动生成许多桥梁模型，并指出它们之间的差异，并执行分析，随后对结果和构件设计进行自动后处理.

2. 在会员设计阶段, 工程师可以通过迭代计算自动选择他需要的建设性解决方案. 例如, 有必要根据几个标准优化桁架结构, 例如最佳偏转, 最佳重量, 最佳桁架高度, 元素的对角线和横截面的形状. 这里, 通过准备脚本, 通过 API，工程师可以自动创建和迭代分析所有可能的选项, 并停在最佳的一个.

3. 使用 API 的另一个重要示例是传输 (转换) SkyCiv 中来自其他软件的现成 FE 模型. 例如, 几家公司都在做一个共同的项目，需要在不同的软件中进行结构分析. 这种需要可能有几个原因, 要么比较结果的可靠性, 或者在其中一个软件中没有另一个软件中的分析功能. 从头开始并行创建 FE 模型非常耗时. 最有效的方法是在其中一个软件中有一个现成的 FE 模型，然后通过 API 将其转移到另一个软件中.

用于验证的 API FEM 模型示例: 邦华桥, 朝鲜.

在这篇文章中, 作为 API 应用程序的示例, 下面描述了将 FE 模型从一个软件转移到 SkyCiv 的示例. 还进行了对比分析. 考虑有限元模型的结构示例是位于首尔的一座公路桥, 大韩民国. 这座桥的名字叫邦化桥, 越过 汉江 它是内置的 2000 年. 桥梁的结构以五跨连续方案的形式呈现. 中心跨度采用拱形桁架形式. 桁架拱平滑地流入相邻跨度的主桁架. 从正面看，这给出了桥梁形状的美丽轮廓. 拱跨长度为180m. 相邻跨度的长度为 102m. 端跨长度为 78m. 桥段总长540m. 桥梁的主要结构构件由钢制成，包括箱形和工字形.

桥梁的有限元模型将从 SIMULIA Abaqus 软件传输到 SkyCiv. 这里, FE 模型完全由具有 6 自由度的 3D Tymoshenko 梁 FE 组成. 所有元素的材料都有一个弹性模量是 210000 兆帕, 密度是 76.98 千牛/立方米. 所有元素的刚度均以数字形式表示. 描述元件在压缩张力下的行为, 弯曲, 剪切和扭转定义的特性，例如横截面积, 有效区域, 扭转阻力和惯性矩.

SIMULIA Abaqus 软件允许将所有有限元模型数据保存为文本文件. 其中节点坐标等数据, 有限元, 材料特性, 边界条件, 等等. 显示为一组脚本行. 下面是这种表示的一个例子.

通常, 由不同软件对数据的文本表示进行编译，以便使用任何编程语言都可以轻松读取和识别. 由此, 很明显，有限元模型的所有数据都可以被识别和传输 (转换) 转换成 SkyCiv 可识别的格式. 在这种情况下, 这是 JSON 格式. 可以在此处研究此格式的详细说明及其准备规则 … (链接). 下面是转换后的 JSON 文件的片段和 SkyCiv 中转换后的模型的视图.

结果验证

现在, 两个软件SIMULIA Abaqus和SkyCiv的分析结果对比. 比较是从静态计算开始的，仅具有结构自重的作用. 自重由软件以分布式负载的形式自动应用, 这是通过将元素的面积乘以其材料的密度来确定的. 以下是垂直偏转轮廓和幅度的示例. SkyCiv 中的最大位移为 68.12 毫米. 在 SIMULIA Abaqus 中，最大位移为 67.85 毫米. 可以看出，差异是微不足道的, 少于 1%.

偏转结果

下面是基于单元自重转换的节点质量的结构特征模态和特征值的比较. 第一个本征模式显示了桥梁平面中构件的弯曲. 在 SkyCiv 中，频率为 0.991 赫兹, 同时在 SIMULIA Abaqus 中频率为 0.981 赫兹. 第二本征模式的特征是桥面板在水平面内的横向弯曲. 在 SkyCiv 中，频率为 1.77 Hz，在 SIMULIA Abaqus 中，频率为 1.72 赫兹. 可以看出两个软件中的结构特征模是一样的. 软件之间的特征值之间的差异在 3%.

模式 8 结果

模式 16 结果

上述材料展示了在实践中有效解决应用 API 的任务之一的过程. 创建脚本 API 为创建 FE 模型提供了广泛的机会，如果结构, 包括从其他软件转移现有模型，以便在 SkyCiv 中进行成功和准确的计算. 以下材料将展示在 SkyCiv 中使用 API 的其他示例.

验证结果汇总

迈克尔·马尔金
结构工程师, 产品开发
ng (民用)
[email protected]