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更新的CBFEM(基于组件的有限元模型)求解器
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更新的CBFEM(基于组件的有限元模型)求解器

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以下文章详细介绍了针对 IDEA StatiCa Connection 和 Member 软件的 CBFEM(基于组件的有限元模型)求解器的改进内容,涵盖空心截面的截面变形以及计算的数值迭代。

计算求解器是 CBFEM(基于组件的有限元模型)的核心。 

我们持续对这一数值方法进行改进和完善。在第 21 版中,我们完成了几年来在几何非线性和大变形领域的开发工作,包括初始缺陷(GMNIA)。这使我们得以将 Member 软件从测试版转为正式版。

当用户在其三维有限元分析程序中进行的构件验算不够充分时,Member 现已可供使用。构件现已完整建模,包括端部节点,这对设计人员十分有利,使其无需再估算端部节点效应对承载能力和稳定性失效的影响。Member 能够处理横向和纵向加劲板、开孔、截面高度变化的影响,以及相连次构件的影响。扭转和翘曲效应对该方法而言也不成问题。

与此同时,GMNIA 方法也显著有助于完善 Connection 软件中的节点模型。该方法现已应用于所有空心截面节点——包括圆管和矩形管。根据规范,管节点按经验公式进行验算,而这些公式的适用性受到特定几何条件的限制。这些公式与实际情况的吻合程度颇具争议,尤其是在适用区间的边界处。改进后的 GMNIA 方法与规范公式表现出良好的吻合性,尤其是在适用区间的中间部分。在边界区间,该方法已与高级数学模型(ABAQUS)及物理试验进行了充分验证。

数值模型的每次变更必然带来结果的变化。这一点在第 21 版中同样有所体现,绝大多数情况下差异在百分比单位以内。

此外,模型的改进还体现在计算速度的显著提升上,提升幅度最高可达 30%。

发布于 IDEA StatiCa 版本 21.0。


GMNIA 求解器

用于 IDEA StatiCa Connection 中空心截面节点以及 IDEA StatiCa Member 中 GMNIA 分析的求解器已得到改进。现在,它不仅包含壳单元的非线性公式(此前版本中已有),还包含组件中所用连接和约束的非线性公式,例如螺栓或焊缝。

通过插入一个凝聚超单元,节点模型得到了显著改善。该单元添加在构件端部之后,具有与构件弹性壳模型相同的属性。它仅为一个单元,但允许构件端部产生任意弹性变形和应力。因此,由壳单元组成的构件部分可以更短,同时仍能改善模型行为。

已在构件端部添加凝聚超单元

这使得使用壳单元的模型部分得以缩短,同时仍能提高模型精度。由此减少了模型中的单元数量,从而加快了计算速度并改善了结果可视化效果。

壳模型端部的截面变形

这是进行此项改进的主要原因。由壳单元组成的模型端部截面可能发生变形。空心截面节点需要相对较长的构件——最长可达截面直径的 10 倍。通过在由壳单元组成的模型部分之后引入凝聚超单元,在保持相同精度的前提下,计算速度大幅提升。

发布于 IDEA StatiCa 版本 21.0。


空心截面壳弯曲承载力折减(缺陷)

规范中空心截面节点的承载力由破坏模式法确定,该方法采用基于试验和高级数值模型拟合的曲线模型。实际结构包含初始缺陷和残余应力,而 IDEA StatiCa Connection 中的壳模型无法捕捉这些因素。为使结果与规范更加吻合,通过降低高 D/(2t) 比值空心截面壳的弯曲承载力,在 IDEA StatiCa 模型中引入了残余应力和初始缺陷的影响。

上述综合改进使我们得以实现与设计规范中破坏模式法结果的良好吻合。

发布于 IDEA StatiCa 版本 21.0。


Member 中 GMNIA 的分步计算

Member 的项目设置中新增了参数 GMNIA 分析荷载步数,以提高非线性构件计算的稳定性和安全性。总荷载被划分为增量步(默认为 10 步),从而降低求解器收敛至荷载-变形曲线非预期稳定分支的风险。这种分步方法确保了荷载的平稳递进、更精确的平衡追踪,以及在几何和材料非线性分析中对极限承载力更安全的预测。

发布于 IDEA StatiCa 版本 25.1。

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