高清PDF《建筑结构仿真分析与工程实例 》李云贵 编著 2015年版

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内容提要:

本书围绕全面阐述建筑结构的数值模拟与仿真分析。全书共分4篇,分别是.基础理论篇、软件篇、工程应用篇及附录。其中,基础理论篇包含7章,分别从有限元概述、有限元网格划分、有限元单元、有限元刚度集成和方程求解、几何非线性、弹塑性、隐式与显式动力学等方面来阐述有限元理论以及程序实现;软件篇包含3章,分别从土木工程分析与设计专业软件、大型通用有限元软件以及高性能结构仿真集成系统(ISSS) 等方面来阐述结构仿真软件的特点、功能以及使用和操作情况;工程应用篇包含3章,分别从大跨钢结构的稳定性分析、超高层结构的动力弹塑性分析以及复杂结构的施工模拟等方面来阐述结构仿真集成系统(结合各专业软件和通用软件)在实际工程中的应用;附录篇包含3个附录,详细介绍了结构仿真集成系统(ISSS) 的几个重要组成模块,包括底层网格算法、计算模型生成以及计算结果整理等。
本书适用于各建筑设计院和施工单位的技术人员与研发人员学习,也可作为土木工程相关专业在校大学生和研究生的辅助读物。

前言
工程仿真兴起于20世紀中后期,它是计算机技术和数值计算方法(以有限元为代表) .发展到一定阶段的必然产物。早期以单机单线程计算为主,20世纪八九十年代开始逐步发展为多机并行计算(又称网格计算)以及单机多线程并行计算。进入21世纪以后。随着互联网技术的发展,基于网络的“云计算”模式逐渐进人数值仿真的视线,但它还处于尝试与摸索阶段。就目前来说,数值仿真依然以局城网并行和单机多线程并行为主,不过考虑到以后的结构仿真会越来越接近真实的物理模型,其几何模型会越来越大且越来越复杂,同时各物理场的耦合作用也会越来越强,这必然导致计算量和數据处理量的海量增加,甚至有可能远远超出传统仿真的概念。在这种情况下,目前的伤真技术将不再满足要求,换言之,工程仿真将来有可能进入“云计算”和“大数据"时代。
在20世纪八九十年代以前,土木工程仿真主要以国外通用软件为主,典型的如AN-SYS, ABAQUS、NASTRAN. MARC、ADINA、LS DYNA等有限元软件以及大量的CFD软件(比如FLUENT. CFX. STAR CD和PHOENICS等),它要求用户具备较高的理论水平,其计算功能非常强大,但其前处理模块不适用于建筑结构建模,且计算结果无法直接用于工程设计,因此不方便直接用来解决土木工程问题。基于此,20世纪后期国内外逐渐发展起了结构设计专业软件,比较有代表性的包括美国CSI系列、韩国MI-DAS系列和中国PKPM系列等。这类软件专门针对结构设计进行开发,概念明确且操作方便,但其计算模块却相对简化,不利于复杂结构的分析与设计,因此其适用范围受到一定程度的限制。进入21世纪以后,随着计算机技术的发展和BIM概念的逐步推广。结构仿真的发展越来越向“系统集成”方向倾斜,也就是说将仿真软件(含建筑结构模块和通用有限元模块)集成到BIM系统,将结构仿真做成BIM系统的- -个子集,以满足BIM应用与实施的需求。这其中比较著名的有美国AUTODESK公司的REVIT软件,另外法国达索系统公司的3DS也在尝试类似的事情。但由于仿真系统集成涉及多方面的知识(比如计算机。建筑结构、计算固体力学、流体动力学及流固耦合等),它需要复合型的人才团队协同开发而非各模块的简单捆绑,其考虑因素较杂且难度较高,因此到目前为止还没有任何一家软件产品能完全满足国内外的市场需求,但可以肯定的是:“系统集成”将会成为土木工程仿真的必然发展方向。
源于上述考虑,中国建筑技术中心基于自主研发的数据处理内核( 含模型处理和结果处理)。采用接口模式集成了国内外常用结构设计软件(比如PKPM、YJK, MIDAS.ETABS等)和大型有限元商业软件(比如ANSYS, ABAQUS等)并对其进行二二次开发,最终形成了建筑工程仿真集成系统( Integrated Simulation System for Structures, 简称I5SS)。该系统能够为超高层和大跨度等复杂结构设计提供仿真咨询,适用于各种复杂混凝土结构、钢结构以及钢一混凝 土混合结构的弹性和弹塑性动力时程分析,为复杂结构设计的安全性和舒适性提供计算保证,必要时还将提供结构优化方案。基于该集成系统,用户可采用PKPM、YJK、ETABS 等软件进行结构常规设计(含建模、计算、配筋等),所得到的设计模型(包括结构模型和配筋信息)将自动转换为通用有限元计算模型并直接导人大型商业软件(ANSYS. ABAQUS等)以进行各种复杂有限元分析,然后自动提取其有限元计算结果、会同原有结构模型信息并根据相关规范以进行各项指标整理和评估(包括安全和舒适性等),并最终生成适用于工程设计的计算报告书。整个过程用户只需在交互界简单地指定部分参数和选项。其余工作全部由集成系统(ISSS) 自动完成。
本书将困绕上述结构仿真集成系统(ISSS) 来阐述大型复杂工程的数值模拟与仿真分析,主要包括四个组成部分,分别是:有限元基础理论、结构仿真软件、实际工程应用以及附录。第1篇为基础理论篇,包含第1~7章共7章,将从网格划分、有限元单元、刚度集成和方程求解、几何非线性、弹塑性、隐式和显式动力学等多个方面来闸述有限元理论以及程序实现,考虑到本书并不是有限元教程,因此只对少部分理论作了详细介绍,而大部分理论均采用文献引用的模式给出简要说明,但读者如果有需要的话,可以循着文献引用直接查找到各理论的详细说明:第2篇分为软件篇,包含第8~10章共3章,主要是介绍各土木工程分析与设计专业软件、有限元通用软件以及高性能结构伤真集成系统(1SSS)的主要功能、特点以及使用操作情况,本书的软件介绍是概述性介绍,关于各软件的详细说明可参阅其用户手册,而关于结构仿真集成系统(I5SS) 则将在附录A. B、C中给出更详细的说明:第3篇为工程应用篇。包含第11~13章共8章,将介绍结构仿真集成系统(ISSS)结合各专业软件和通用软件在实际工程中的应用实例,主要包括三种应用类型,分别是:大跨钢结构的稳定性分析.超高层结构的弹塑性动力学分析以及复杂结构的施工模拟等;第4篇为附录篇,包含附录A. B. C共3个部分,将详细介绍结构仿真集成系统(ISSS) 的3个重要组成模块,分别是:底层网格算法、计算模型生成、计
算结果整理等。
本书由李云贵博士完成内容策划、统稿、审稿以及修订工作,由段进博士完成第1~2章、第4~7章、第11章以及附录A.附录B的撰写工作。由陈晓明博士完成第3章、第8章、第12、13章以及附录C的撰写工作,由段进博士和陈晓明博士共同完成第9、10章的撰写工作。此外,齐虎博士给本书第6.4节、第12.1节、第12.2节、第13.1节提供了部分素材以及参考文献,在此表示衷心的感谢。
由于作者水平有限,本书肯定存在不足、不妥或者错误之处,敬请读者和同行专家提出批评和指正。
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