基于模板的鋼結(jié)構(gòu)CAD/CAE參數(shù)化荷載建模技術(shù)

向燕飛

摘 要：在鋼結(jié)構(gòu)CAD/CAE系統(tǒng)中，為了進行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，需要考慮荷載建模。如何在CAD系統(tǒng)中便捷地建立荷載模型并進行結(jié)構(gòu)分析，是CAD系統(tǒng)須解決的重點問題之一。本文通過研究基于模板的參數(shù)化荷載建模技術(shù)，定義了多種基本荷載模板對象及組合荷載模板對象，其中，基本荷載模板對象包括集中荷載、線荷載、面荷載、體荷載等。同時，定義了CAD交互模板、繪制模板、CAD->CAE轉(zhuǎn)換模板來參數(shù)化生成荷載CAD模型、荷載CAE模型。最后，將基于模板的參數(shù)化荷載建模技術(shù)應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)CAD/CAE集成系統(tǒng)中。此系統(tǒng)簡化了設(shè)計人員的設(shè)計過程，大大提高了設(shè)計效率。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu);參數(shù)化荷載建模技術(shù);模板

中圖分類號：TP391文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）22-0025-04

Abstract： In the CAD / CAE system of steel structure， in order to carry out structural stress analysis， it is necessary to consider load modeling. It is one of the key problems to be solved in CAD system that how to establish load model and analyze structure conveniently in CAD system. In this paper， through the study of parametric load modeling technology based on template， a variety of basic load template objects and combined load template objects were defined. Among them， the basic load template objects include concentrated load， line load， area load， body load and so on. At the same time， CAD interactive template， drawing template and CAD - >CAE conversion template were defined to generate load CAD model and load CAE model parametrically. Finally， the parametric load modeling technology based on template was applied to the CAD/CAE integrated system of steel structure. This system simplifies the design process of designers and greatly improves the design efficiency.

Keywords： steel structure;parametric load modeling technology;formwork

1 研究背景

在鋼結(jié)構(gòu)CAD/CAE系統(tǒng)中，為了進行結(jié)構(gòu)分析，需要輸入各種工程荷載。工程荷載種類較多，一般包括永久荷載、梁上荷載、柱荷載、樓面荷載、屋面雪荷載、風(fēng)荷載和地震荷載等。每種荷載形式都有特定的作用方式、作用范圍等。如何在CAD模型中建立工程荷載，并自動轉(zhuǎn)化成CAE模型中的分析荷載，是本文研究的重點內(nèi)容。

在工程CAD領(lǐng)域中，參數(shù)化建模方法能快速建立CAD模型，如陳詩超[1]利用APDL參數(shù)化建立門式起重機模型，并進行結(jié)構(gòu)分析;易際明等[2]利用Pro/Engineer的三維參數(shù)化建模方法建立三維參數(shù)化標準件庫等。

參數(shù)化建模雖然可以方便地建立CAD模型，但對于荷載模型的應(yīng)用較少，主要是因為荷載模型除了需要表達CAD模型，還需要應(yīng)用到CAE模型中，即進行CAE荷載轉(zhuǎn)換?？紤]到模板具有規(guī)范同類事物的特性與行為特點，本文擬通過參數(shù)化模板技術(shù)建立荷載模型。

模板技術(shù)應(yīng)用較廣，如Microsoft公司辦公自動化軟件（如Word、PowerPoint等）通過模板滿足了用戶描述文檔的不同功能與樣式的需求，方便了用戶辦公流程的各項操作;各種編程語言中，應(yīng)用模板編程技術(shù)方便同類對象的設(shè)計;Srivastave等人[3]將模板技術(shù)應(yīng)用到軟硬件混合系統(tǒng)的設(shè)計框架中，提出了一個分層的體系結(jié)構(gòu)模板，并應(yīng)用于ROBOT系統(tǒng)的實驗中;李士才[4]將模板技術(shù)應(yīng)用在模塊化建模中;成基華等人[5]將特征模板應(yīng)用到道路橫斷面CAD系統(tǒng)中，提高了道路橫斷面設(shè)計效率;戴肖鋒[6]在工廠CAD系統(tǒng)中配管建模引入智能線模板，方便了配管建模設(shè)計;田景成[7]將工程模板應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計;金文華等[8]將模板技術(shù)應(yīng)用于工程CAD材料統(tǒng)計表自動生成系統(tǒng)中;石慧等[9]將模板技術(shù)應(yīng)用于工程CAD領(lǐng)域的理論體系;劉靜華等人[10]將具有工程對象特征的拓撲結(jié)構(gòu)模板應(yīng)用于工程CAD管網(wǎng)建模系統(tǒng)中。

針對工程荷載建模問題，本文依托參數(shù)化模板技術(shù)，定義了集中荷載、線荷載、面荷載等基本荷載模板對象及組合荷載模板對象，使用定位規(guī)則、CAD模型生成規(guī)則建立CAD荷載模型，利用CAD荷載模型、CAE模型生成規(guī)則、荷載轉(zhuǎn)換規(guī)則自動生成CAE荷載對象，并將此技術(shù)應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)CAD/CAE系統(tǒng)中。此系統(tǒng)大大提高了港口碼頭的設(shè)計效率，簡化了設(shè)計人員的設(shè)計過程。

2 基于模板的參數(shù)化荷載建模技術(shù)

從鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)特性出發(fā)，分析工程荷載類型，定義了基于模板的三維參數(shù)化CAD荷載模型、CAE荷載建模，同時建立工程荷載CAD模型、CAE荷載模型自動提取并轉(zhuǎn)換等規(guī)則，以此應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)CAD/CAE集成系統(tǒng)中。

2.1 鋼結(jié)構(gòu)CAD/CAE荷載集成框架

在鋼結(jié)構(gòu)CAD/CAE荷載集成框架中，主要包含CAD荷載模型、CAE荷載模型、參數(shù)化荷載模板庫等內(nèi)容，見圖1。

CAD荷載模型中定義了多種工程荷載對象，包括永久荷載、樓面恒載、樓面活載、屋面雪荷載、梁上恒載、梁上活載、柱恒載、柱活載、風(fēng)荷載及地震力等。同時，定義了工況組合對象，此對象可描述多種荷載對象同時作用的場景，以便結(jié)構(gòu)分析時能考慮最不利情況下的受力狀況。

CAE荷載模型中定義了多種用于結(jié)構(gòu)模型的受力分析的CAE荷載對象，包括集中荷載、表面荷載、體荷載、自重等。同時，定義了荷載組合對象，此對象用于描述同時作用的多個CAE荷載對象。

參數(shù)化荷載模板庫定義了CAD荷載模型、CAE荷載模型的各種特性及建模，同時描述了CAD荷載模型向CAE荷載模型的轉(zhuǎn)換。模板庫中包含了集中荷載、線荷載、面荷載、組合荷載等模板對象。

利用參數(shù)化模板技術(shù)建立的結(jié)構(gòu)CAD/CAE荷載集成框架主要應(yīng)用在兩個流程中：一是CAD荷載模型的創(chuàng)建流程;二是CAE荷載模型的創(chuàng)建流程。

在創(chuàng)建CAD荷載模型過程中，利用用戶交互操作，匹配對應(yīng)的荷載模板對象，利用荷載模板中的定位規(guī)則、CAD模型生成規(guī)則生成CAD荷載模型，此流程如圖2所示。

在創(chuàng)建CAE荷載模型過程中，利用CAD荷載模型中的信息，匹配對應(yīng)的荷載模板對象，利用荷載模板中的CAE模型生成規(guī)則、荷載轉(zhuǎn)換規(guī)則生成CAE荷載模型，此流程如圖3所示。

在三維結(jié)構(gòu)CAD/CAE荷載集成框架中，1個CAD荷載對象可對應(yīng)生成多個CAE荷載對象，因此，CAD荷載模型與CAE荷載模型存在一對多的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

2.2 參數(shù)化荷載模板庫

參數(shù)化荷載模板庫定義了工程荷載的定位規(guī)則、參數(shù)化CAD建模規(guī)則、CAE建模規(guī)則、荷載轉(zhuǎn)換規(guī)則等，包含了集中荷載、線荷載、面荷載、體荷載、組合荷載、慣性荷載、工況組合等模板對象（見圖4）。

①集中荷載模板：描述了作用于模型節(jié)點上的荷載對象，包括力和力矩兩類。

②線荷載模板：描述了作用于模型線性構(gòu)件上的荷載對象，包括均布荷載和線性變化荷載等兩類。

③面荷載模板：描述了作用于模型某個面上的分布荷載，包括面上壓力等。

④體荷載模板：描述了作用于模型體上的荷載，包括溫度場等荷載。

⑤組合荷載模板：描述了作用于模型上的復(fù)雜荷載對象;通過組合荷載模板，可將復(fù)雜荷載對象解析為集中荷載、線荷載、面荷載、體荷載等對象。

⑥慣性荷載模板：描述了由于物體慣性引起的荷載對象，包括重力加速度等對象。

⑦工況組合模板：描述了工況組合對象，包括分項系數(shù)、組合系數(shù)、效應(yīng)系數(shù)、荷載列表等。

2.3 參數(shù)化荷載模板層次關(guān)系

鋼結(jié)構(gòu)荷載模板層次關(guān)系如圖5所示。

①組合荷載模板負責(zé)實現(xiàn)CAD荷載模型，由一個或多個集中荷載模板、線荷載模板、面荷載模板、體荷載模板及慣性荷載模板組成。

②集中荷載模板、線荷載模板、面荷載模板、體荷載模板及慣性荷載模板繼承于基本荷載模板。

③基本荷載模板負責(zé)荷載對象，由工況組合模板、CAD交互模板、繪制模板、CAD->CAE轉(zhuǎn)換模板及CAE內(nèi)力模板組成。

④工況組合模板描述了工況組合對象，并負責(zé)生成各種驗算工況對象。

⑤CAD交互模板根據(jù)參數(shù)化CAD模型生成規(guī)則創(chuàng)建CAD對象。

⑥CAD->CAE模板：描述了CAD荷載對象在CAE分析模型中生成，根據(jù)規(guī)則可創(chuàng)建用于結(jié)構(gòu)受力分析的荷載對象。

⑦CAE內(nèi)力模板：描述了結(jié)構(gòu)受力分析后的計算結(jié)果。

3 鋼結(jié)構(gòu)參數(shù)化荷載建模子系統(tǒng)

研究者將參數(shù)化荷載建模技術(shù)應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)CAD/CAE系統(tǒng)，建立了常用荷載模型對象，包括永久荷載、恒截、活載、屋面雪荷載、風(fēng)荷載、地震荷載等，其中恒載和活載都包括樓面荷載、梁上荷載、柱荷載及自定義荷載等對象，如圖6所示。

荷載建模過程通過空間拾取作用點及依附構(gòu)件，同時設(shè)置工程荷載信息等內(nèi)容建立荷載模型。

在進行結(jié)構(gòu)分析時，本文系統(tǒng)自動提取CAD工程模型、CAD荷載模型等信息，匹配參數(shù)化模板自動生成CAE分析模型、CAE荷載模型等內(nèi)容，進行有限元分析并圖形化展示分析結(jié)果，見圖7。

4 結(jié)語

本文研究了基于模板的參數(shù)化荷載建模技術(shù)，定義了集中荷載、線荷載、面荷載、體荷載、組合荷載、慣性荷載、工況組合等多種模板對象，定義了CAD交互模板、繪制模板、CAD->CAE轉(zhuǎn)換模板來參數(shù)化生成荷載CAD模型、荷載CAE模型。最后，將此技術(shù)應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)CAD/CAE集成系統(tǒng)中，大大提高了鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計效率，簡化了設(shè)計人員的設(shè)計過程，同時也減少了人工操作時易犯的設(shè)計錯誤。

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