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    复杂仿生结构设计中的CAD/CAE技术应用.pdf

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    复杂仿生结构设计中的CAD/CAE技术应用.pdf

    第1卷第1期 2009年9月 Vo1.1 No.1 Sep.2009 复杂仿生结构设计中的CAD/CAE技术应用 上海现代建筑设计集团有限公司,上海200041 【摘要】大型复杂仿生建筑的结构设计相当复杂,先进CAD/CAE技术逐步应用到建筑工程领域,对于复杂仿生 结构设计中难题的解决方案具有独特的优势。本文在上海喜玛拉雅项目当代艺术中心的结构设计中广泛采用虚 拟仿真技术,利用CATIA建立三维复杂曲面模型,使用HYPERMESH进行网格离散,然后导入到ANSYS/SAP/ ABAQUS中进行不同需求的结构分析,较好地完成了结构设计,对类似的复杂仿生结构设计具有重要的参考意义。 【关键词】仿生结构;曲面;CAD;CAE;虚拟仿真 【中图分类号】TU746.4 【文献标识码】A 【文章编号】16747461200901007206 1 前言 上海证大喜玛拉雅艺术中心位于上海市浦东 新区,总建筑面积约16万平方米,地下室3层,地上 由办公楼艺术家创作中心、当代艺术中心含多 功能厅及影院、五星级酒店三部分组成,见图1。 图1上海证大喜玛拉雅艺术中心 上海证大喜玛拉雅艺术中心最大的特点在于建筑 群中间位置的由复杂仿生异形体结构组成的当代 艺术中心,其设计外形源自当今著名日本建筑大 师矶崎新的原创模型,仿生结构部分类似树 根,由33个砼异形体结构组成,镶嵌在建筑群之中, 支承可容纳近1600人的多功能演艺舞台和部分相 邻的办公、酒店建筑,为目前世界上罕见的建筑结 构形式,单根主体结构外形见图2。 图2异型体单柱外形图 当代艺术中心建筑主体为混凝土结构,呈树根 形状,结构建模和分析都存在很大的困难。目前, 复杂曲面构成的仿生结构设计和计算没有特别合 适的设计软件供使用,虚拟仿真设计中的先进 CAD/CAE软件可以提供较好的解决方案 儿 。本 项目利用航空与汽车行业中常用的建模与分析软 件,利用CATIA建立精确的曲面模型,采用HY PERMESH对结构模型进行离散,离散模型导人到 ANSYS/SAP2000/ABAQUS中进行不同需求的分析 和验算,并将设计控制参数与这些先进的CAD/ CAE软件相结合,较好地完成了本项目复杂仿生结 【作者简介】 花炳灿1965一,现代都市建筑设计院,总工程师、一级注册结构工程师、教授级高级工程师。 复杂仿瑾结构慢计中的CAI/i TAI;技术应用 73 构的设计和施工图绘制工作。 2复杂结构曲面建模 当代艺术中心的结构仿佛雕塑般造型,27个异 性筒在外观上呈流线型变化,且各不相同,在高度 上没有任何标准层;不同于常规的建筑结构多为杆 系结构,当代艺术中心整体为无梁结构,仅依靠异 型筒和它们之间的连接体组成整体抵抗外力。 本工程建筑设计方提供的建筑方案是Rhino创 建的Nurbs曲面,为建筑外表面,而结构设计师需要 的是结构表面的几何数据,首要的工作是通过编辑 曲面得到结构表面几何定位。CATIA是世界领先 的3D CAD软件,尤其在自由曲面创建和编辑方面 享有盛誉,著名的鸟巢的钢结构就是用它设计 的。 儿 利用CATIA软件强大的曲面创建与编辑功 能,采用IGES中性文件格式将Rhino的曲面模型交 换输入到CATIA中。异性筒建筑外表面曲面在 CATIA中须经过三次沿曲面内法线方向的偏移,分 别得到结构外表面、结构中面、结构内表面,其中结 构外表面和内表面用于结构定位施工图绘制,结构 中面用于结构计算与分析。 需要提到的,由于异性筒曲面是13方建筑师利 用RHINO手工创作而成,虽然其Nurbs曲面呈GO 连续,但是CATIA里不可能一次性完成整体结构的 向内偏移,而是按照每个异性筒及其连接体的几何 特征,沿高度方向和周向先将其切割成易于沿内法 线方向偏移的多个曲面部分,再进行向内偏移。此 外,在切割形成的曲面的边界处,由于相邻的曲面 在该边界的内法线可能存在不一致,加上偏移的距 离从150mm~600ram不等,会形成沿内法线偏移后 的相邻曲面在边界处不协调,因此需要再次修剪以 达到整体的协调一致。虽然最后形成的结构中面 几何模型只能达到c0连续,但是已经能够满足离 散有限元计算的要求。 此外,由于门、窗以及设备洞的存在对结构而 言不可忽略,我们在CATIA中建立几何模型的最后 也在异性筒的对应位置创建了洞口。图36为 CATIA创建的最终几何模型。 3结构计算模型建模 CATIA创建的结构中面几何模型异常复杂, 数据量很大,要在此基础上快速创建有限元模型 则需要一个几何清理和网格生成、编辑功能强大 的工具。 圈3 当代艺术中心仿生结构三维模型 图4整体网格图 图5网格生成工作流程 HYPERWORKS系列软件是美国Ahiar公司发 布的通用有限元前后处理软件,其HYPERMESH 软件在有限元前处理领域以几何数据接口、通用 求解器接口众多,网格生成、编辑功能强大而著 称,此外它还具有直观的图形界面,多种输入输出 74 转换器,可以帮助工程师大大提高工作效率。本 工程采用HYPERMESH软件作为结构有限元前处 理工具,应用该软件的工作流程如图5。 HYPERMESH软件含有与CATIA软件的直接 接口,可以直接读取CATIA建立的几何模型,然而 由于公差的设置以及不同几何数据格式的转化导 致导人的模型存在这样那样的缺陷,为了顺利的生 成网格,有必要对导入的几何模型进行清理,为网 格生成做好准备。 HYPERMESH提供了丰富的几何清理功能,如 autocleanup,quick edit,edge edit,sulace edit等,我 们主要利用这些功能来处理曲面的边,如图6所示, 一般有三种情况其一,该边为自由边,即只是单个 曲面的边界红色;其二,该边为公共边,即为两个 曲面的公共边界绿色;其三,该边为两个以上曲 面的公共边黄色。在几何模型中识别这些边界 具有重要意义,也是完成几何清理工作的基础。本 工程的难点也在于几何清理的工作量巨大,例如, 导入到HYPERMESH的模型中,楼板与异性筒、异 型梁是完全脱开的,因此有必要利用surface edit创 建其公共边界,保证所有的构件连接为一个整体以 抵抗外力,否则建立的有限元模型与真实情况相距 甚远,模拟的根本不是实际的结构。而对公共边的 处理直接关系到网格的质量,一般建议在曲面过渡 平滑的地方忽略这些公共边,相当于合并相邻曲 面,这样就避免了内角非常小的曲面,使网格生成 器在光顺网格时有更大的余地。 为了更好的浏览和编辑模型,HYPERMESH提 图6 HYPERMESH几何清理 供类似AutoCAD层管理器概念的component来有效 地管理对象的分组,并提供强大的隐藏和过滤查找 实体的功能,便于用户快速编辑模型,并且可以基 于这些component创建材料和荷载数据,和生成的 网格一起构成有限元计算模型。 此外,为了保证有限元计算的速度和精度,有 限元网格的质量必须尽可能的高,如扭曲率、雅克 比值、单元最小边长,长细比等控制参数,这些参数 可能是彼此制约的,不同的求解器可以容忍的最差 单元质量也有所不同。HYPERMESH提供可视化的 网格质量分析工具,基于不同的控制参数快速定位 低于标准值要求的单元进行编辑。当然,高质量的 网格首先需要高质量的几何,这也是我们花大力气 清理几何的目的所在。 本工程要求的周期短,而模型异常复杂,我们 在这些前提下创建的网格满足长细比小于5,扭曲 率小于5,单元最小边长大于150mm的参数控制要 求,形成的有限元模型提供给SAP,ANSYS, ABAQUS等软件进行了静力线性分析和动力弹塑性 时程分析,图6为整体网格图。 4 当代艺术中心结构分析 4.1 反应谱分析与弹性时程分析结果 将HYPERMESH生成的网格模型导人 SAP2000和ANSYS,进行反应谱分析的计算结果见 表1。本项目对异型体结构采用剪力墙的控制指 标,表1中各项指标均满足规模要求。表2中给出 了SAP2000和ANSYS进行小震弹性时程分析的结 果,其结果与反应谱分析基本一致 。 4.2 中震作用下弹性复核 在地震作用下,当代艺术中心的地震剪力完全 由异型简体承担,边筒对抗弯也有很大作用,底部 结构的安全尤为重要。因此,结构设计尽量按中震 底部弹性进行控制。中震弹性设计条件为 1最大地震影响系数仅取0.23及放大系数p 取2.875; 2不考虑地震组合内力调整系数即强柱弱 梁、强剪弱弯调整系数; 3采用作用分项系数、材料分项系数和抗震 承载力调整系数,构件的承载力计算时材料强度采 用设计值。 复杂仿彗结构设计中的CAI/CAE技术应用 75 表l 当代艺术中心反应谱分析主要计算结果汇总 _毒 薯 | 毳s sK 矗 |一 | 娲 。| _ 镰t l t 振动周期S T1 1、2 T3 T4 T5 0.5964X 0.5571Y 0.4808T 0.3254 0.2810 0.5807x 0.5552Y O4782T1 采用的总振型数3O 0.3254 0.2749 0.2492 0.2469 注1X、Y方向均为局部坐标主轴方向;2计算结果中位移、变形按标准组合,结构总重计算时活载按准永久值 表2 当代艺术中心弹性时程分析主要结果汇总程序 ≯ , . j_j最大程 移 麓; -≯萋底剪力 KN0。 ll 基底剪熏比 蠹 程序 地震波 __ __■__i蒿____■ __■__ _■_■_ ____■ 爵___ ELCENTR0 SAP2000 TArr 0.O158 O.0168 0.O149 O.0174 13286 l84O9 129l0 l7812 4.91% 6.8O% 4.77% 6.58% 上海人工波0.0199 0.0224 20383 23917 7.53%8.84% 表3结构整体计算结果汇总 水平地震波主方向 向最大基底剪力kN X向最大剪重比 向最大基底剪力kN Y向最大剪重比 向最大顶点位移Hi 向最大顶点位移m X向 180684.105 26.8% 2945.761 O.4% 0.032 0.O18 Y向 3039.749 O.5% 140235.28 20.8% 0.0198 0.O7 表3是结构在人工波作用下的中震弹性分析整 体计算结果汇总。按水平地震主方向为x向和Y 向各计算一次。 可利用最大主应力判断一些情况,比如混凝土 的开裂,若最大主应力拉应力大于混凝土的抗拉 强度,则认为混凝土开裂,同时通过显示最大主应 力的法线方向,可以大致表示出裂缝的开裂方向 等。图7的应力云图表明,外边筒底部出现少量拉 应力不足1MPa。因此可以对拉应力较大的少量 外简体局部加强或施加少量预应力,使结构底部基 本处于弹性状态。 X Y X Y 76 图7 中震弹性复核时应力分布 图8第一阶局部屈曲模态图 4.3 当代艺术中心的稳定验算 由于艺术中心具有十分复杂的空间效应,因此 有必要对结构进行屈曲分析。通过Buckling分析得 到的屈曲模态,可以看出结构可能发生的失稳破坏 是整体屈曲还是局部屈曲。采用SAP2000和AN SYS进行了稳定分析,在不考虑荷载方向变换的情 况下,各模态下计算的稳定系数均大于27,结果表 明结构满足稳定要求。前三阶屈曲因子见表4。 表4屈曲荷载因子 I阶数 1 2 3 27.82 30.89 39.18 4。4 大震作用下结构弹塑性时程分析 经ABAQUS计算,当代艺术中心总体结构的第 1周期为Y向,第2周期为x向,第3周期为屋面竖 向振动周期,振型见图9。 表5是结构在人工波作用下的弹塑性分析整体 计算结果汇总。按水平地震主方向为x向和Y向 各计算一次。-o 图9结构前3周期变形模态 表5弹塑性时程分析时结构整体计算结果汇总 零蓼 0 _ 双向。 £波 _ ≯ 曩L_0 叠 00毒囊两 囊 蘸 水平地震波主方向 x向 Y向 x向 Y向 ABAQUS计算前3周期0.562sY向,0.525sX向,0.424Z向 ABAQUS计算结构总质量t 68742 X向最大基底剪力kN 163436 139303 158864 139812 x向最大剪重比 23.7% 20.2% 23.1% 20.3% Y向最大基底剪力kN 139245 154084 139358 157888 Y向最大剪重比 20.2% 22.4% 20.2% 22.9% X向最大顶点位移n10.074 0.043 0.073 0.040 Y向最大顶点位移n10.061 0.058 0.062 0.064 复杂仿生结构设计中的C i/ l 技术应嘲 77 因本结构并无明显的层划分,且由异性筒构 成,竖向构件没有上下对应的点,故无法得到结构 层间位移角,只能给出顶点位移供参考;由表5看 出,结构在完成20秒动力弹塑性分析后,最大顶点 位移约为0.074m1/405,在考虑重力二阶效应和 大变形的情况下,结构最终仍保持直立,满足“大震 不倒”的基本要求。 5 结论 复杂仿生结构的设计是结构设计中的难题,本 文结合上海证大喜玛拉雅艺术中心项目,考虑到当 代艺术中心的结构为复杂的异型曲面,采用了 RHINOCATIAHYPERWORKSANSYS/SAP2000/ ABAQUS的工作流程方案,包括 1采用CATIA根据RHINO的3D数据模型生 成结构外表面、内表面以及中面,构造精确的曲面 模型; 2利用HYPERWORKS清理CATIA的中面模 型并生成高质量有限元网格及相关前处理,并将网 格模型输出成各种结构分析软件的数据格式; 3采用ANSYS/SAP2000/ABAQUS进行结构 计算与分析,包括小、中震弹性分析及大震弹塑性 分析; 通过先进CAD/CAE技术的应用,本文较好地 完成了复杂仿生结构的结构设计,为同类复杂异型 体结构设计提供了参考方法。 参考文献 [1]张希黔,张利.虚拟仿真技术在建筑T程施工中的应用 现状和展望[J].施工技术.2001,3083132. [2]雷军波,李世其.工程施工中虚拟仿真技术的应用[J]. 施工技术.2003,32122021. [3]CATIA使用手册.Dassauh Systems [4]田波,方逵.汽车车身外形设计方法综述[J].湖南工 业大学学报,2007,03 [5]上海现代建筑设计集团有限公司,上海证大喜马拉 雅艺术中心结构抗震超限报告,上海,2008 [6]广州数力工程顾问有限公司,上海证大项目艺术中心 部分罕遇地震弹塑性时程分析报告,上海,2008 The Application of Advanced CAD/CAE Technologies in the Design of Complex Biomimetic C0nstructi0ns Shanghai Xiandai Architectural DesignGroupCo.,Ltd.,Shanghai 20004 1,China AbstractLarge and complex biomimetic structures are very difficult to design.Advance CAD/CAE technolo gies are gradually applied to the construction field and provide a useful solution for the structural design of biomime. tic constructions.The technologies of virtual simulation were extensively used in the project of Himalayan Art Cen.. ter in Shanghai,which is very complex biomimetic structure.CATIA was used to accurately build up the complex curved surfaces.The grid model was generated by HYPERMESH and ed into ANSYS/SAP/ABAQUS to carry out the different analysis for different purposes.The structural design was completed very wel1.The solution could be the reference for the same kinds of biomimetic construction. Key wordsbiomimetic construction;curved surfaces;CAD;CAE;virtual simulation

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