培訓(xùn)體系MIDAS企業(yè)管理知識(shí)培訓(xùn)資料

1、培訓(xùn)體系） MIDAS 企業(yè)管理知識(shí)培訓(xùn)資料MIDAS 培訓(xùn)資料 第壹章關(guān)于 MIDAS/Civil 1.1midas 軟件 /Civil 簡(jiǎn)介MIDAS 系列軟件是以有限元為理論基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)的分析和設(shè)計(jì)軟 件。早于 1989 年韓國(guó)浦項(xiàng)集團(tuán)成立 CAD/CAE 研發(fā)機(jī)構(gòu)開(kāi)始專(zhuān)門(mén)研 發(fā) MIDAS 系 列 軟 件 ， 于 2000 年 9 月 正 式 成 立 InformationTechnologyCo.,Ltd.( 簡(jiǎn)稱(chēng) MIDASIT) 。目前 MIDAS 系 列軟件包含建筑( Gen )，橋梁(Civil) ，巖土隧道 (GTS)，機(jī)械(MEC) ， 基礎(chǔ)(SDS) ，有限元網(wǎng)格劃分 (F

2、X+) 等多種軟件。于計(jì)算機(jī)技術(shù)方面， MIDAS/Civil 所使用的是客體指向性計(jì)算機(jī)語(yǔ) 言 VisualC+ ，因此能夠充分地使 32bit 視窗環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)得到 發(fā)揮。以用戶(hù)為中心的輸入輸出功能使用的是精確而且直觀的用戶(hù)界 面和尖端的電腦圖形技術(shù)，從而為考慮施工階段或者材料時(shí)間依存性 的土木建筑物的建模和分析提供了很大的便利。于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面， MIDAS/Civil 全面強(qiáng)化了實(shí)際工作中結(jié)構(gòu)分析所 需要的分析功能。通過(guò)于已有的有限元庫(kù)中加入索單元、鉤單元、間 隙單元等非線(xiàn)性要素，結(jié)合施工階段、時(shí)間依存性、幾何非線(xiàn)性等最 新結(jié)構(gòu)分析理論，從而計(jì)算出更加準(zhǔn)確的和切合實(shí)際的分析結(jié)果。建模

3、技術(shù)采用的是自行開(kāi)發(fā)的新概念 CAD 形式的建模技術(shù)，能夠 更加提高建模效率。特別是由于擁有如橋梁建模助手等高效自動(dòng)化建 模功能，所以只要輸入截面形狀、橋梁特點(diǎn)、預(yù)應(yīng)力橋的鋼束位置等 基本數(shù)據(jù)，就能夠自動(dòng)建立橋梁模型以及施工階段的各種數(shù)據(jù)。 懸索橋完成系模型為青潭大橋的抗震設(shè)計(jì)所進(jìn)行的特征值分析橋臺(tái)地鐵MIDAS/Civil 的適用鋼筋混凝土橋、鋼橋、橋墩、防波堤、1.2MIDAS/Civil 的橋、上下水處理設(shè)施、隧道發(fā)電站、鐵塔、壓力容器、水塔等飛機(jī)場(chǎng)、大壩、港灣等1.3 MID特點(diǎn)*提供菜單交互式*提供剛構(gòu)橋、板型橋、箱梁橋、頂推法橋梁、懸臂法橋梁、/ 滿(mǎn)堂支架法橋梁、懸索橋、斜拉橋的建

4、模助手。*提供中國(guó)、美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)CAD 等靈活多樣的的、韓國(guó)等國(guó)家棧橋模型面數(shù)據(jù)庫(kù)，以及混凝土收縮和徐變規(guī)范和移動(dòng)何于規(guī)范。*提供桁架、壹般梁 / 邊截面梁、平面應(yīng)力 / 平面應(yīng)變、只受拉 / 只受壓、 鉤、索、板、實(shí)體單元等工程實(shí)際時(shí)所需的各種有限元模型。 *提供靜力分析、動(dòng)力分析、靜 / 動(dòng)力彈塑性分析、幾何非線(xiàn)形分析、 優(yōu)化索力、屈曲分析、移動(dòng)荷載分析（影響線(xiàn) / 影響面分析）、支座沉 降分析、施工階段分析、聯(lián)合截面施工階段分析等功能。* 于后處理中， 能夠根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范自動(dòng)生成荷載組合， 也能夠添加和修 改荷載組合。*能夠輸出各種反力、位移、內(nèi)力和應(yīng)力的圖形、表格和文本。 *可于進(jìn)行

5、結(jié)構(gòu)分析后對(duì)多種形式的梁、柱截面進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)算。1.4 分析框圖1.5 操作界面第二章土木結(jié)構(gòu)分析2.1MIDAS/Civil 中的數(shù)值分析模型結(jié)構(gòu)分析模型是由節(jié)點(diǎn)、 單元及邊界條件三要素所構(gòu)成的。 其中， 節(jié)點(diǎn)是用來(lái)確定構(gòu)件的位置；單元是用分析模型數(shù)據(jù)表達(dá)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的 元素，它是由連續(xù)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件按有限元法劃分而成的；邊界條件是用 來(lái)表達(dá)所研究的對(duì)象結(jié)構(gòu)和相鄰的結(jié)構(gòu)之間的連接方式。所謂的結(jié)構(gòu)分析就是為了研究結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，建立結(jié)構(gòu)的數(shù)值 分析模型，利用假定的外部環(huán)境作用，對(duì)數(shù)學(xué)模型作理論性的實(shí)驗(yàn)分 析的總過(guò)程。于結(jié)構(gòu)分析時(shí)，需要準(zhǔn)確的表現(xiàn)結(jié)構(gòu)的特性和結(jié)構(gòu)所處的外部環(huán) 境。其中外部環(huán)境主要就是指荷

6、載因素?？赏ㄟ^(guò)規(guī)范或者壹些現(xiàn)有的 統(tǒng)計(jì)資料得到?？墒?，要想把握好結(jié)構(gòu)的特性，充分地了解結(jié)構(gòu)的受 力性能，則不是壹件非常簡(jiǎn)單的事情。它將直接影響到結(jié)構(gòu)的受力分 析結(jié)果。因此，作結(jié)構(gòu)分析時(shí)必須充分細(xì)致的了解實(shí)際結(jié)構(gòu)的材料特性， 掌握結(jié)構(gòu)的變形能力即剛度，選擇合理的有限計(jì)算單元，使得計(jì)算結(jié) 構(gòu)模型同實(shí)際結(jié)構(gòu)相接近，使計(jì)算結(jié)果同實(shí)際結(jié)構(gòu)相符合。可是，通常結(jié)構(gòu)的形狀是復(fù)雜的，而且很難精確地把握其材料的 物理特性。要想把結(jié)構(gòu)的剛度（即變形能力）和質(zhì)量精確地反映到計(jì) 算結(jié)構(gòu)模型上，將會(huì)花去很大的精力和時(shí)間，有時(shí)有可能帶來(lái)事倍功 半的效果。 因此，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)， 于不破壞整體結(jié)構(gòu)特征的前提下， 必須做到簡(jiǎn)化

7、、調(diào)整計(jì)算結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，使得用最少的投入，得到 最佳的結(jié)果。例如，對(duì)橋梁的主梁建立數(shù)學(xué)模型時(shí)，不使用板形單元（平面應(yīng) 力單元或板單元），而采用線(xiàn)形單元（桁架單元或梁?jiǎn)卧r(shí)，不但縮短結(jié)構(gòu) 分析時(shí)間，而且更便于作結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。所謂的有限元（ FiniteElement） 就是用分析模型數(shù)據(jù)表達(dá)結(jié)構(gòu)構(gòu) 件特性的元素，它是由連續(xù)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件按有限元法劃分而成的。它必須充分 的反映結(jié)構(gòu)受力 特性，但通常很難做到用數(shù)學(xué)的方法完整地反映出實(shí)際結(jié)構(gòu)固有 的特性。因此，作為用戶(hù)必須充分地了解實(shí)際結(jié)構(gòu)的受力性能，掌握好各 種有限單元的力學(xué)特性，以便較好的選擇有限單元， 正確地做到結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)。2.2 坐標(biāo)系和節(jié)點(diǎn)

8、MIDAS/Civil 軟件使用如下幾個(gè)坐標(biāo)系系統(tǒng)。.全局坐標(biāo)系 (GlobalCoordinateSystem).單元坐標(biāo)系 (ElementCoordinateSystem).節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系 (NodelocalCoordinateSystem)全局坐標(biāo)系是由 X、Y、Z 三軸滿(mǎn)足右手螺旋法則的空間直角坐標(biāo) 系(ConventionalCartesianCoordinateSystem)，用大寫(xiě) X、Y、 Z表示三個(gè)軸的方向。通常利用該坐標(biāo)系表達(dá)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、節(jié)點(diǎn)位移、節(jié) 點(diǎn)反力及關(guān)聯(lián)于節(jié)點(diǎn)的其它輸入數(shù)據(jù)。全局坐標(biāo)系是用來(lái)確定所分析對(duì)象結(jié)構(gòu)空間位置的坐標(biāo)系統(tǒng)。啟 動(dòng) MIDAS/Civil 軟件，

9、于系統(tǒng)界面視窗區(qū)，將自動(dòng)生成基準(zhǔn)點(diǎn) (ReferencePoint) 即全局坐標(biāo)系的原點(diǎn) X=0 、Y=0 、Z=0 和全局坐標(biāo) 系統(tǒng)。其中 Z 軸的方向平行于重力加速度方向且和其反向。因此利用 軟件建立結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型時(shí)，建議做到結(jié)構(gòu)的垂直方向和全局坐標(biāo)系 的 Z 軸平行建模，將有利于結(jié)構(gòu)分析。單元坐標(biāo)系也是由 x、 y、z 三軸滿(mǎn)足右手螺旋法則的空間直角坐 標(biāo)系統(tǒng)，可用小寫(xiě) x、 y、z 表示三個(gè)軸的方向。通常利用該坐標(biāo)系表 達(dá)單元內(nèi)力、單元應(yīng)力及關(guān)聯(lián)于單元的其它輸入數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)端部節(jié)點(diǎn) 的約束(支撐)方向、彈簧支撐方向及節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)制位移方向同全局坐 標(biāo)系的坐標(biāo)軸方向不相吻合時(shí)，通常采用節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)

10、系。節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系也是由 x、 y、z 三軸滿(mǎn)足右手螺旋法則的空間直角坐 標(biāo)系統(tǒng)，可用小寫(xiě) x、y 、z 表示三個(gè)軸的方向。全局坐標(biāo)系和節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)2.3 單元種類(lèi)及主要考慮事項(xiàng)MIDAS/Civil 使用以下幾種單元類(lèi)型。(TrussElement)(Tension-onlyElement, 包含Hook 功能 )(CableElement)(Compression-onlyElement, 包含Gap 功能)/ 變截面梁?jiǎn)卧?(BeamElement/TaperedBeamElement)(PlaneStressElement)(PlateElement)(2DPlaneStrainElement

11、)(2DAxisymmetricElement)(SolidElement) 輸入有限單元就是輸入關(guān)聯(lián)于單元的種類(lèi)、材料特性、剛度大小 的數(shù)據(jù)和輸入確定單元位置、形狀和大小的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的過(guò)程。桁架單元 (TrussElement)壹般事項(xiàng) 由2個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的桁架單元是屬于“單向受拉 - 受壓的三維線(xiàn)性單元 (UniaxialTension-Compression3DLineElement) ”，它只能傳遞軸 向的拉力和壓力。通常利用該單元做空間桁架結(jié)構(gòu) (SpaceTruss) 或交 叉支撐結(jié)構(gòu) (DiagonalBrace) 的受力分析。單元自由度和單元坐標(biāo)系 桁架單元的倆端各有壹個(gè)沿單元坐標(biāo)系

12、的 x軸方向的位移，它具有倆 個(gè)自由度。單元坐標(biāo)系是單元的內(nèi)力及單元的應(yīng)力輸出的基準(zhǔn)。于梁 單元上，單元的抗剪剛度和抗彎剛度輸入方向依據(jù)單元坐標(biāo)系。所以 于做結(jié)構(gòu)分析時(shí)必須正確地理解單元坐標(biāo)系的概念。對(duì)于桁架單元、只受拉單元及只僅受壓?jiǎn)卧戎痪哂休S向剛度的 單元而言， 只有單元坐標(biāo)系的 x 軸有意義，它是確定結(jié)構(gòu)變形的基準(zhǔn)， 但利用 y 、z 軸可確定桁架截面于視窗上的方向。為便于用戶(hù)使用 MIDAS/Civil 軟件，通常可利用角來(lái)表示單元 坐標(biāo)系的 y,z 軸方向。線(xiàn)性單元的單元坐標(biāo)系里， x 軸的方向?qū)⑵叫杏诠?jié)點(diǎn) N1 和節(jié)點(diǎn) N2 的連線(xiàn)方向(參照下圖)如果，單元坐標(biāo)系的 x 軸平行于

13、全局坐 標(biāo)系的 Z 軸，角是全局坐標(biāo)系 X 軸和單元坐標(biāo)系 z 軸件的夾角。該 角度的正負(fù)符號(hào)是，以單元坐標(biāo)系的 x 軸為旋轉(zhuǎn)軸依據(jù)右手螺旋法則 來(lái)確定。如果單元坐標(biāo)系的 x 軸和全局坐標(biāo)系的 Z 軸不相互平行時(shí)， 角是全局坐標(biāo)系的 Z 軸和單元坐標(biāo)系的 x-z 軸所構(gòu)成的平面間的夾 角。角概念單元內(nèi)力輸出單元的輸出內(nèi)力符號(hào)見(jiàn)圖 1.3 所示，圖中以箭頭指示方向?yàn)檎?“ + ”。桁架單元的單元坐標(biāo)系及單元的輸出內(nèi)力(應(yīng)力)符號(hào)規(guī)定梁?jiǎn)卧? BeamElement )壹般事項(xiàng)這是由 2 個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的，是屬于“等截面或變截面三維梁?jiǎn)卧?(Prismatic/Nonprismatic3DBeamEl

14、ement) ”，它具有拉、壓、剪、 彎、扭的變形剛度 (依據(jù) TimoshenkoBeamTheory) 。當(dāng)梁截面面積沿長(zhǎng)度范圍內(nèi)不發(fā)生變化(PrismaticBeamElement) 時(shí)，把壹個(gè)截面面積 (Section) 輸入到對(duì)話(huà) 窗口；當(dāng)梁截面面積沿長(zhǎng)度范圍內(nèi)發(fā)生變化 (Non-PrismaticBeamElement) 時(shí)，把梁倆端的倆個(gè)截面面積輸入到 對(duì)話(huà)窗口。利用 MIDASI/Civil 軟件分析變截面梁時(shí)，截面面積、有效 抗剪截面及截面的抗扭剛度均見(jiàn)作是 x軸方向的線(xiàn)性函數(shù) (LinearVariation) 。而橫截面面積對(duì)該截面的主軸計(jì)算的截面慣性矩， 按用戶(hù)選擇的不

15、同，沿 x軸方向能夠形成為 1次、 2次、3次性函數(shù)。單元自由度及單元坐標(biāo)系 無(wú)論是于單元坐標(biāo)系仍是于全局坐標(biāo)系里，梁?jiǎn)卧拿恳紓€(gè)節(jié)點(diǎn) 均具有三個(gè)方向的線(xiàn)性移動(dòng)位移和三個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)位移，因而每壹個(gè) 節(jié)點(diǎn)具有 6 個(gè)自由度。梁?jiǎn)卧鴺?biāo)系和桁架單元具有相同的坐標(biāo)系。CreateElements 輸入計(jì)算單元Material 輸入材料的物理特性Section 輸入截面特性BeamEndRelease 確定倆節(jié)點(diǎn)的連接方式（釋放梁端約束，剛結(jié)及鉸BeamEndOffsets 輸入梁端偏心距離ElementBeamLoads 輸入梁荷載（作用于梁上的集中及均布荷載） LineBeamLoads 確定加荷

16、范圍且輸入線(xiàn)荷載AssignFloorLoads 將樓板荷載轉(zhuǎn)換成梁荷載來(lái)輸入PrestressBeamLoads 輸入預(yù)應(yīng)力荷載值TemperatureGradient 輸入溫度梯度輸出的單元內(nèi)力符號(hào)如圖 1.9 所示，箭頭指向?yàn)檎?+ ）。構(gòu)件應(yīng)力的正負(fù)號(hào)規(guī)定和單元內(nèi)力符號(hào)規(guī)定相同。但于彎矩作用 下截面上產(chǎn)生應(yīng)力時(shí)，則以受拉為正、受壓為負(fù)來(lái)規(guī)定其符號(hào)。*輸出的內(nèi)力是以箭頭指向?yàn)檎?+ ）。 梁?jiǎn)卧膯卧鴺?biāo)系及單元內(nèi)力（或應(yīng)力）符號(hào)規(guī)定2.3.3 板單元（ PlateElement）此本單元是由同壹平面上的 3 到 4 個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的平板單元PlateElement） ，于工程中能夠利用

17、它解決平面張拉、平面壓縮、 平面剪切及平板沿厚度方向的彎曲剪切等結(jié)構(gòu)問(wèn)題。MIDAS/Civil 軟件所采用的板單元，根據(jù)平面外剛度不同能夠把 單元?jiǎng)澐殖杀“鍐卧?DKT 、DKQ(DiscreteKichhoffElement) 和厚板 單元 DKMT 、DKMQ(DiscreteKirchhoff-MindlinElement)倆種。其中 ， 根 據(jù) KirchhoffPlateTheory 理 論 開(kāi) 發(fā) 了 薄 板 單 元 ； 依 據(jù) Mindlin-ReissnerPlateTheory 理論開(kāi)發(fā)了厚板單元。由于板單元考 慮了局部的橫向剪切應(yīng)力的影響，因此對(duì)于薄板單元或厚板單元均能

18、計(jì)算出比較準(zhǔn)確的結(jié)果。對(duì)三角形板單元，利用線(xiàn)性應(yīng)變?nèi)切卫碚?LST(LinearStrainTriangle) 公式化了板單元的平面內(nèi)剛度。對(duì)四邊形 板單元，利用了等參數(shù)平面應(yīng)力理論 (IsoparametricPlaneStressFormulationwithIncompatibleModes) 公式化了單元的平面內(nèi)剛度。輸入板厚的方式有倆種，壹是為計(jì)算平面內(nèi)的剛度 (In-planeStiffness) 輸 入 板 厚 ， 另 壹 是 為 計(jì) 算 平 面 外 的 剛 度 (Out-of-Plane-Stiffness) 輸入板厚。 當(dāng)計(jì)算結(jié)構(gòu)的自重或質(zhì)量時(shí)軟件 自動(dòng)取用前者數(shù)據(jù)。如果用

19、戶(hù)只輸入了計(jì)算平面外剛度的厚度時(shí)，軟 件取用該值。板單元的自由度是以單元坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有x、 y、z軸方向的移動(dòng)的線(xiàn)性位移自由度和繞 x、y 軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)位移自由度。單元坐標(biāo)系是由 x、y、 z 三軸構(gòu)成的，滿(mǎn)足右手螺旋法則的空間直角坐標(biāo)系。單元坐標(biāo)系的方向類(lèi)似于平面應(yīng)力單元的坐標(biāo)系統(tǒng)CreateElements 輸入單元Material 輸入材料的物理特性Thickness 輸入單元厚度PressureLoads 輸入沿單元變長(zhǎng)分布的受壓荷載值TemperatureGradient 輸入溫度梯度四邊形單元的單元坐標(biāo)系三角形單元的單元坐標(biāo)系按以下方式輸出平板單元的單元內(nèi)力及應(yīng)力，其符

20、號(hào)及方向依據(jù)單元坐標(biāo)系或整體坐標(biāo)系。下面以單元坐標(biāo)系為基準(zhǔn)對(duì)其說(shuō)明。節(jié)點(diǎn)的單元內(nèi)力是該節(jié)點(diǎn)的位移乘以該節(jié)點(diǎn)的剛度而得到。 節(jié)點(diǎn)和單元中心處的單位長(zhǎng)度內(nèi)力有平面內(nèi)內(nèi)力和平面外內(nèi)力。這些內(nèi)力能夠按計(jì)算點(diǎn)處的應(yīng)力對(duì)厚度積分方式計(jì)算。 于對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)能夠有效地利用單元的單位長(zhǎng)度內(nèi) 力值。節(jié)點(diǎn)和單元中心的應(yīng)力是把于該單元積分點(diǎn)上 (GaussPoint) 應(yīng)力 按外推法 (Extrapolation) 推算而得到輸出的單元內(nèi)力符號(hào)規(guī)定見(jiàn)圖 1.28 所示，其中箭頭指向?yàn)檎?（ + ）。于節(jié)點(diǎn)和單元中心處，單位長(zhǎng)度內(nèi)力符號(hào)規(guī)定見(jiàn)圖 1.29 所示， 其中箭頭指向?yàn)檎?+ ）。于節(jié)點(diǎn)和單元中心處，輸出的單元應(yīng)力可分為截面上部 （TopSurface） 單元應(yīng)力和截面下部 （BottomSurface） 單元應(yīng)力。符號(hào) 規(guī)定見(jiàn)圖 1.30