結構力學仿真軟件：Strand7：Strand7中二維與三維實體建模

結構力學仿真軟件：Strand7：Strand7中二維與三維實體建模1引導：結構力學仿真軟件Strand7的二維與三維實體建模1.1Strand7軟件概述Strand7是一款功能強大的結構分析和設計軟件，由Strand7有限公司開發(fā)。它提供了全面的解決方案，適用于各種結構力學問題，包括線性、非線性、動態(tài)、熱力學和流體動力學分析。Strand7的建模功能支持二維和三維實體的創(chuàng)建，這使得用戶能夠精確地模擬和分析復雜結構。1.2Strand7在結構力學分析中的應用Strand7在結構力學分析中的應用廣泛，涵蓋了橋梁、建筑、機械、航空航天等多個領域。它能夠處理靜態(tài)、動態(tài)、熱力學和流體動力學等多種類型的分析，為工程師提供全面的結構性能評估。例如，在橋梁設計中，Strand7可以用于分析橋梁在不同載荷條件下的應力分布、位移和穩(wěn)定性，確保設計的安全性和經濟性。1.3Strand7軟件界面介紹1.3.1主界面Strand7的主界面直觀且用戶友好，主要由菜單欄、工具欄、模型視圖窗口和狀態(tài)欄組成。菜單欄提供了軟件的所有功能選項，包括文件操作、建模、分析、后處理等。工具欄則包含了常用的快捷按鈕，便于快速訪問。模型視圖窗口是用戶進行建模和查看分析結果的主要區(qū)域，支持三維視圖和多種視圖操作。狀態(tài)欄顯示當前操作的狀態(tài)信息，幫助用戶了解軟件的運行情況。1.3.2建模界面在建模界面，Strand7提供了豐富的幾何建模工具，包括點、線、面和體的創(chuàng)建、編輯和操作。用戶可以通過導入CAD模型或直接在軟件中創(chuàng)建模型。建模工具支持精確的尺寸輸入和參數化建模，確保模型的準確性和靈活性。維建模二維建模主要用于平面結構的分析，如橋梁的橫截面、建筑的平面圖等。在Strand7中，二維建模可以通過以下步驟進行：創(chuàng)建點：使用Point命令在模型視圖中定義幾何的頂點。創(chuàng)建線：通過Line命令連接點，形成結構的邊界。創(chuàng)建面：使用Surface命令將線圍成的區(qū)域定義為面，可以是實心或空心的面。維建模三維建模用于模擬空間結構，如整個橋梁、建筑或機械部件。三維建模在Strand7中更為復雜，但功能也更強大：創(chuàng)建點：與二維建模類似，但點可以在三維空間中定位。創(chuàng)建線：連接三維空間中的點，形成結構的邊緣。創(chuàng)建面：通過Surface命令，將三維線圍成的區(qū)域定義為面。創(chuàng)建體：使用Volume命令，將多個面圍成的區(qū)域定義為實體，這是三維建模的核心。1.3.3分析界面分析界面是進行結構力學分析的地方，用戶可以設置分析類型、材料屬性、邊界條件和載荷。Strand7支持多種分析類型，包括但不限于：線性靜態(tài)分析：分析結構在靜態(tài)載荷下的響應。非線性分析：考慮材料非線性和幾何非線性，分析結構在極端條件下的行為。動態(tài)分析：分析結構在動態(tài)載荷下的響應，如地震、風載荷等。熱力學分析：分析結構在溫度變化下的熱應力和變形。1.3.4后處理界面后處理界面用于查看和分析計算結果。Strand7提供了豐富的后處理工具，包括應力云圖、位移矢量圖、變形圖和動畫等。用戶可以通過這些工具直觀地理解結構的性能，為設計優(yōu)化提供依據。1.4示例：創(chuàng)建一個簡單的三維實體假設我們要在Strand7中創(chuàng)建一個簡單的立方體實體，以下是具體步驟：創(chuàng)建點：首先在三維空間中定義立方體的八個頂點。創(chuàng)建線：連接這些點，形成立方體的12條邊。創(chuàng)建面：使用Surface命令，將線圍成的六個面定義為立方體的表面。創(chuàng)建體：最后，使用Volume命令，將六個面圍成的區(qū)域定義為立方體實體。雖然Strand7的操作主要通過圖形界面進行，但也可以使用腳本語言進行自動化建模。以下是一個使用Strand7腳本創(chuàng)建立方體的示例：#Strand7腳本示例：創(chuàng)建一個立方體實體

#定義立方體的尺寸

length=1.0

width=1.0

height=1.0

#創(chuàng)建點

p1=Point(0,0,0)

p2=Point(length,0,0)

p3=Point(length,width,0)

p4=Point(0,width,0)

p5=Point(0,0,height)

p6=Point(length,0,height)

p7=Point(length,width,height)

p8=Point(0,width,height)

#創(chuàng)建線

l1=Line(p1,p2)

l2=Line(p2,p3)

l3=Line(p3,p4)

l4=Line(p4,p1)

l5=Line(p5,p6)

l6=Line(p6,p7)

l7=Line(p7,p8)

l8=Line(p8,p5)

l9=Line(p1,p5)

l10=Line(p2,p6)

l11=Line(p3,p7)

l12=Line(p4,p8)

#創(chuàng)建面

s1=Surface(l1,l2,l3,l4)

s2=Surface(l5,l6,l7,l8)

s3=Surface(l1,l2,l10,l9)

s4=Surface(l3,l2,l6,l11)

s5=Surface(l4,l3,l11,l12)

s6=Surface(l4,l1,l9,l12)

#創(chuàng)建體

v1=Volume(s1,s2,s3,s4,s5,s6)1.4.1示例解釋在上述腳本中，我們首先定義了立方體的尺寸，然后創(chuàng)建了八個點來表示立方體的頂點。接著，我們創(chuàng)建了12條線來連接這些點，形成立方體的邊。之后，我們創(chuàng)建了六個面，分別對應立方體的六個表面。最后，我們使用Volume命令將這六個面圍成的區(qū)域定義為一個立方體實體。通過這個示例，我們可以看到Strand7腳本語言的強大和靈活性，它允許用戶以編程的方式創(chuàng)建復雜的幾何模型，從而提高建模效率和準確性。以上內容詳細介紹了Strand7軟件的概述、在結構力學分析中的應用以及軟件界面的介紹，包括主界面、建模界面、分析界面和后處理界面。通過一個創(chuàng)建三維立方體實體的示例，我們展示了Strand7腳本語言的使用方法，為用戶提供了建模的指導。2維實體建?；A2.1維建模前的準備工作在開始使用Strand7進行二維實體建模之前，有幾個關鍵步驟需要完成以確保建模過程的順利進行：定義材料屬性：在Strand7中，首先需要定義材料屬性，包括彈性模量、泊松比等，這些屬性將直接影響結構的力學行為。設定幾何參數：確定結構的尺寸和形狀，這包括長度、寬度、厚度等，確保這些參數與實際結構相匹配。選擇坐標系：根據結構的布局和分析需求，選擇合適的坐標系。Strand7支持多種坐標系，包括笛卡爾坐標系和極坐標系。定義邊界條件：明確結構的約束和載荷，這包括固定端、自由端、力和壓力等，邊界條件對結構的響應至關重要。創(chuàng)建節(jié)點和元素：在Strand7中，結構由節(jié)點和連接這些節(jié)點的元素構成。節(jié)點是結構的幾何點，而元素則是結構的組成部分，如梁、板或殼。2.2創(chuàng)建二維幾何形狀在Strand7中創(chuàng)建二維幾何形狀，主要通過以下幾種方式：直接繪制：使用Strand7的圖形用戶界面，可以直接在屏幕上繪制線、圓、矩形等基本形狀。導入CAD文件：Strand7支持從多種CAD軟件導入文件，如AutoCAD的DXF文件，這使得復雜幾何形狀的建模更加便捷。使用腳本語言：Strand7提供了一種腳本語言，允許用戶通過編程的方式創(chuàng)建和修改幾何形狀，這對于需要重復建模或參數化設計的情況非常有用。2.2.1示例：使用腳本語言創(chuàng)建矩形#Strand7腳本示例：創(chuàng)建一個矩形

#定義矩形的尺寸

length=10.0

width=5.0

#創(chuàng)建矩形的四個角點

node1=CreateNode(0.0,0.0,0.0)

node2=CreateNode(length,0.0,0.0)

node3=CreateNode(length,width,0.0)

node4=CreateNode(0.0,width,0.0)

#創(chuàng)建矩形的四條邊

edge1=CreateEdge(node1,node2)

edge2=CreateEdge(node2,node3)

edge3=CreateEdge(node3,node4)

edge4=CreateEdge(node4,node1)

#創(chuàng)建矩形面

CreateFace([edge1,edge2,edge3,edge4])2.3維網格劃分技術網格劃分是結構分析中的關鍵步驟，它將連續(xù)的幾何形狀離散化為一系列有限的單元，以便進行數值計算。在Strand7中，網格劃分可以通過以下幾種方式進行：自動網格劃分：Strand7提供了自動網格劃分工具，可以根據設定的網格尺寸和質量標準自動生成網格。手動網格劃分：用戶可以手動選擇節(jié)點和元素，定義網格的尺寸和形狀，這對于需要精細控制網格的地方非常有用。網格優(yōu)化：Strand7還提供了網格優(yōu)化功能，可以自動調整網格以提高計算效率和精度。2.3.1示例：自動網格劃分在Strand7中，可以使用以下命令進行自動網格劃分：#Strand7腳本示例：自動網格劃分

#定義網格尺寸

meshSize=1.0

#對整個模型進行自動網格劃分

MeshAll(meshSize)2.3.2說明在上述腳本中，MeshAll函數用于對整個模型進行網格劃分，meshSize參數定義了網格的基本尺寸。通過調整meshSize的值，可以控制網格的精細程度，較小的meshSize將生成更細的網格，但也會增加計算的時間和資源需求。通過這些步驟和示例，可以有效地在Strand7中進行二維實體建模和網格劃分，為后續(xù)的結構分析奠定堅實的基礎。3維實體建模進階3.1維建模的理論基礎在結構力學仿真軟件如Strand7中，三維實體建模是基于有限元分析原理進行的。有限元方法將復雜的結構分解為許多小的、簡單的部分，即“單元”，然后對這些單元進行分析，最后將結果綜合起來得到整個結構的性能。三維實體建模中，單元可以是四面體、六面體、楔形體等，這些單元能夠更準確地模擬結構的真實幾何和物理特性。3.1.1基本概念節(jié)點(Node)：結構上的點，是有限元網格的基本組成元素。單元(Element)：由節(jié)點組成的幾何體，用于模擬結構的一部分。網格(Mesh)：由單元組成的集合，用于近似結構的幾何形狀和物理行為。3.1.2理論應用在進行三維實體建模時，需要考慮材料屬性、邊界條件、載荷等因素。例如，對于一個承受壓力的三維實體，需要在模型中定義材料的彈性模量、泊松比等屬性，以及壓力的大小和方向。3.2構建三維幾何實體在Strand7中，構建三維幾何實體可以通過導入CAD模型或直接在軟件中創(chuàng)建。直接創(chuàng)建實體通常涉及以下步驟：定義坐標系：確定模型的參考坐標系。創(chuàng)建基本形狀：如立方體、圓柱、球體等。編輯實體：通過移動、旋轉、縮放等操作調整實體的位置和尺寸。組合實體：使用布爾運算（如并集、差集、交集）來創(chuàng)建復雜的幾何形狀。3.2.1實例操作假設我們需要創(chuàng)建一個簡單的立方體實體，然后將其與一個圓柱體實體進行差集運算，以模擬一個帶有孔洞的結構。//創(chuàng)建立方體實體

CreateBox100,100,100;

//創(chuàng)建圓柱體實體

CreateCylinder50,50,100;

//將圓柱體實體移動到立方體實體的中心位置

Move0,0,50;

//對立方體和圓柱體進行差集運算

Subtract2from1;在上述代碼中，CreateBox和CreateCylinder命令用于創(chuàng)建基本的幾何實體，Move命令用于調整實體的位置，而Subtract命令則用于執(zhí)行布爾運算。3.3高級三維網格劃分網格劃分是三維實體建模中的關鍵步驟，它直接影響到分析的精度和計算效率。Strand7提供了多種網格劃分工具，包括自動網格劃分和手動網格劃分，以及對網格進行細化和優(yōu)化的選項。3.3.1網格劃分策略自動網格劃分：軟件根據實體的幾何形狀和用戶定義的網格尺寸自動創(chuàng)建網格。手動網格劃分：用戶可以指定特定區(qū)域的網格密度，或直接在實體上創(chuàng)建網格。網格優(yōu)化：通過調整網格的形狀和大小，提高計算效率和分析精度。3.3.2實例操作假設我們有一個復雜的三維實體，需要對其進行網格劃分，以準備進行結構力學分析。//自動網格劃分

MeshAll;

//手動細化特定區(qū)域的網格

Refine1,10;

//優(yōu)化網格質量

OptimizeMesh;在上述代碼中，MeshAll命令用于對所有實體進行自動網格劃分，Refine命令用于手動細化特定實體的網格，而OptimizeMesh命令則用于優(yōu)化整個模型的網格質量。通過以上步驟，我們可以創(chuàng)建和準備復雜的三維實體模型，以進行精確的結構力學分析。在實際操作中，可能需要根據具體問題調整建模和網格劃分的參數，以達到最佳的分析效果。4材料屬性與載荷應用4.1定義材料屬性在進行結構力學仿真時，準確定義材料屬性至關重要。Strand7提供了多種材料模型，包括但不限于線彈性、塑性、復合材料等。以下是如何在Strand7中定義材料屬性的步驟：打開材料屬性對話框：在主菜單中選擇“材料”>“定義材料屬性”，或使用快捷鍵Ctrl+M。選擇材料模型：在對話框中，選擇適合的材料模型。例如，對于線彈性材料，選擇“線彈性”。輸入材料參數：根據所選材料模型，輸入相應的材料參數。對于線彈性材料，需要輸入彈性模量（E）和泊松比（ν）。保存材料屬性：輸入完所有參數后，點擊“保存”以保存材料屬性。4.1.1示例：定義線彈性材料假設我們正在定義一種線彈性材料，其彈性模量為200GPa，泊松比為0.3。#在Strand7中定義線彈性材料的示例代碼

#定義材料屬性

material={

"name":"Steel",

"type":"LinearElastic",

"E":200e9,#彈性模量，單位為Pa

"nu":0.3#泊松比

}

#保存材料屬性

save_material(material)請注意，上述代碼示例是基于Strand7API的簡化版本，實際使用中可能需要調用特定的API函數來定義和保存材料屬性。4.2應用邊界條件邊界條件在結構分析中用于模擬結構與周圍環(huán)境的相互作用。在Strand7中，可以應用固定約束、鉸鏈約束、滑動約束等。選擇邊界條件類型：在“邊界條件”菜單中，選擇合適的邊界條件類型。選擇應用對象：選擇模型中需要應用邊界條件的節(jié)點或元素。設置邊界條件參數：根據所選邊界條件類型，設置相應的參數。例如，對于固定約束，通常不需要設置額外參數。確認應用：點擊“應用”以將邊界條件應用到所選對象上。4.2.1示例：應用固定約束假設我們正在對模型中的一個節(jié)點應用固定約束。#在Strand7中應用固定約束的示例代碼

#選擇節(jié)點

node=select_node(1)

#應用固定約束

apply_fixed_constraint(node)此代碼示例同樣基于Strand7API的簡化版本，實際應用中需調用正確的API函數。4.3加載荷與載荷組合加載荷是結構分析中的關鍵步驟，它包括施加力、壓力、溫度載荷等。Strand7支持多種載荷類型和載荷組合。定義載荷：在“載荷”菜單中，選擇載荷類型并定義其參數。應用載荷：選擇模型中需要加載荷的節(jié)點或元素，并應用載荷。定義載荷組合：在“載荷組合”菜單中，定義不同載荷的組合方式，以模擬實際工況。運行分析：在定義完所有載荷和載荷組合后，運行結構分析。4.3.1示例：施加力載荷假設我們正在對模型中的一個節(jié)點施加100N的力載荷。#在Strand7中施加力載荷的示例代碼

#選擇節(jié)點

node=select_node(1)

#定義力載荷

force={

"Fx":100,#在x方向上的力，單位為N

"Fy":0,

"Fz":0

}

#應用力載荷

apply_force(node,force)4.3.2示例：定義載荷組合假設我們正在定義一個載荷組合，包括兩個載荷：Load1和Load2。#在Strand7中定義載荷組合的示例代碼

#定義載荷組合

load_combination={

"name":"LC1",

"loads":[

{"name":"Load1","factor":1.0},

{"name":"Load2","factor":0.5}

]

}

#保存載荷組合

save_load_combination(load_combination)以上代碼示例展示了如何在Strand7中定義和應用材料屬性、邊界條件以及載荷和載荷組合。在實際操作中，應根據具體需求調整參數和選擇合適的模型。5分析設置與求解5.1選擇分析類型在進行結構力學分析時，首先需要確定分析類型。Strand7提供了多種分析類型，包括靜力分析、動力分析、模態(tài)分析、熱分析等。選擇正確的分析類型對于獲得準確的分析結果至關重要。例如，進行靜力分析時，我們關注的是結構在恒定載荷下的響應。在Strand7中，可以通過以下步驟選擇靜力分析：打開Strand7軟件。在主菜單中選擇“Analysis”。從下拉菜單中選擇“StaticAnalysis”。5.2設置求解參數設置求解參數是確保分析順利進行的關鍵步驟。這包括定義材料屬性、網格劃分、邊界條件和載荷等。5.2.1材料屬性在Strand7中，定義材料屬性通常涉及以下參數：彈性模量（E）泊松比（ν）密度（ρ）屈服強度（fy）例如，定義一個鋼材料：在材料庫中選擇“Steel”。

調整彈性模量為200e9N/m^2。

設置泊松比為0.3。5.2.2網格劃分網格劃分決定了模型的精度。在Strand7中，可以手動或自動劃分網格。選擇“Mesh”菜單下的“AutoMesh”。

設置最大邊長為0.1m。5.2.3邊界條件邊界條件定義了模型的約束。在Strand7中，可以設置固定約束、滑動約束、旋轉約束等。選擇“BoundaryConditions”。

在模型上選擇需要約束的節(jié)點或面。

設置約束類型，如“Fixed”。5.2.4載荷載荷定義了作用在結構上的外力。在Strand7中，可以添加點載荷、面載荷、體載荷等。選擇“Loads”。

在模型上選擇需要加載的節(jié)點或面。

設置載荷值，如1000N。5.3運行分析與結果查看完成模型設置后，可以運行分析并查看結果。5.3.1運行分析在Strand7中，運行分析的步驟如下：選擇“Analysis”菜單下的“Solve”。確認所有設置無誤后，點擊“OK”。5.3.2結果查看分析完成后，可以查看位移、應力、應變等結果。選擇“Results”菜單下的“Displacements”。

選擇“Results”菜單下的“Stresses”。

選擇“Results”菜單下的“Strains”。為了更直觀地查看結果，可以使用云圖顯示：在“Results”菜單下選擇“CloudPlot”。

選擇需要顯示的結果類型，如“vonMisesStress”。

調整顯示參數，如最小值、最大值。通過以上步驟，可以完成在Strand7中的分析設置與求解過程。每一步都需要仔細檢查，確保模型的準確性和分析的可靠性。6案例研究與實踐6.1維實體建模案例分析6.1.1案例背景在結構力學仿真中，二維實體建模常用于分析橋梁、墻體、薄板等結構。本案例將通過分析一座橋梁的建模過程，展示如何在Strand7中創(chuàng)建二維實體模型。6.1.2模型創(chuàng)建定義材料屬性：首先，需要定義橋梁所用材料的屬性，如混凝土或鋼材的彈性模量、泊松比等。創(chuàng)建幾何模型：使用Strand7的2D建模工具，繪制橋梁的平面輪廓，包括橋面、橋墩和基礎。網格劃分：對橋梁的平面輪廓進行網格劃分，選擇合適的單元類型，如四邊形或三角形單元。6.1.3載荷施加靜態(tài)載荷：如車輛載荷、自重等，通過定義載荷集，將載荷施加到模型上。動態(tài)載荷：如風載荷、地震載荷，通過時間歷程或頻譜分析施加。6.1.4結果分析應力分析：檢查橋梁在不同載荷下的應力分布，確保其在安全范圍內。位移分析：分析橋梁的最大位移，評估其穩(wěn)定性。6.1.5示例代碼#Strand7PythonAPI示例：創(chuàng)建二維橋梁模型

importstrand7

#創(chuàng)建新的Strand7模型

model=strand7.Model()

#定義材料屬性

material=model.Materials.Add()

material.Name="Concrete"

material.Type=strand7.MaterialType.Isotropic

material.ElasticModulus=30000#單位：MPa

material.PoissonRatio=0.2

#創(chuàng)建幾何模型

#繪制橋面

beam=model.Geometry.Beams.Add()

beam.StartPoint=[0,0,0]

beam.EndPoint=[100,0,0]

beam.CrossSection=strand7.CrossSection.Rectangle

beam.Width=10

beam.Height=1

#繪制橋墩

column=model.Geometry.Beams.Add()

column.StartPoint=[50,-10,0]

column.EndPoint=[50,0,0]

column.CrossSection=strand7.CrossSection.Rectangle

column.Width=2

column.Height=10

#網格劃分

model.Geometry.Mesh()

#施加載荷

#靜態(tài)載荷：車輛載荷

load_case=model.LoadCases.Add()

load_case.Name="VehicleLoad"

load_case.Type=strand7.LoadCaseType.Static

load=model.Loads.Add()

load.Type=strand7.LoadType.Point

load.Point=[50,0,0]

load.Force=[0,-100,0]#單位：kN

#動態(tài)載荷：地震載荷

load_case_dynamic=model.LoadCases.Add()

load_case_dynamic.Name="EarthquakeLoad"

load_case_dynamic.Type=strand7.LoadCaseType.Dynamic

load=model.Loads.Add()

load.Type=strand7.LoadType.Acceleration

load.Point=[0,0,0]

load.Acceleration=[0,0,-10]#單位：m/s^2

#分析模型

model.Analyze()

#輸出結果

#應力分析

stress_results=model.Results.Stress()

print("StressResults:",stress_results)

#位移分析

displacement_results=model.Results.Displacement()

print("DisplacementResults:",displacement_results)6.1.6解釋上述代碼展示了如何使用Strand7的PythonAPI創(chuàng)建一個二維橋梁模型，包括定義材料屬性、創(chuàng)建幾何模型、施加載荷和分析結果。通過分析應力和位移，可以評估橋梁的結構性能。6.2維實體建模項目實踐6.2.1項目背景三維實體建模在結構力學仿真中用于更復雜結構的分析，如高層建筑、隧道等。本項目將通過建模一座高層建筑，展示三維實體建模的全過程。6.2.2模型創(chuàng)建定義材料屬性：與二維建模類似，但可能需要更詳細的屬性，如材料的密度。創(chuàng)建幾何模型：使用Strand7的3D建模工具，構建建筑的三維模型，包括樓板、柱子和墻體。網格劃分：對三維模型進行網格劃分，選擇三維實體單元，如六面體單元。6.2.3載荷施加靜態(tài)載荷：如建筑自重、雪載荷等。動態(tài)載荷：如風載荷、地震載荷，通過時間歷程或頻譜分析施加。6.2.4結果分析應力分析：檢查建筑在不同載荷下的應力分布。位移分析：分析建筑的最大位移，評估其抗震性能。6.2.5示例代碼#Strand7PythonAPI示例：創(chuàng)建三維建筑模型

importstrand7

#創(chuàng)建新的Strand7模型

model=strand7.Model()

#定義材料屬性

material=model.Materials.Add()

material.Name="Steel"

material.Type=strand7.MaterialType.Isotropic

material.ElasticModulus=200000#單位：MPa

material.PoissonRatio=0.3

material.Density=7850#單位：kg/m^3

#創(chuàng)建幾何模型

#繪制樓板

slab=model.Geometry.Slabs.Add()

slab.Points=[[0,0,0],[100,0,0],[100,100,0],[0,100,0]]

slab.Thickness=1

#繪制柱子

column=model.Geometry.Beams.Add()

column.StartPoi