基于有限元结构的异形非标结构支撑体系参数化分析方法与流程

本发明涉及建筑结构有限元分析，尤其涉及基于有限元结构的异形非标结构支撑体系参数化分析方法。

背景技术：

1、当前异形非标结构支撑体系的力学分析多采用独立建模方式，先完成异形非标主体结构的几何构建，再通过手动方式定义支撑体系布置控制点，依靠人工绘制完成支撑杆件的连接构造，有限元建模过程中主体结构与支撑体系无数据关联。常规分析流程对主体结构与支撑杆件执行统一的网格剖分处理，力学分析后整体提取结构内力、应力及变形数据，依托通用结构性能指标完成合规性判断，未针对支撑体系设置独立的性能判定阈值。该类建模与分析方式下，主体结构几何调整后支撑体系需重新手动适配，杆件拓扑连接易出现几何错位，统一网格剖分导致单元类型与构件受力特性不匹配，整体数据提取无法精准反映支撑杆件的力学状态，通用阈值无法匹配支撑体系的专属性能要求。

2、针对现有技术存在的建模与分析弊端，需建立异形非标结构初始几何描述信息与支撑初始布置控制点的关联机制，通过控制点直接拓扑连接生成支撑杆件网络。同时需对结构承载面与支撑杆件分别执行网格与一维单元离散，单独提取支撑杆件力学性能指标，依托预设的支撑体系专用性能阈值完成合规性判定，以此弥补现有建模离散方式与性能判定逻辑的不足。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有技术中存在的缺点，而提出的基于有限元结构的异形非标结构支撑体系参数化分析方法。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：基于有限元结构的异形非标结构支撑体系参数化分析方法，包括：

3、通过参数化接口接收对异形非标结构的初始几何描述信息以及对支撑体系的初始布置控制点，将所述初始几何描述信息与初始布置控制点进行关联，生成关联模型数据；

4、在所述关联模型数据中，将所述异形非标结构分解为若干可离散化的几何单元，对所述支撑体系的初始布置控制点进行拓扑连接，生成支撑杆件网络；

5、对分解出的所述若干可离散化的几何单元进行有限元网格剖分，形成结构承载面网格，同时对所述支撑杆件网络中的杆件进行一维单元离散，形成支撑杆件单元集合；

6、为所述结构承载面网格与支撑杆件单元集合中的每个单元指定材料本构模型与截面属性参数，组合成完整的参数化有限元模型；

7、对所述完整的参数化有限元模型施加边界约束条件与荷载工况，执行结构力学分析，计算得到包括内力、应力和变形的初步力学响应数据；

8、提取所述支撑杆件单元集合在所述初步力学响应数据中对应的力学性能指标，并根据预设的支撑体系性能阈值集合，对所述力学性能指标进行合规性判定，输出判定结果，并基于合格的判定结果输出目标异形非标结构支撑体系的设计参数模型，以用于指导实体结构加工与现场施工。

9、作为本发明的进一步方案，所述通过参数化接口接收对异形非标结构的初始几何描述信息，包括：

10、所述参数化接口接收以非均匀有理b样条曲线或曲面形式定义的异形结构轮廓控制点与权重；

11、基于接收的所述轮廓控制点与权重，构建描述异形结构空间曲面形状的数学表达；

12、从所述数学表达中提取几何边界、关键控制线和曲面曲率信息，作为所述异形非标结构的所述初始几何描述信息。

13、作为本发明的进一步方案，所述对分解出的所述若干可离散化的几何单元进行有限元网格剖分，形成结构承载面网格，包括：

14、对每个所述可离散化的几何单元进行几何缺陷检查与拓扑修复，确保几何封闭性与连接一致性；

15、为每个修复后的几何单元设定目标网格尺寸与单元形状控制参数；

16、根据所述目标网格尺寸与单元形状控制参数，对几何区域进行三角形或四边形单元的自动剖分，生成面网格；

17、检查所述面网格的单元质量，对质量低于预设的质量评价阈值的单元执行局部网格优化，最终得到满足分析要求的所述结构承载面网格。

18、作为本发明的进一步方案，对所述支撑杆件网络中的杆件进行一维单元离散，形成支撑杆件单元集合，包括：

19、根据所述支撑杆件网络中各杆件的空间位置与连接关系，定义杆件的拓扑轴线；

20、沿着所述拓扑轴线，依据预设的单元长度准则，对每一根杆件进行分段剖分，生成一系列连续的杆件子段；

21、为每个所述杆件子段赋予唯一标识，并将杆件的原始截面属性参数映射到对应的杆件子段；

22、将所有所述杆件子段连同其唯一标识与映射的截面属性参数进行汇总，形成所述支撑杆件单元集合。

23、作为本发明的进一步方案，为所述结构承载面网格与支撑杆件单元集合中的每个单元指定材料本构模型与截面属性参数，包括：

24、从预设的材料库中选择与所述异形非标结构对应的面层材料类型，并为选定的面层材料类型赋予弹性模量、泊松比和材料密度的具体数值，作为面层材料参数；

25、从预设的材料库中选择与所述支撑体系对应的杆件材料类型，并为选定的杆件材料类型赋予弹性模量、泊松比和材料密度的具体数值，作为杆件材料参数；

26、将所述面层材料参数全局关联至所述结构承载面网格的所有单元，将所述杆件材料参数全局关联至所述支撑杆件单元集合的所有单元；

27、为所述结构承载面网格中的每个单元赋予厚度属性，为所述支撑杆件单元集合中的每个单元赋予截面形状描述与截面尺寸描述。

28、作为本发明的进一步方案，对所述完整的参数化有限元模型施加边界约束条件与荷载工况，包括：

29、识别所述完整的参数化有限元模型中与基础或已知固定部分连接的节点集合，将所述节点集合的自由度按照约束类型进行固定处理，生成边界约束信息；

30、定义荷载作用面与荷载作用方向，在所述荷载作用面上分布荷载值，生成面荷载分布信息；在所述完整的参数化有限元模型中的指定节点上集中施加力或力矩，生成节点荷载信息；

31、组合所述边界约束信息、所述面荷载分布信息与所述节点荷载信息，构成完整的荷载与约束集合，将所述完整的荷载与约束集合施加于所述完整的参数化有限元模型。

32、作为本发明的进一步方案，所述执行结构力学分析，计算得到包括内力、应力和变形的初步力学响应数据，包括：

33、基于所述完整的荷载与约束集合，对所述完整的参数化有限元模型进行整体刚度矩阵组装；

34、求解由所述整体刚度矩阵、节点荷载信息与边界约束条件构成的线性方程组，计算得到所述完整的参数化有限元模型中所有节点的位移向量；

35、根据所述位移向量，计算每个单元的应变分布，并结合所述材料本构模型，计算每个单元的应力分布与内力结果；

36、汇总所有节点的位移结果、所有单元的应力分布结果与内力结果，形成包含多维力学响应信息的所述初步力学响应数据。

37、作为本发明的进一步方案，提取所述支撑杆件单元集合在所述初步力学响应数据中对应的力学性能指标，包括：

38、从所述初步力学响应数据中，定位属于所述支撑杆件单元集合的所有单元的数据记录；

39、从所述数据记录中，读取每个杆件单元的轴力、剪力、弯矩和扭矩的内力分量；

40、从所述数据记录中，读取每个杆件单元的多个积分点处的主应力值和等效应力值；

41、从所述数据记录中，读取每个杆件单元两端的节点位移，计算得到杆件的轴向变形与弯曲变形量。

42、作为本发明的进一步方案，所述根据预设的支撑体系性能阈值集合，对所述力学性能指标进行合规性判定，包括：

43、所述支撑体系性能阈值集合包含轴力承载阈值、应力强度阈值和位移变形阈值；

44、将每个杆件单元的轴力绝对值与所述轴力承载阈值进行比较，判断轴力是否超限；

45、将每个杆件单元的最大主应力绝对值或最大等效应力值与所述应力强度阈值进行比较，判断应力是否超限；

46、将每个杆件单元的轴向变形与弯曲变形量与所述位移变形阈值进行比较，判断变形是否超限；

47、整合所有杆件单元关于轴力、应力与变形的判断结果，形成针对整个支撑杆件单元集合的所述判定结果。

48、作为本发明的进一步方案，在输出所述判定结果后，还包括：

49、若所述判定结果指示所述支撑杆件单元集合存在不满足所述支撑体系性能阈值集合的杆件单元，则启动支撑体系参数迭代更新流程；

50、在所述支撑体系参数迭代更新流程中，根据超限指标类型及超限程度，调整所述支撑杆件网络的初始布置控制点或所述支撑杆件单元集合的截面属性参数，生成更新后的支撑体系参数；

51、将所述更新后的支撑体系参数与所述关联模型数据中的异形非标结构信息重新结合，形成更新后的完整的参数化有限元模型；

52、对所述更新后的完整的参数化有限元模型重复执行结构力学分析、提取力学性能指标及合规性判定的步骤，直至所述判定结果指示所述支撑杆件单元集合全部满足所述支撑体系性能阈值集合，或达到预设的迭代次数上限。

53、与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

54、通过参数化接口接收异形非标结构初始几何描述信息与支撑体系初始布置控制点，将两类信息关联生成关联模型数据，在关联模型数据内分解异形非标结构为可离散化几何单元，对初始布置控制点进行拓扑连接生成支撑杆件网络，主体结构几何信息与支撑布置控制点形成数据绑定关系，支撑杆件网络依托控制点拓扑自动生成，支撑体系的构造形态与主体结构几何形态保持同步适配，规避手动连接杆件产生的几何偏差，建模过程中无需重复调整支撑布置参数。

55、对分解后的可离散化几何单元执行有限元网格剖分形成结构承载面网格，对支撑杆件网络单独进行一维单元离散形成支撑杆件单元集合，为两类单元指定材料本构模型与截面属性参数构建完整有限元模型，施加边界约束与荷载工况完成力学分析后，提取支撑杆件单元集合对应的力学性能指标，按照预设支撑体系性能阈值集合开展合规性判定，结构承载面与支撑杆件采用差异化离散形式，单元受力模拟与构件实际受力状态契合，力学性能指标可独立指向支撑杆件单元，合规性判定直接匹配支撑体系专属阈值，判定结果与支撑体系性能需求形成精准对应。