Midas/Gen 與ABAQUS 的復雜建筑結構模型轉換程序開發

王杰

（中南建筑設計院股份有限公司，武漢 430071）

1 引言

隨著我國經濟的發展，建筑復雜程度日益增加，出現了大量超高層建筑以及平面、立面特別復雜的建筑，而這些建筑結構往往需要進行復雜的非線性分析，如超高層建筑結構大震動力彈塑性時程分析、大跨空間結構靜力穩定分析、基于多尺度的復雜節點受力分析以及考慮行波效應的超長結構動力分析等。ABAQUS 軟件作為一款通用有限元分析軟件，憑借其豐富的材料庫、單元庫以及強大的非線性功能，在復雜建筑結構非線性分析方面具有顯著優勢，且已經在許多實際工程中得到檢驗【1】。但對于這些復雜的建筑結構，若直接采用ABAQUS軟件手動建立有限元分析模型，工作量將十分巨大且煩瑣，嚴重影響工程師的工作效率。

Midas/Gen 作為一款通用的結構分析設計軟件，具有良好且完善的建模功能，能夠方便、快速地建立結構設計模型，適用于高層建筑、空間結構等多種結構類型，在國內眾多設計院廣泛使用。

為此，本文開發了一款從Midas/Gen 軟件到ABAQUS 軟件的模型轉換程序。該程序能夠直接將Midas/Gen 設計模型轉換為ABAQUS 有限元分析模型，并進行非線性分析，避免了重復建模，節省了大量的前處理時間，有效地提高了結構分析效率。

2 模型轉換流程

模型轉換程序是以AutoCAD 2010 為圖形處理平臺，采用面向對象的系統開發技術，利用AutoCAD 2010 二次開發工具ObjectArx【2】以及 C++語言研發的。程序通過讀取 Midas/Gen 軟件的設計模型信息文件（.mgt 文件），然后通過簡單編輯，直接導出生成ABAQUS INP 有限元模型分析文件。模型轉換程序流程如圖1 所示。

圖1 程序編寫流程圖

目前，程序能夠實現的主要功能如下：

1）轉換結構樓層信息

2）轉換節點、單元信息；

3）轉換構件截面、材料信息；

4）轉換荷載信息；

5）轉換約束信息。

3 模型轉換程序關鍵技術

3.1 模型信息讀取

Midas/Gen 的模型信息文件（.mgt 文件）通過關鍵字存儲結構設計模型信息，關鍵字與模型信息對應關系如表1 所示。轉換程序根據模型信息類別，利用C++語言建立相應模型信息結構體數據，如材料信息、截面信息、殼元截面信息、單元信息以及荷載信息等，程序代碼實現如下所示：

表1 Midas/Gen 關鍵字與模型信息對應關系

轉換程序讀取Midas/Gen 模型信息文件時，首先根據關鍵字將讀取的信息存入上述結構體，然后根據模型信息相互間的邏輯關系在轉換程序重新建立結構轉換模型，從而實現Midas/Gen 結構設計模型的導入。程序模型導入對話框如圖2 所示。

圖2 模型導入對話框

點擊“導入 Midas/Gen 模型”的“瀏覽”按鈕，選擇.mgt 文件。點擊“導入”按鈕，程序將自動導入Midas/Gen 模型，并在對話框右側列表，顯示當前模型導入內容。

3.2 構件配筋設置

Midas/Gen 模型信息文件主要包含了結構的幾何信息及荷載信息，不包含混凝土構件配筋信息，結構構件配筋無法通過模型導入實現。而構件配筋信息的準確性直接影響結構非線性分析結果。為此，轉換程序研發了相應的結構構件配筋設置功能。以剪力墻為例，轉換程序根據剪力墻配筋的特點，開發的剪力墻配筋設置對話框如圖3 所示。用戶可以根據結構施工圖中剪力墻實際配筋情況，按墻厚度指定剪力墻水平或豎向配筋率，以便在后續非線性分析中真實考慮結構配筋對分析結果的影響。

圖3 剪力墻配筋修改對話框

3.3 導出ABAQUS INP 模型文件

在導出ABAQUS INP 模型時，轉換程序對于不同的構件類型選取不同的單元類型。對梁柱構件，ABAQUS 提供了B31、B32 和 B33 3 種單元類型，其中，B31 和 B32 是鐵木辛科梁單元，B33 為歐拉梁單元。但在高等非線性分析中，B33 單元收斂性較差，且計算速度相對較慢。因此，程序僅支持B31 或B32 梁單元導出。

對于剪力墻及樓板單元，采用ABAQUS 提供的縮減積分的殼單元S4R 和S3R 來模擬。S4R 單元性能穩定，而S3R 作為通用殼單元，適用范圍廣，采用2 種單元可以模擬任意形狀的剪力墻或樓板。

對于連接信息，比如，大跨屋蓋彈簧支座以及節點剛性約束等，轉換程序選用CONN3D2 連接單元進行模擬。

對于結構荷載，在進行動力彈塑性分析時，程序自動等效為節點集中質量，在ABAQUS 中通過*Mass 實現。

另外，對于梁柱構件鋼筋，程序采用等效纖維截面法進行模擬【3】。該方法與實體單元中插入鋼筋的方法類似，即將梁截面鋼筋等效為箱型或圓管形鋼梁，并通過共節點的方法實現混凝土與鋼梁之間的共同作用。同樣，對于型鋼混凝土構件，轉換程序也采用類似方法進行模擬，如圖4 所示。

圖4 等效纖維模截面意圖

轉換程序導出ABAQUS 模型信息如表2 所示。

4 轉換程序驗證

4.1 算例1：簡單框剪結構

本算例為一簡單框架結構，其中柱子截面500mm×500mm、400mm×400mm，梁截面 200mm×400mm、250mm×500mm、300mm×600mm，墻厚 200mm、300mm，設置結構構件存在30°和45°不同的截面轉角。利用開發模型轉換程序將Midas/Gen 導入ABAQUS 軟件，2 軟件模型如圖5 所示。從圖中可以看出2 模型完全保持一致。

表2 ABAQUS 模型信息

圖5 框剪結構模型

表3 為2 軟件模型結構質量對比，從表中可以看出，2 款軟件模型質量基本相同。表4 列出了2 軟件模型前6 階振型的周期對比。從對比結果可以看出，2 軟件模型的周期基本保持一致，研發的模型轉換程序準確可靠。

表3 框剪結構模型質量比較

表4 框剪結構模型周期比較

4.2 算例2：空間結構

該空間結構為某體育場館大型看臺雨棚。雨棚采用空間桁架結構體系，為平衡雨棚懸挑側的傾覆彎矩，在雨棚另一側設置預應力拉索。雨棚高度40.2m，最大跨度181.5m，最大懸挑長度37.6m，主受力框架柱截面800mm×1 200mm、PIPE 920mm×25mm 以及PIPE 720mm×18mm，桁架構件采用PIPE 245mm×10mm、PIPE 299mm×12mm 等，拉索采用 D50mm。利用開發模型轉換程序將Midas/Gen 導入ABAQUS 軟件，2 軟件模型如圖6 所示。從圖中可以看出兩模型完全保持一致。

圖6 空間結構模型

表5 為2 軟件模型結構質量對比，從表中可以看出，2 款軟件模型質量基本相同。表6 列出了2 軟件模型前6 階振型的周期對比。從對比結果可以看出，2 軟件模型的周期基本保持一致，研發的模型轉換程序準確可靠。

表5 空間結構模型質量比較

表6 框剪結構模型周期比較

5 結語

1）ABAQUS 作為大型通用有限元軟件，具有強大的非線性功能，但對于復雜建筑結構，其前處理建模煩瑣復雜。為此，本文以AutoCAD 2010 為圖形處理平臺，利用C++研發了復雜建筑結構從Midas/Gen 到ABAQUS 的模型轉換程序，極大地提高了工作效率和質量，對復雜建筑非線性分析具有重要意義。

2）本文介紹了模型轉換程序的關鍵技術，包括模型信息導入方法、結構構件配筋定義以及ABAQUS INP 模型導出等，并通過2 個不同的典型結構算例驗證了轉換程序的準確性、可靠性，為其他類似模型轉換程序的研發提供參考。