Code_Aster 对层压木质结构的地震响应进行自动化非线性建模中的应用

关于Code_Aster

Code_Aster是法国电力集团（Electricité de France，EDF）自1989年起自主研发的一款通用计算固体力学开源软件，其中“aster”是法语“用于学习与研究的结构与热力学分析”的首字母简称（Analyse des Structures et Thermo-mécaniques pour des Etudes et des Recherches）。code_aster可以提供全系列的多物理场分析和建模方法，其功能远远超出了标准的热-力计算代码。 该软件包含多种本构关系模型（弹性、弹塑性、弹粘塑性、辐射下的燃料棒和金属等），能够处理线性和非线性问题（接触、摩擦、断裂力学，地震分析等），同时也可被用于土木工程结构的性能分析，微观尺度的晶粒计算，几乎涵盖了核工业涉及的所有固体力学应用领域。该软件的模型、算法和求解器自面世以来一直在不断地提升和完善中。 2008年末，法国电力集团将code_aster与图形操作模块整合，开发出了用户界面友好的开源软件Salome_Meca，使得code_aster在使用代码处理研究数据的基础上，实现了可视化图形操作功能。

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研究背景

本次研究对象木质结构，这种传统材料其实有着显著的各向异性。使用木头制作的交叉层压板（图2），即CLT板同样具有各向异性。CLT板材在两个主方向上有不同的抗弯刚度和平面稳定性，在墙面和地板的建造中都有使用。

图1 木材的各向异性

图2 CLT板的结构

木质结构在地震的整体表现主要由接触和离散的连接结构决定。连接结构对压缩没有反力，但对拉力或剪力有尖锐的响应，并且板与板之间的接触是单边的。

图3 地震对结构的作用方式

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自动化建模方法

蓝色：墙面

黄色：墙间接触面

绿色：墙地板接触面

暗红：地板面

鲜红：角支架（只有抗剪刚度的K_T_D_L 弹簧）

黑色：WC/WFC/FC

        （有抗剪刚度和轴向刚度的K_T_D_L 弹簧）

紫色：拉力构件（只有轴向刚度的K_T_D_L 弹簧）

图5 拉力构件的力学响应

图6 格

模型一共有449个面（61个CLT板），204个有接触和摩擦的边缘，1543个离散元件代表9种连接构件，211个板件连接。所有的组和连接区域都是自动生成的。

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计算结果

线性模型

无摩擦接触

非线性模型

有接触摩擦，μ=0.2

非线性模型

有接触摩擦，μ=0.2

低加速度时的两种建模的差别

（左）直接连接，（右）有接触和摩擦

（左）时变场验证，（右） 累计场验证

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结论与展望

检验的应力场包括：

1. 板子的轴向（压或拉）力与扭矩结合产生的板在纵向的应力；

2. 垂直于板的剪切力产生的纵向剪切应力；

3. 板子的轴向（压或拉）力与扭矩结合产生的板在横向的应力；

4. 垂直于板的剪切力产生的横向剪切应力；

5. 平面内剪切应力取总应力和净扭转剪切应力的较大者。

最终结果由真实比例的实验测试验证。

基于code_aster 的超强能力，使在考虑摩擦的情况下，用自动化结构建模来设计复杂结构得以实现。这些非线性分析结果显著优于线性分析，结构的动态特性在低加速度下也会变化。这些建模方法在未来可以拓展应用于其他结构系统。

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参考文献

Ioannis P. Christovasilis, Lorenzo Riparbelli.Validation & Verification of automated non linear modelling for the seismic response of cross laminated timber structures.