SPC使用说明及实例

SPC使用说明及实例北京迈达斯技术有限公司2013/2/25目录1、SPC使用说明01.1 总述01.2 截面形式:Plane和Line01.3 导入spc步骤及注意事项11.4 SPC功能说明22、 SPC实例演示102.1 混凝土截面102.2 钢箱梁截面132.3 组合截面17附录一 MIDAS/Civil和MIDAS/Gen的标准截面数据库中截面抗扭刚度的计算方法221、SPC使用说明 1.1 总述midas civil工具截面特性计算器SPC是“截面特性值计算器Sectional Property Calculator”的缩写。Civil程序内部提供了很多种截面形式供用户选择，但并非涵盖所有工程截面，同时也为了方便与设计软件CAD的交互操作，可以通过工具中SPC计算截面特性并通过数值截面导入到Civil中，其中数值截面主要有数值任意截面、设计截面设计用数值截面、联合截面组合-一般。SPC截面操作的一般步骤为：导入的AutoCAD dxf文件或者直接在SPC中绘制图形生成截面计算截面特性导出.sec文件。导出的sec文件即可导入到Civil中生成相应截面。1.2 截面形式:Plane和LineSPC中用户可以根据情况选择Plane形式的截面或Line形式的截面来定义截面。 Plane形式的截面 需要在CAD中画出实际截面形状，导入到SPC中，在 Generate section里选择 Plane Type，程序会按照截面形状所指定的范围自动生成截面。计算截面特性值时，程序会通过网格自动生成功能或人为指定网格尺寸在截面的Plane范围内生成网格，之后利用该网格有限元计算截面特性值。程序默认采用的网格密度比较粗，对于一般的混凝土截面来说可以满足精度要求，但对于用Plane模拟薄壁钢梁截面时，需要通过人为指定网格尺寸的方式来提高薄壁截面特性计算的精度。Plane形式截面计算抗扭刚度时，首先利用有限元方法计算Prandtl的应力函数，通过对应力函数进行积分计算抗扭刚度。 Line形式的截面 对于薄壁截面，只需在CAD中画出截面各部分的中心线或轮廓线，导入SPC后可先指定线的厚度生成实际截面形状，然后在Generate section里选择Line Type生成截面。显示Line Type的线必须有厚度，因为程序是利用此厚度计算截面特性的。Line截面的抗扭刚度是根据剪力流(Shear Flow)计算的。另外对于分离式钢结构截面，只能通过Line形式生成截面并计算输出。对于截面厚度特别小的时候，若以Plane截面操作很难在又窄又长的领域内自动生成适当的网格，虽然在截面特性计算对话框里的Mesh Size可以直接指定网格的大小，但是这样会增多网格的个数，降低计算效率，所以薄壁截面尽量使用Line形式截面计算。 图 1-(1) 生成Plane截面的过程 图 1-(2) 生成Line截面的过程 两种截面形式的优劣：a） Plane形式截面可以计算剪切面积SAx和Say，而Line形式截面不能；b） Plane形式截面可显示截面的实际形状，而Line形式截面导入civil后不能显示；c） Plane形式截面可以进行设计验算，而Line形式截面不能；d） Line形式截面定义比较复杂，要求指定每条线的线宽，对于闭合箱体部分必须准确定义闭合曲线，否则抗扭惯性矩计算错误；e） Line形式截面特性计算简便，不会出现计算量大而死机的情况，而Plane形式截面网格划分过细时会导致计算缓慢甚至死机；f） Line形式截面可以模拟分离式截面，而Plane形式截面不能。1.3 导入spc说明及注意事项在SPC中导入Auto CAD DXF文件并计算截面特性时的一般步骤及注意事项，步骤如下： 1、先在ToolsSetting中选择相应的单位体系，要求与DXF中长度单位体系一致，另外DXF的截面必须是在x-y平面内，即所有点的坐标在z轴上的值必须都为0，同时应确保DXF文件中的截面线无重叠；2、FileImportAutoCAD DXF,导入DXF文件；3、在modelcurveinteresect中进行交叉计算，以避免在CAD中存在没有被分割的线段；4、如果DXF文件中有圆曲线且有直线与之相切时，导入过程中因为圆曲线转换为直线，使原来的切线与圆曲线（已转换为多边形）不能相交，此时应使用SPC中延伸的功能使其相交；5、在SectionGenerate中定义截面名称，选择生成截面形式；6、计算特性值。1.4 SPC功能说明1.4.1SPC界面图示选择截面特性激活钝化用户/整体坐标系:操作窗口视图、移动及缩放树形菜单信息窗口绘图及其他快捷操作 图4 SPC的程序的界面构成SPC所提供的各种工具条可以通过ToolsCustomize 来设定是否显示, 并利用鼠标的拖放功能方便地设定其位置。 图5 设定工具条的对话框在树形菜单、工具条、窗口右键菜单里提供了所有与SPC的建模及截面特性计算相关的功能，用户可以很方便地调出各项功能来进行建模和计算。 1.4.2 SPCSetting功能说明设定单位体系、显示/隐藏模型信息、设定颜色等可在工具条里点击 (Setting)， 或者在ToolsSetting 进行设定。 图 6 Setting 对话框 General Unit System：在这里指定单位体系，包括力和长度单位。如果更改单位体系，会出现如下的对话框, 如点击“是(Y)”，所有的数据会按照指定的单位体系而自动的进行换算、更改。 Tolerance：在这里指定长度容许误差。一般情况下，程序会根据设定的单位体系自动进行合理的调整或者手动进行修改。 Display Section截面- Name: 在操作窗口中显示截面名称。-Material: 对于联合截面来说，显示各部分指定的材料。 Curve线- Width: 表示线的厚度。- Label:线的标记，包括线的编号ID、厚度Width、D-Group、剪应力Shear stress Point点- Display:在操作窗口中显示点。 - ID: 在操作窗口中显示点的编号。 Closed Loop闭合 - Display: 在操作窗口中显示封闭曲线。 -Label：线的标记，包括封闭曲线的编号ID、剪力流shear flow。 Coordinate Axis坐标轴 - Display: 在操作窗口中显示当前坐标系的坐标轴。 Color View - Selected Entity: 指定被选择个体的颜色。 - Background: 指定操作窗口的背景颜色。 Closed Loop 指定封闭曲线的颜色。 Curve - Normal: 指定线的颜色。对于有厚度的线指定的是线外轮廓的颜色。 - Width: 指定有厚度的线的厚度部分的颜色。 - Calculated Section 指定完成截面计算后所构成的线的颜色。 通过此颜色可以一目了然的区别是否进行截面特性的计算。 Point - Normal：指定点的颜色。 - Unconnected End：未连接端的节点，没有闭合的曲线端部的节点的颜色- Centroid ：进行截面计算，程序会自动在各截面的形心处生成点。此功能用于指定该点的颜色。1.4.3 SPC选择功能说明 Select :对个体进行选择 或 解除选择。 可以通过点击一个对象进行选择；若对多个对象进行选择，可以按住 Ctrl 键逐个点击对象进行选择或者是通过移动鼠标进行选择在鼠标所设定的四边形的对角线的范围内的全部个体或部分个体会被选择。如若再次点击已被选中的个体，则其将被解除选择。. Previous Selection 前次选择的个体。 Newcomer Selection 选择最新建立的个体。 Select Group 选择在组目录中指定的组所包含的个体。点击 Select Group 图标对其激活后，在组目录中选择所要指定的组，其所包含的个体皆被选中；SPC中主要是将同类的截面放在一个组中，方便查找选择。 注:在使用SPC选择功能时，即使通过窗口选择全部个体，也将根据当前所调出的命令(如修改线宽)，只有适用该命令的个体才能被选中。在当前没有调出任何菜单时可以对全部的个体进行选择。SPC还提供可根据点、线、面各种不同的条件来选择个体的Pick功能：ModelCurve/pointPick。 1.4.4 生成截面选项含义Type ：截面的形式, 指定面(Plane)或线(Line)。选择Plane形式时，可以勾选是否合并为直线“Merge Straight Lines”，合并标准为当直线间角度小于某一值时，默认为2度，可修改。Name ：输入截面的名称，可在Redefine Section里重新指定。 Location：指定截面的位置，在桥梁中经常使用大量的截面，此时可通过Arrange Section, Pick Section 等功能对各截面进行排列、搜索，也可在 Redefine Section里重新指定。 Group：指定截面所属的组，可以在组目录里选择，还可以输入新的组的名称建立组后将其包含在组里。 Section Color：选择截面颜色，可在 Redefine Section里重新指定。 Calculate Properties Now ：在生成截面的同时直接计算截面特性。除了像联合截面生成截面之后需另外计算之外，其他生成截面时直接计算特性值比较方便。也可通过调出 PropertyCalculate 菜单计算截面特性。 1.4.5 截面形心坐标功能截面形心的绝对坐标随着截面位置的变化而变化，因此没有任何意义，有实际意义的是截面内部的相对坐标。SPC为了让用户可以快速的查询形心的位置，对于已计算了截面特性的截面在形心处生成点，如上图中P5红点。调出ModelPointQuery 菜单，可以方便的查询所要查询的位置到形心的距离。例如要计算从左侧下端P2点到形心P5点的距离就可以利用Query Point功能先选择P2之后，会在信息窗口中显示出该点距离形心的距离。 1.4.6 截面特性各项含义截面扭转惯性矩截面惯性矩截面面积、剪切面积截面特性内容包括截面面积A、剪切面积SAx/SAy、截面惯性矩Ixx/Iyy、截面惯性积Ixy、截面扭转惯性矩J及截面四个角点坐标。1.4.7 SPC截面特性输出在SPC里计算的截面特性可以通过以下文件形式输出。 （1）Spc ：propertyexport section: MIDAS/Civil MCT file MIDAS/Gen MCT file Text fileMIDAS/Civil Gen的 MCT文件：此时无法导出具体的截面形状，而是按MIDAS/Civil Gen截面数据库中的“数值”形式建立一个正方形，其边长为截面有效面积的平方根。另外，SPC不提供截面的周长、剪切面积、剪切系数的计算结果，这些值均按0处理。 Text file 文本文件：各种截面特性值在文本文件里以表格形式输出。除输出SPC所计算的截面特性以外，还输出截面抵抗拒(Section Modulus: Z=I/c)。（2）输出sec截面文件：modelsection exportMIDAS Section File或者modelsection composite sectionexport compositeMIDAS Section File（适用于组合截面输出），输出后可以通过数值截面相应表单导入。（3）Fileexport AutoCAD DXF/ Windows bitmap，将在SPC里建立的截面形状输出为DXF格式的文件，在截面的形心位置会自动生成点。1.4.8 SPC应用注意事项 （1）建议优先采用MIDAS/Civil和Gen截面数据库中提供的规则截面 （2）MIDAS/Civil和Gen数据库中提供的PSC截面，当用户输入的截面属于薄壁型截面时，应使用本截面特性值中的Line方式重新计算抗扭刚度，然后在截面特性值中对抗扭刚度进行调整。 （3）MIDAS/Civil和Gen数据库中提供的规则截面的抗扭刚度计算方法参见附录一。对于Plane形式的截面，程序是通过有限元法来近似计算抗扭刚度的。在抗扭问题里使用的近似求解法有Ritz法 (或者Galerkin法)、Trefftz法，所有的近似求解都与实际结果多少有点误差，其特征如下：JRitz JExact JTrefftz ，像SPC一样利用有限元法近似地计算抗扭刚度时，通常使用Ritz法, 故其计算结果有可能比实际的抗扭刚度小，计算结果偏保守。用户可通过加大网格划分密度方法来提高结果的精确度。对于Line形式的薄壁闭合截面，使用modelcurveclosed loopRegister指定闭合，然后再计算截面特性。当线的厚度很小时采用这种方法几乎可以准确地计算其抗扭刚度。但是如果是闭合截面，这种计算方式会导致其抗扭刚度的计算结果随着线厚度的增加而变小，所以对于不是薄壁截面的闭合截面应尽量避免使用Line的方式计算截面特性。 （4）SPC可以在一个窗口里任意的建立很多个截面，并分别进行分析，且可根据名称、位置、截面特性值等可以很方便地对截面进行搜索及排列。 （5）SPC的建模窗口为x-y平面, 构件的纵向为z轴。由SPC计算输出的截面文件或mct文件导入到MIDAS Civil/Gen时，程序会自动转换其坐标轴，即截面坐标轴为y-z平面，杆件纵向为x轴。另外当用户手动在SPC直接画出截面并计算截面特性值时，应注意相对应的坐标轴。 （6）由多个部分构成的Plane截面，程序默认将内部设为非使用区域(参见下图)。这时可利用ModelSection Domain State 功能，将默认的非使用范围设定为使用领域。调出此菜单，选择要定义的截面后点击 Apply 按钮。接下来程序信息窗口会按照选择的截面所包含的各部分的顺序亮显询问是否使用：use this highlighted domain? 如要使用亮显的部分，则在操作窗口中点击鼠标左键(LB)，如不使用则点击鼠标右键(RB)，欲选用全部的领域直接按 Enter 键即可。如下图示左侧为原来内部领域设为非使用时的截面，右侧为所有的领域都设为使用时的截面。另外在设定bond粗体、Italic斜体的过程中如按Esc 键，之后的所有的领域都会按现状保存而停止询问。 （7）若对截面的某些参数进行修改，例如改变其使用区域、旋转截面、修改线的厚度等会使以前计算的特性无效。所以更改之后用户需利用Calculate Properties 菜单重新计算截面特性。 （8）对个体进行激活/钝化时，其所包含的各部分也自动被激活/钝化。例如，激活截面时其所包含的所有的线、点也都会被激活；钝化线时，其包括的所有的点也都被钝化。对于其内部的个体无法单独进行激活/钝化，例如对于截面无法对构成截面的线、点单独进行激活/钝化。这是为了防止用户因错觉而造成操作失误。 2、 SPC实例演示2.1 混凝土截面1、设定单位体系一致:ToolsSetting，导入DXF文件：FileImportAuto CAD DXF, 2、选择Plane形式，生成截面ModelSectionGenerate 3、计算截面特性：PropertyCalculate Section Property，选择生成的截面，设定网格划分条件，点击Apply适用即可。网格划分精度可以通过Mesh Density按钮进行调节，也可通过Mesh Size输入网格划分的尺寸定义，尺寸以不小于最薄截面处厚度的一半为宜。选择Pause after Each Calc.可以在窗口中显示出截面划分的网格单元情况及数目，如上图示。4 列出计算完成的截面特性PropertyList Section Property5 导出截面ModelSectionExport， 首先选择MIDAS Section File截面形式，然后点击File下按钮，弹出另存为对话框，文件名为混凝土.sec，点击保存退出对话框，之后选中计算完毕的截面，点击Apply适用。至此，混凝土箱形SPC数值截面已经生成，可以通过MIDAS Civil 特性截面数值任意截面或MIDAS Civil 特性截面设计截面设计用数值截面导入生成相应截面。2.2 钢箱梁截面 对于薄壁钢结构截面及分离式截面需要通过Line的形式生成截面，故在Auto CAD里需要画出截面各部分中心线或是轮廓线组成的图形，如下图示，红色部分为钢箱梁实际截面形状，蓝色部分为截面各部分中心线组成的截面，也即是后续导入到SPC中的截面。同样采用SPC自带画图功能时，也只需将截面各部分中心线或轮廓线画出即可。1、设定单位体系一致:ToolsSetting，导入DXF文件：FileImportAuto CAD DXF, 2、指定线厚度：ModelCurveChange Width，根据截面各部分实际厚度分别指定其厚度，以顶底板、腹板厚度16mm为例，按Ctrl键依次将顶底板与腹板中心线选中，如图中红色部分所示；Alignment对准方式包含四种选择：Center表示线向左右两侧扩展厚度，Left表示线向左侧扩展厚度，Right表示线向右侧扩展厚度，LeftRight表示线向左右两侧扩展厚度(由向左扩展厚度转变为向右扩展厚度)；Width：输入对话框中选中线的厚度，即选中部分截面的实际厚度，单位与前面设置单位体系一致。 3、指定闭合：ModelCurveClosed LoopRegister，对于闭合截面，需要指定闭合区域，如下图中顶底板和腹板组成的闭合区域，若对于闭合截面没有指定闭合区域会导致截面惯性积Ixy与扭转惯性矩J计算不准确。4、生成截面，选择Line形式， ModelSectionGenerate5、 计算截面特性：PropertyCalculate Section Property，选择生成的截面，无需设定网格划分条件，直接点击Apply适用即可。6、列出计算完成的截面特性PropertyList Section Property 由列出的截面特性可以看到采用Line形式生成的截面无法给出剪切面积SAx、SAy。7、导出截面ModelSectionExport，首先选择MIDAS Section File截面形式，然后点击File下按钮，弹出另存为对话框，文件名为钢箱梁.sec，点击保存退出对话框，之后选中计算完毕的截面，点击Apply适用。 至此，薄壁钢箱梁SPC数值截面已经生成，可以通过MIDAS Civil 特性截面数值任意截面导入生成相应截面。在数值型截面中导入line形式截面时，在截面对话框左下角有截面特性值计算方法的选项，如下图所示“FEM”表示按照截面网格积分法重新计算截面特性，“方程”表示按照薄壁闭合截面简化公式计算截面特性。由于line形式截面无法计算剪切面积，所以需要在导入MIDAS Civil时从FEM格式下读取，然后粘贴到方程格式下。 2.3 组合截面以一钢混叠合梁为例,演示如何进行组合截面的SPC操作，叠合梁截面如下图所示，红色为截面实际形状，下部钢箱梁为薄壁结构，需用Line形式截面模拟，只需画出截面中心线，与混凝土连接部分画出其上缘轮廓线，图示蓝色部分为导入到SPC的截面。连接部分1、设定单位体系一致:ToolsSetting，导入DXF文件：FileImportAuto CAD DXF, 2、指定线厚度：ModelCurveChange Width，根据截面各部分实际厚度分别指定其厚度。钢箱梁腹板、底板厚度为0.016m，竖肋厚度为0.01m，均按照从中心center扩展厚度，可参照钢箱梁实例，在此不赘述；对于混凝土与钢梁连接部分，厚度为0.025m，对于左侧采用right，右侧采用left扩展厚度，如下图示3、指定完厚度后，对于组合截面，需要定义各个部分的材料，Model Material Add，分别输入名称Name 、弹模Modulus of、泊松比Poissons及密度Density，以便后面换算截面特性。 4、生成组合截面，ModelSection Composite Section Generate Composite section，定义组合截面名称Name、组成部分数量N(parts) 及基本材料（Base Material-用来换算截面特性） 5、将组合截面各部分添加到组合截面中：MoodelSection Composite Section Add part to Composite Section ，定义名称并选择相应的材料，指定第1部分为混凝土，截面形式为Plane,如下图示；指定第2部分为钢梁，截面形式为Line，如下图示6、计算截面特性：PropertyCalculate Composite Property，选择生成的截面，设定网格划分条件为0.05m，网格划分主要是为混凝土Plane截面计算所用，直接点击Apply适用即可。7、列出计算完成的截面特性Property Composite Property table，可以分别查看混凝土、钢梁及组合换算截面的截面特性。 8、导出截面ModelSection Composite Section Export Composite Section，点击File下按钮，弹出另存为对话框，文件名为叠合梁.sec，点击保存退出对话框，之后选中计算完毕的截面任一部分，点击Apply适用。 至此，叠合梁SPC组合数值截面已经生成，可以通过MIDAS Civil 特性截面联合截面组合-一般导入，导入时信息窗口会有如下提示，此时需要点击“计算截面特性”重新计算或者手动调整剪切面积及扭转常数。 附录一 MIDAS/Civil和MIDAS/Gen的标准截面数据库中截面抗扭刚度的计算方法 抗扭刚度就是抵抗扭矩的刚度，可用式(1)表示。 (1)且 Ixx ： 抗扭刚度(Torsional Resistance)； T : 扭矩(Torsional Moment Torque)； : 扭转角度(Angle of Twist)。 由上式所示，抗扭刚度就是抵抗扭矩的刚度。它不同于为了计算扭矩作用下的截面剪应力所使用的极惯性矩(Polar Moment of Inertia)。但是当截面形状是圆形或厚板圆筒时，其抗扭刚度与极惯性矩相一致。 开口型截面(Open Section)和封闭型截面(Close Section)的抗扭刚度的计算方法不一致；厚壁截面和薄壁截面的抗扭刚度计算方法也不相同。不存在适合于所有截面类型的计算抗剪刚度的一般公式。 计算开口型截面的抗扭刚度时，首先把截面划分成多个矩形截面，利用式(2)计算每一个矩形截面的抗扭刚度，把每个矩形截面的抗扭刚度值取代数和就可以得到整个截面的抗扭刚度的近似值。 (2) 且 ixx : 划分后的小矩形截面的抗扭刚度； 2a : 划分后的小矩形截面的长边； 2b : 划分后的小矩形截面的短边。 对薄壁封闭型管型(Tube)截面的抗扭刚度可按式(3)计算(参照图1.45)。 (3)且 A ：封闭管的截面面积； ds ：截面任意位置上中和轴的微小