midas civil文件1结构分析理论

MIDAS/Civil中的数值分数值分析模例如，对桥梁的主梁建立数学模型时，不使用板形单元（平面应力单元或板单元），（）所谓的有限元（FiniteElement)就是用分析模型数据表达结构构件特性的元素，坐标系和节 (GlobalCoordinate (ElementCoordinate (NodelocalCoordinate全局坐标系是XYZ三轴满足右手螺旋法则的空间直角坐标系(ConventionalCartesianCoordinateSystem)，用大写X、Y、Z的方向。通常利用该坐标系表达节点坐标、节点位移、节点反力及相关于节点的全局坐标系是用来确定所分析对象结构空间位置的坐标系统。启动MIDAS/Civil软件，在系统界面视窗区，将自动生成基准点(ReferencePoint)即全局坐标与全局坐标系的Z参照“CIVIL学分析

单元坐标系也是由x、y、z直角坐标系统，可用小写x、y、z方向。节点坐标系也是由x、y、z直角坐标系统，可用小写x、y、z向。任意节点(XiYi坐标系基准（原点1.1全局单元种类及主要考虑事桁架单元(Truss只受拉单元(Tension-onlyElement,包含Hook能索单元(Cable只受压单元(Compression-onlyElement,含Gap能BeamElement/TaperedBeam平面应力单元(neStress板单元(te平面应变单元(2DneStrain2DAxisymmetric空间单元(Solid桁架单元(Truss由2个节点构成的桁架单元是属于“单向受拉-受压的三维线性单元(Uniaxialpression3DLineElement)”，它只能传递轴向的拉力和压力。通常利用该单元做空间桁架结构(SpaceTruss)或交叉支撑结构(Diagonal桁架单元的两端各有一个沿单元坐标系的x它具有两个自由度单元坐标系的xy、z架截面在视窗上的方向。为便于用户使用MIDAS/Civil可利用β表示单元坐标系的y,轴方向在CIVIL件里，所等

（参照1.2）元坐标系的xZ，β是系的x坐标系的x系的Z轴不相互平行时，β角是全局坐标系的Z轴与单元坐标系的x-z轴所构成X’:通过节点N1平形于全局坐标系X轴的轴Y’:通过节点N1平形于全局坐标系Y轴的轴Z’:通过节点N1平形于全局坐标系ZGCS局坐标竖直构件（单元坐标系的x轴平行于全局坐标系的Z轴GCS-全局坐标水平或倾斜构件（单元坐标系的x轴与全局坐标系的Z轴不相互平行1.2β概Create 输入单 Pretension *箭头指向为正“+”单元坐标系y单元坐标系z单元坐标系zx图1.3桁架单元的单元坐标系及单元的输出内力（应力）符号规1.4桁架单元的单只受拉单元（Tension-only由2个节点构成的该单元是属于“只受拉3维线性单元(Tension-only3DLineElement)”，它只能传递轴向拉力。通常利用该单元做抗风支撑(WindBrace)或吊钩(HookElement)等构件的受力分析。Truss在桁架系统里，对只承受拉力的桁架可以利用该单元作结构分析 施加拉力之前具有一定的初始间隙(HookDistance)，加拉力变形达到初间距以后开始承受荷载的构件,可以利用该单元作结构分析。初始间隙初始间隙应该熟练掌初始间隙初始间隙 ControlData”内（a）Truss (b)Hook1.5单元自由度及单元坐标反复计算(Itive的非线性分析时，为了精确地计算随荷载的大小变化而改变的结构刚度值起见要反复进行计算，最后达到满足收敛条件为止。把这一过程称之为Iysis

MainControlData 反复验算(I Pretension 索单元(Cable2受拉3单元(Tension-only3DLineElement以作随张拉力大小的改1.6

1/

sag1/2L2EAL

12T3

, 2其中 E:弹性模 A:截面面L:长 w:单位长度重T:弹性悬索结构(ElasticCatenaryCableMIDAS/Civil软件里，作几何非线性分析时，索单元的切线刚度可按下述方法计如图1.7其中i⊿1、⊿2、⊿3j的位移是⊿412345612345⊿5、⊿6，节点力由原来的F0F0F0F0F0F0增加到FFFFF12345612345F4F5

(假

0lxlx014f(F1,F2,F3图1.7弹性悬索单元(CableElement)的切整理成荷载和变形的关系，就可已得到柔度矩阵([F])，而柔度矩阵的倒数就是刚度矩阵([K])。悬索结构的刚度并不是计算就可得到的，它是通过多次dl=fdF+fdF+f

1

2 dlgdFgdFg

1

dlhdFhdFh

1

fFdl dF 3 f x 1

g

dlyFdF2

F

f23dl dF

3 fz 3

h

33 F 3 dlxdF 2

Kdly,(KFdF dl3 zf

1 11 w ffF1F2 wB2FwLBA22f

L0

F3A wB2FwLBA2FA 3fgfgL01 w fgF2 f

hF111 wBAhF2 fh

1F3wL0F3 w A AF2F2F21/2,BF2F2F dFKT F1 6 F2 6 F3 F(其中,K

6

ij F 1 ij

6F

2

6F

3

6只受压单元（Compression-only23单元(Compression-only3DLineElement)”,它只能传递单元的轴向压力。做接触界面及边界部位建立计算模型Truss在桁架结构里，对只承受压力的桁架可以利用该单元作结构分Cap施加压力之前具有一定的初间距(CapDistance)，施加压力变形达到初间距以后开始承受荷载的构件,可以利用该单元作结构MainControlDate反复验算(Itive Pretension 初始间隙（a）Truss应该熟练掌握On-lineManual“CIVIL能>ysis>MainControl初始间隙(b)Gap1.8及概梁单元（Beamprismatic3DBeamElement)”，它具有拉、压、剪、弯、扭的变形刚度(依据TimoshenkoBeamTheory)。当梁截面面积沿长度范围内不发生变化(PrismaticBeamElement)时，把一个截面面积(Section)输入到窗口；当梁截面面积沿长度范围内发生变化(Non-PrismaticBeamElement)时，把梁两端的两个截面面积输入到窗口。参考On-line上“CIVIL

利用MIDASI/Civil软件分析变截面梁时，截面面积、有效抗剪截面及截面的抗扭刚度都看作是x(LinearVariation)。而横截面面积对该截面的主的线性移动位移和三个方向的旋转位移，因而每一个节点具有6自由度。Create BeamEnd BeamEnd ElementBeam 输入梁荷载（作用于梁上的集中及均布荷载LineBeamLoads AssignFloorLoads PrestressBeamLoads Temperature *（+）

单元坐标系的x单元坐标系的z

.3/4.3/4单元坐标系的y

1/4

2/4位图1.9梁单元的单元坐标系及单元内力（或应力）符号规图1.10梁单元的单元内力及单元应力的输平面应力单元（neStress这是由同一平面上的3或4个节点构成的平面应力单元（3D neStressElement)。该单元只能承受平面方向作用力，利用它可以建立在单元内均匀厚度的薄板平面应力单元应用了非协调性的等参数平面应力表达形式（Isoparametric StressFormulationwith patibleModes)因此，在厚度方向上不存在应力，该方向上的变形可利用泊松比(Poisson平面应力单元的自由度是以单元坐标系为依据，每一个节点只具有x、y方向的平面应力单元的单元坐标系是x、y、z三轴构成的，是满足右手螺旋法则的空间直角坐标系系统，其方向如图1.11所示。这时单元中心为原点，拇指指向为z轴。以节点N1和N4的连线中心点为起始点，节点N2N3的连线的中心为终点，连接该两点的方向定义为x轴方向，依据右手螺旋法则垂直于x轴的方向定义y轴。对于三角形单元，依三角形中心为原点平行于N1、N2两点的连线方向为x轴，按右手螺旋法则定义剩下的y轴z轴。单元坐标系z轴（垂直于单元平面输入单元时的节点平面内垂直于x）中单元坐标系x(N1toN2四边形单元的单元坐标单元坐标系z轴（垂直于单元平面输入单元时的节点顺序单元坐标系y轴（单元平面内垂直于轴单元坐标系x轴（中 N1到N2方向三角形单元的单元坐标图1.11平面应力单元的布置及单元坐标Create 输入单 Pressure 边边线编号边线编号边线编号边线编号图1.12连接节点及单元中心的单元应力是在单元的积分点(GaussPoint)上计算应力后按外*输出的单元内力依据单元坐标系，箭头指向为正（+）单元中单元中（a）四边形单元的节点单元中（b）三角形单元的节点内图1.13平面应力单元在连接节点上(a)轴向应力及剪应力成 (b)主应力成σx:单元坐标系上x轴方向轴应σy:单元坐标系上y轴方向轴应τxy:单元坐标系上x-y平面上的剪应σσσ2 22σσ2 22σ1σσ2 22 最大剪应力

y+σσσσ2 222θ:最大主应力的方向对单元坐标系的x轴向的夹(σσσ(σσσ+σ22 1 图1.14平面应力单元的应力输出值及符号规图1.15平面应力单元的单元内力及单元应力输平面应变单元 neStrain单元利用了等参数平面变形理论(IsoparametricneStrainFormulationpatibleModelsMIDAS/Civil软件要求把单元设在x-z平面上，单元的厚度将自动生成为1.0(单位厚度)，见图1.16所示。度方向上的应力值可按泊松比(PoissonEffects)计算。1.0位厚平面应变单1.16单元的厚MIDAS/Civil软件里，平面应变单元的单元坐标系是用来计算软件内部的单元刚度矩阵的。同时软件在后处理模式(Post-processingMode)中可以利用单元坐标本单元的自由度是以全局坐标系为基准，单元的每一个节点X、Z轴方向的平面应变单元的单元坐标系是x、y、z三轴构成的，是满足右手螺旋法则的空间直角坐标系，其方向如图1.17所示。这时单元中心为原点，拇指指向为z轴。以节点N1和N4的连线中心点为起始点，节点N2N3的连线的中心为终点，连接该两点的方向定义为x轴方向，依据右手螺旋法则垂直于x轴的方向定义y轴。单元坐标系上的y（在单元平面内垂x轴输入单元时使用的节点顺单元中

单元坐标系上的x单元坐标系上的z（垂直于单元平面）全局坐标

(a边形单单元坐标系上的y轴（在单元平面内垂直于x轴输入单元时使用的节点顺单元中

单元坐标系上的z轴（垂直于单元平面单元坐标系上的x(从N1节点到N2节点的方向全局坐标(（b)三角形单图1.17平面应变单元的布置、单元当采用平面三角形单元时，以三角形中心为原点平行于N1、N2两点的连线方向为Xy轴z。Create 输入单 Pressure 1.18为沿垂直于单元边长输入的单元受压荷载，该荷载是作用在单位宽边边线编号边线编号边线编号边线编号全局坐标1.18平面应变单元的压力荷单元内力输连节点及单元中心的单元应力是在单元的积分点(GaussPoint)上计算应力后按外*输出的单元应力依据单元坐标系，箭头指向为正（+）（a）轴应力及剪切应 （b）主应σxx单元坐标系上x轴方向轴向应力σyy单元坐标系上y轴方向轴向应力σzz单元坐标系上z σσ单元坐标系上 I=σσσ1σ2σ3123 I=σσ 2I=2

σxz

II

σ,σσ 1θ单元坐标系的x-y平面上，主应力的方向对x1 =maxσ1σ2σ2σ3σ3σ1

12(σ12(σσ)(σσ)(σσ222

:OctahedralNormalStress1(σ+σ+σ

19(σσ19(σσ)(σσ)(σσ222

图1.19平面应变单元的图1.20平面应变单元的单轴对称单元(2DAxisymmetric一般事当结构的形状、材料、荷载条件都对称于某一个轴时(pe、ylndrcleslody、e)，可采用轴对称单元作结构分析。本单元也是依据等参数表达式理论(soameicoulio)32维平面的单元。利用MIDAS/Civil软件分析轴对称结构时，把对称轴定义为全局坐标系的Z轴，把单元定义在X-Z平面的Z轴右侧的平面上。此时，半径方向就是全局坐标系的X轴，所有节点的X坐标值取为正值(X≥0)。变(XY,YZ)及剪应力(XY,YZ)Z(旋转轴1.0radian单位1.0radian单位宽度(半径方向1.21轴对称单元的单元厚MIDAS/Civil软件里，平面应变单元的单元坐标系是用来计算软件内部的单元刚度矩阵的。同时软件在后处理模式(Post-processingMode)中可以利用单元坐标本单元的自由度是以全局坐标系为基准，单元的每一个节点X、Z轴方向的x、y、z三轴构成的，是满足右手螺旋法则的空间直角坐标系统，其方向如图1.22所示。这时单元中心为原点，拇指指向为z轴。以节点N1和N4的连线中心点为起始点，节点N2N3的连线的中心为终点，连接该两点的方向定义为x轴方向，依据右手螺旋法则垂直于x轴的方向定义y轴。对于三角形单元，依三角形中心为原点平行于N1、N2两点的连线方向为x轴，按右手螺旋法则定义剩下的y轴z轴。单元坐标系上的y（在单元平面内垂直于x轴输入单元时使用的节点顺单元坐标系上的x单元坐标系上的z（垂直于单元平面）单元中全局坐标

四边形单单元坐标系上的y轴（在单元平面内垂直于x轴输入单元时使用的节点顺单元坐标系上的z轴（垂直于单元平面单元中

单元坐标系上的x(从N1节点到N2节点的方向全局坐标（b）角形单图1.22轴对称单元的布置、单元坐标系及节点内Create 输入单 Pressure 1.23为沿垂直于单元边长输入的单元受压荷载，该荷载是作用在单位宽度边线编号边线编号 边线编号边线编号全局坐标图1.23轴对称单元的压力荷全局坐标系1.24说明单位块体（Segment）在单元坐标系的轴向及主应力方连节点及单元中心的单元应力是在单元的积分点(GaussPoint)上计算应力后按外*输出的单元应力依据单元坐标系，箭头指向为正（+）轴应力及剪切应 （b）主应σxx单元坐标系上x轴方向轴向应力σyy单元坐标系上y轴方向轴向应力σzz单元坐标系上z σσ单元坐标系上 I=σσσ1σ2σ3123 I=σσ 2I=2

σxz

II

σ,σσ 1θ单元坐标系的x-y平面上，主应力的方向对x1 =maxσ1σ2σ2σ3σ3σ1

12(σ12(σσ)(σσ)(σσ222

:OctahedralNormalStress1(σ+σ+σ

19(σσ19(σσ)(σσ)(σσ222

1.24轴对称单元的输出应力值的符号规1.25轴对称单元的单元内力输1.26轴对称单元的单元应力输板单元 te此本单元是由同一平面上的3到4个节点构成的平板单元（teElement)，在工MIDAS/Civil软件所采用的板单元，根据平面外刚度不同可以把单元划分成薄板单元DKT、DKQ(DiscreteKichhoffElement)和厚板单DKMT、DKMQ(DiscreteKirchhoff-MindlinElement)两种。其中，根据KirchhoffteTheory理论开发了薄板单元；依据Mindlin-ReissnerteTheory理论开发了厚板单元。由于板单元考对三角形板单元，利用线性应变三角形理论LST(LinearStrainTriangle)化了板单元的平面内刚度。对四边形板单元，利用了等参数平面应力理论(IsoparametricneStressFormulationwith patibleModes)化了单元的平输入板厚的方式有两种，一是为计算平面内的刚度(In-neStiffness)输入板厚，另一是为计算平面外的刚度(Out-of-ne-Stiffness)输入板厚。当计算结构的自重板单元的自由度是以单元坐标系为基准，每个节点具x、y、z轴方向的移动的线性位移自由度和绕x、y轴旋转的旋转位移自由度。x、y、z三轴构成的，满足右手螺旋法则的空间直角坐标系。单元坐标系的方向类似于平面应力单元的坐标系统（见图1.27所示）。Create 输入单 Pressure 单元坐标系z轴（垂直于单元平面输入单元时的节点平面内垂直于x）单元中单元坐标系x(从N1N2的方向四边形单元的单元坐标单元坐标系z轴（垂直于单元平面输入单元时的节点顺序单元坐标系y轴（单元平面内垂直于轴单元中

单元坐标系x轴（N1到N2方向三角形单元的单元坐标图1.27板单元的单元内力输节点和单元中心的应力是把在该单元积分点上(GaussPoint应力按外推法在节点和单元中心处，单位长度内力符号规定见图1.29所示，其中箭头指在节点和单元中心处，输出的单元应力可分为截面上部(TopSurface)单元单单元中四边形单元的节点内单单元中三角形单元的节点内图1.28板单元的各节点处的内力输出位置及符号规输出的单元应力依据单元坐标系，箭头指向为正（+）中中中中:输出的单位长度内力输出内力位主轴夹主轴夹在内力输出位置上单位长度内作用的平面外弯图1.29板单元的单位长度内力输出及符号规输出的单元应力依据单元坐标系，箭头指向为正（+）单元中:单元应力单元中（上/下截面单元中心和应力输出位σx单元坐标系上xσy单元坐标系上yτxy单元坐标系上x-yσσ2 y22σ1σ2

y+σ2σ2 y22σσ2 y22

θ最大主应力的方向对单元坐标系的x(σσσ(σσσ+σ22 1 输出应力值的符号规图1.30板单元的单元应力输出位置及输出值的符号规1.31板单元的单元内力输1.32板单元的单元应力输本单元是分别利用4个节点、6个节点和8个节点构成3维实体单元(SolidElement)。实际工程中可以利用实体单元做实体(SolidStructure)结构和厚板壳(ThickS)结构的受力分析。该单元可以有三角形锥体、三角形柱体和6面体等立体形状，而实体单元应用了非协调性等参数理论(IsoparametricFormulationwith MIDAS/Civil软件里，平面应变单元的单元坐标系是用来计算软件内部的单元刚度矩阵的。同时软件在后处理模式(Post-processingMode)中可以利用单元坐标该单元的自由度是依据全局坐标系为基准，每个节点具有X、Y、Z轴方向的线实体单元的坐标系是x、y、z三轴构成的，是满足右手螺旋法则的空间直角坐标系。它是以单元的中心为原点，把编号为1的平面看作是板单元时，该单元的1.334个节点、6个节点8个节点等3种实体单元。这里节点号是由N1开始到最后依次按顺序编制的平面编号平面编号平6平面编平面编平面编号平面编号8个节点单元平面编号2(由N4、N5、N6构成的平面编号平面编号平面编号

平面编号

平面编号

平面编号平面编号1（由N1、N2、N3构成的三角形

平面编号6个节点单元 (c)4个节点单元1.33三维块体单元的种类及节点符单元相关功Create 输入单 Pressure 箭头指向为正（+）编号为2的平面上作用的荷

编号为1的平面上作用的荷图1.34作用于三维实体单元表面上的压力荷单元内力输节点和单元中心的应力是把在该单元的积分点(GaussPoint)上计算得出的应力按外推法(Extrapolation)推算出而得到。输出的单元内力依据全局坐标系，箭头指向为正（+）全局坐标图1.35三维实体单元的节点的内力输出值及符号规(a)轴向应力和剪应 (b)主应σ单元坐标系的xσσσσσσ单元坐标系的x-z轴方向的剪应力σσ单元坐标系的x-y轴方向的剪应力σσ单元坐标系的y-z轴方向的剪应力σσI=σσ这里,σI=σσI=

σIσσσσσIσσσσσσσσσσ =maxσσ,σσ,σσσσ

12(σ12(σσ)(σσ)(σσ

1σστ

:OctahedralNormalStress19(σσ19(σσ)(σσ)(σσ

(σ+σ+σ图1.36三维实体单元节点应力输出位置及输出值的符号规图1.37三维实体单元内力1.38三维实体单元单输入单元时考虑的主要事在“Civil数学分析模型”的理论说明中已经论述到“所谓的结构分析就是为了如果对整体结构作结构的振型分析，为了防止由于局部振型(LocalMode)而影响结构的分析精度，通常简化结构的数学模型。特别是在结构的初步设计阶段(PreliminaryDesignPhase)，应该把重点放在计算整体结构的刚度上，把整体结对线单元（如桁架单元、梁单元…等)而言，单元的大小不影响结构的计算结果；（）(tor)计算应力时，单元选用4节点单元（平面单元）8节点单元（实体单元）。这时单元的形象比选用1：11：4。理想单元形状是对矩形单元而言其内夹角为90º，对三角形单元而言其内夹角为60º。单元的形状在不得已时，四边形单元的内夹角可以做到不得小于45º同时不得大于135º，三角形单元的夹角不得小于30º同时不得大于150º。时，高差值对四边形长边之比不得超过1/100。桁架单元、只受拉单元、只受压单的交叉支撑(WindBracing)结构的受力分析。(ContactElement)作结构分析。对承受预应力的结构可以利用预拉荷载(Pretension其他无旋转自由度的单元之间的连接点上，将可能发生奇异(SingularError)。MIDAS/Civil软件为了防止发生这一错误，将自动锁定相应的旋转自由度。1.39a为荷载作用在结构平面时，由于不存在平面内的旋转刚度，导致该结构荷荷荷荷荷(aX-Z面上(b)在Y-Z上(c)在Y-Z面上荷载沿X轴方向作荷载沿X轴方向荷载沿X轴方向作图1.39梁单元（只受拉或只受压单元）形成的不稳定梁单在工程中通常利用梁单元作等截面或变截面(TaperedMember)的细长（构件长度远大于截面尺度）受力分析。由于梁单元上的每个节点都有6个自由梁单元上作用的荷载有跨中集中荷载、分布荷载、温度荷载及考虑预应力荷载对梁结构建立有限单元时采用了TimoshenkoBeamTheory（梁变形以前垂直与构该理论考虑了梁的剪切变形的影响。当截面边长大于梁轴长度的1/5时，剪切变“CIVIL的功mEndRelease”

参照On-lineManual上“CIVIL的功能

直接利用截面的极惯性矩(PolarMomentofInertia)计算（而圆形、圆筒形截面的接处的刚性域(PanelZone)效果以及构件之间的中和轴偏离影响效果等。若想要考虑到这些效果的影响，可以利用BeamEndOffset功能或采用调整几何约束条件的构件的截面是非均一性截面(Non-prismaticSection)时，可以采用阶段变形截面(TaperedSection)。当构件是曲线梁时，增加划分单元的个数，减小每个单元的长当梁端部是铰连接(PinConnection)或利用槽孔(SlotHole)连接时，应利用程序的释放梁端约束(BeamEndRelease)功能，以满足节点的实际约束条件。生奇异(SingularError)，应给予注意。为了防止这种错误的发生，可在该方向上主梁构释放旋转自由主梁构次梁构主梁构次梁构槽孔(Slot柱构(a)铰连接(Pin (b)槽孔(SlotHole)