一种吊顶三维有限元计算模型的建立与分析方法

本发明涉及有限元模型建立与计算分析领域，尤其是涉及一种吊顶三维有限元计算模型的建立与分析方法。

背景技术：

1、作为非结构构件的重要组成部分，吊顶在学校、医院、办公楼等建筑中应用十分广泛，其中以包含主次龙骨、边龙骨、竖向吊杆以及放置于龙骨构件上的矿棉板吊顶最为常见。吊顶具有良好的美观、保温和隔热性能，但是在地震中易发生构件失效和掉落等破坏现象。吊顶的破坏会引起大量的经济损失、建筑震后使用功能的中断以及人员伤亡。因此，合理地设计吊顶的布置方案、准确地计算吊顶的地震响应、有效地评估吊顶的损伤状态对于减轻地震灾害和提升建筑的韧性水平至关重要。

2、有限元分析计算是评估吊顶抗震性能的重要方法，其核心是根据吊顶的布置参数建立相应的吊顶有限元分析模型。然而，吊顶的平面布置较为灵活，其平面尺寸随着房间面积的变化而变化。吊顶的高度也会受到管线布置的影响，布置方式较为灵活。面对大量的吊顶对象，传统的人工建模方法存在建模效率低下的缺点，因此，传统方法难以对吊顶的抗震性能做出评估。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种吊顶三维有限元计算模型的建立与分析方法，本发明通过将吊顶的构件布置信息进行参数化设定，可实现吊顶计算模型的自动建立；通过实时记录吊顶的加速度、位移和龙骨构件的受力状态，可及时移除失效构件并更新模型；通过获取失效构件的位置和数量，实现对吊顶抗震性能水平的快速评估。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种吊顶三维有限元计算模型的建立与分析方法，基于opensees软件实现，包括以下步骤：

4、s1、根据吊顶的长度、宽度、高度以及面板的尺寸，计算吊杆和各龙骨构件所在的轴线位置和间距，定义龙骨构件、龙骨连接点、吊杆锚固点及面板的坐标；

5、s2、定义吊顶材料信息；

6、s3、定义所述龙骨构件和面板的质量；

7、s4、制定龙骨构件的布置方案，基于所述方案，绘制吊杆、各龙骨构件和面板单元；

8、s5、定义吊顶的边界约束条件；

9、s6、对吊顶进行模态分析，并施加重力荷载和输入地震波；

10、s7、实时监测每个构件的受力状态，将失效构件及时移除；

11、s8、记录吊顶的加速度、位移和龙骨构件的受力状态，统计失效构件的位置和数量。

12、进一步地，步骤s2中定义吊顶材料信息的步骤包括：

13、s201、定义钢材的弹性模量和剪切模量，并定义龙骨构件的截面尺寸；

14、s202、定义龙骨连接点的滞回模型；

15、s203、定义碰撞模型及摩擦模型；

16、s204、定义面板平面内的刚度，并定义面板在竖向地震作用下的运动行为。

17、进一步地，基于pinching4材料模型定义所述龙骨连接点的滞回模型；

18、基于elasticppgap材料定义所述碰撞模型，基于elasticpp材料定义所述摩擦模型；

19、基于elastic材料定义所述面板平面内的刚度，并使用ent材料定义所述面板在竖向地震作用下的运动行为。

20、进一步地，步骤s3包括以下子步骤：

21、s301、所有龙骨构件的质量采用均布线质量进行定义；

22、s302、面板的质量使用点质量进行定义并加在面板的中心点和角点上。

23、进一步地，步骤s4包括以下子步骤：

24、s401、根据构件的位置、截面尺寸和连接方式，模拟吊杆和所有的龙骨构件；

25、s402、模拟所有的龙骨连接点；

26、s403、模拟面板；将面板的角点和相邻的龙骨连接点进行连接并赋予摩擦材料和碰撞材料，以考虑二者之间的相互作用行为。

27、进一步地，使用ealsticbeamcolumn单元模拟吊杆和所有的龙骨构件；

28、使用zerolength单元模拟所有的龙骨连接点；

29、使用twonodelink单元模拟面板；使用zerolength单元将面板的角点和相邻的龙骨连接点进行连接并赋予摩擦材料和碰撞材料。

30、进一步地，步骤s5包括以下子步骤：

31、s501、将吊杆的顶部固结以模拟实际工程中的锚固连接；

32、s502、在吊顶的边界处定义摩擦单元和碰撞单元以考虑边界处的力学行为。

33、进一步地，所述摩擦单元和碰撞单元采取并联连接。

34、进一步地，步骤s6包括以下子步骤：

35、s601、所述重力荷载包括龙骨构件的自重和面板的自重，其中龙骨构件的自重定义均布线荷载，面板的自重采用点荷载的方式施加；

36、s602、定义地震动荷载，包括地震动信息、加载方向和加载幅值。

37、进一步地，步骤s7包括以下子步骤：

38、s701、在每一个分析步下，监测端部节点的位移值，当超过限值时判定其失效并使用remove命令将其移除；

39、s702、在每一个分析步下，监测所有龙骨连接点的位移反应，当超过限值时判定其失效并使用remove命令将该连接点以及附属的龙骨构件和面板移除；

40、s703、在每一个分析步下，监测所有面板的水平和竖向位移值，当面板的水平和竖向位移同时超过限值时判定其失效并使用remove命令将失效的面板移除。

41、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

42、1、本发明提出的吊顶建模方法可快速建立大量的具有不同构造的吊顶三维有限元计算模型，极大地提高了建模效率。

43、2、本发明提出的分析方法可实时监测构件的地震反应并及时移除失效的构件，可更加真实的反映吊顶的地震响应。

44、3、本发明提出的方法可自动统计失效龙骨和面板的位置和数量，实现对吊顶损伤状态的快速评估。

45、4、本发明提出的方法可进一步用于吊顶的参数敏感性分析、易损性分析以及抗震设计工作中。

46、5、本发明提出的方法便于缺乏设计经验的一线工程技术人员快速学习和掌握，具有较好的工程应用前景。

技术特征：

1.一种吊顶三维有限元计算模型的建立与分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种吊顶三维有限元计算模型的建立与分析方法，其特征在于，步骤s2中定义吊顶材料信息的步骤包括：

3.根据权利要求2所述的一种吊顶三维有限元计算模型的建立与分析方法，其特征在于，基于pinching4材料模型定义所述龙骨连接点的滞回模型；

4.根据权利要求1所述的一种吊顶三维有限元计算模型的建立与分析方法，其特征在于，步骤s3包括以下子步骤：

5.根据权利要求1所述的一种吊顶三维有限元计算模型的建立与分析方法，其特征在于，步骤s4包括以下子步骤：

6.根据权利要求5所述的一种吊顶三维有限元计算模型的建立与分析方法，其特征在于，使用ealsticbeamcolumn单元模拟吊杆和所有的龙骨构件；

7.根据权利要求1所述的一种吊顶三维有限元计算模型的建立与分析方法，其特征在于，步骤s5包括以下子步骤：

8.根据权利要求7所述的一种吊顶三维有限元计算模型的建立与分析方法，其特征在于，所述摩擦单元和碰撞单元采取并联连接。

9.根据权利要求1所述的一种吊顶三维有限元计算模型的建立与分析方法，其特征在于，步骤s6包括以下子步骤：

10.根据权利要求1所述的一种吊顶三维有限元计算模型的建立与分析方法，其特征在于，步骤s7包括以下子步骤：

技术总结
本发明涉及一种吊顶三维有限元计算模型的建立与分析方法，本发明通过将吊顶的构件布置信息进行参数化设定，可实现吊顶计算模型的自动建立；通过实时记录吊顶的加速度、位移和龙骨构件的受力状态，可及时移除失效构件并更新模型；通过获取失效构件的位置和数量，实现对吊顶抗震性能水平的快速评估。与现有技术相比，本发明能够快速建立大量的具有不同构造参数的吊顶有限元模型，并可实现对吊顶抗震性能水平的快速评估，该方法极大地提高了吊顶的建模与分析效率，便于缺乏有限元建模与分析经验的一线工程技术人员使用。

技术研发人员：蒋欢军,黄有露,和留生
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13