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混合式受约束复合梁的分析模拟方法
摘要：
获得边界条件的精确模拟是非常具有挑战性的，但它是为了表示整个结构的真实行为。近年来，混合模拟已成为地震工程领域中一种有效、经济的模拟真实边界条件的方法。该技术可用于研究由于局部温度升高而在结构系统中可能发生的负荷再分配。在本文中，暴露于火灾的元素将在一个分析中建模(一个三维模型)，其余的结构将在另一个分析中建模(一个二维模型)。这种子结构使结构系统作为一个整体的行为得以被研究。提出了一种混合仿真(HS)方法，并利用OpenFresco和OpenSees软件成功实现。这种方法能够模拟冷结构对受火灾影响的结构元件提供的正确约束。将复合光束的HS分析与无约束或简单支持的版本进行了比较，以突出其行为上的差异。最后，对卡丁顿约束光束试验进行了建模，以证明HS技术的潜力。与测试结果吻合良好，表明HS方法是研究整个结构系统行为的有效方法。
关键词：火灾结构；热机械分析；开放的观点；多尺度建模
1.介绍
有许多不同的有限元软件包可用于商业和研究目的，结构工程界使用的大多数提供了一种有效和廉价的方法来分析暴露在极端事件中的结构的行为，如火灾、地震等。然而，大多数常用的软件都缺乏更多定制的应用程序所需的特性，而且它们不允许开发人员在源代码中实现这些特性。
近年来，许多研究人员关注于在极端事件中模拟结构系统的响应，例如在渐进式崩溃的背景下，或其他通过模拟单个组件无法实现的行为。在三维中模拟整个结构是一个复杂且更需要计算的任务。光束或柱，由于存在的相互作用。与在单一的三维有限元分析中模拟整个结构相比，可以为结构的每个部分耦合两个或更多合适的有限元分析，以实现更灵活和更廉价的大型工程系统模拟。虽然该研究发表在目前的论文特别涉及到暴露于火灾中的结构的有限元分析，类似的方法可以应用于暴露在其他类型的严重载荷条件下的结构，如地震、洪水和爆炸。
本文应用一种新的模拟方法，研究了复合梁的火灾行为，该方法能够将两个或多个有限元分析耦合在一起，以创建一个精确而有效的模拟。精度是通过比较没有子结构得到的溶液和通过实际实验的验证来衡量的。效率是通过将暴露在火灾中的结构单元的高分辨率模型与结构其余部分的降维模型耦合来实现的，而不损失精度。第5节提供了证实这一说法的结果。一种混合模拟(HS)方法已被应用，它涉及到同一有限元程序的多个实例的耦合，但在不同的维度上建模。暴露在火灾中的梁可能会发生很大的变形，需要比结构的其他部分进行更详细的分析。所以，它是使用三维元素来建模的，但结构的其余部分，它仍然保持在
环境温度，使用二维元素建模。OpenSees用于建模所有要耦合的子结构。开源软件使用框架(OpenFresco)作为中间件软件，以实现代码之间的耦合。这项工作的主要动机是创建一个工具，通过利用混合模拟方法，实现系统级的模拟,以模拟火灾下结构的响应。虽然这个想法很简单，但以前没有在纯模拟中尝试过。这种方法的优点是使分析师关注感兴趣的结构元素和建模在一个更高的分辨率(如暴露在火灾或其他极端加载)而建模的其余结构在一个较低的分辨率，足以模拟正确的边界约束条件。这种方法产生了一个非常强大和通用的工具，用于在基于性能的工程环境中高效和准确地模拟在复杂火灾场景下的大型结构系统。在本文中，所开发的工具被用于模拟复合钢和混凝土梁遭受火灾，其中边界约束条件的正确表示是获得准确的模拟行为的关键。大多数复合梁在复合钢架结构中受到轴向和旋转的约束，它们在火灾中的行为在很大程度上取决于约束的性质和大小。在这一领域的大多数研究中，通过进行隔离火灾测试或对单元素的数值模拟，研究了暴露在火灾下的复合梁的行为。对作为结构框架的一部分的暴露在火中的复合梁进行了有限的测试。HS方法用于模拟火灾中约束复合光束的行为，并通过一个良好的参考全尺度测试(卡丁顿约束梁测试)显示，在梁响应和约束模拟测量的约束模拟方面，与实验具有极好的一致性。还模拟了不受约束(简单支撑)复合梁试验，以突出其行为的差异。一般来说，无约束光束在受约束光束之前就会发生失控失效。
2.混合模拟框架
在本文的上下文中，“混合模拟”是指建模结构使用不同的子组件，其中一些可能表示在二维或使用标准有限元元素在一个组装而需要更集中的领域建模使用更复杂的元素(三维元素)在另一个组装。这两个程序集都使用中间件软件进行交互，例如OpenFresco。不同的子组件在有限元分析求解程序的每个时间步长中都会相互作用。在混合仿真中，通常选择其中一个组件作为解决完整结构的主组件，而选择其他组件作为从组件。每个从程序可以在主程序中建模为超级元素，主程序可以建模为从程序中的适配器元素，以便使用中间件软件在接口自由度上连接。
在一般的混合模拟设置中，主组件实现了从组件上的边界条件，而从程序将反作用力返回给主程序。在界面自由度上从主组件转移到从组件的边界条件可以定义为位移和旋转。需要一个中间件软件来通过超级元素和适配器元素来连接主程序和从程序。这种软件解决了诸如数据存储、通信方法、系统控制、优化和数据转换等问题。本工作中使用的中间件是OpenFresco。OpenFresco软件最初是用于执行混合测试(也称为混合模拟)，其中实验室中的物理样品与FE软件连接以执行测试，但在本文提出的研究中，它被用于简单地连接两个FE模型。
其他研究人员已经使用了各种其他的方法来在主程序集和从程序集之间交换数据。大多数研究人员都使用了一个耦合代码之间的文件交换系统，它的工作方式如下。在第一步中，启动主代码来计算连接节点上的试验位移和旋转，这些响应存储在数据文件中。在下一步中，通过提供所需的参数i来启动从属程序e，用位移和旋转来计算反作用力。一旦对当前步骤的分析完成，来自从属程序的结果也将存储在数据文件中。最后，将反作用力反馈到主代码中，以计算新的位移和旋转。
在这里提出的方法中，数据是在超级元素和适配器元素的帮助下进行交换的。这些元素一旦实现到它们各自的程序集中，数据通信就由OpenFresco管理。使用这种方法，主程序代码和从程序代码可以一起运行，而不需要停止和重新启动，从而提高计算效率。
子结构化技术在过去也被用来减小离散化的规模。在以前的实践和这里提出的方法之间有两个基本的区别。第一个区别是，本文中的方法在两个子组件i中都使用了两种不同的元素类型e。一个组件中的二维束柱元素，预计表现线性，另一个组件中的三维壳元素，预计表现非线性。而在以前的子结构化过程中，所有的子组件都使用相同类型的元素(三维元素)进行建模，并在接口节点上组合在一起。第二个区别是，子结构的元素矩阵在每个积分步骤后不会更新，整个分析过程都使用分析开始时计算的元素矩阵。然而，在HS中，每个子组件的矩阵在每个积分步骤中都被计算和更新。HS方法还允许用户耦合两种不同的软件i，e。Abaqus和OpenSees都使用了这两种软件的特殊特性。
以往关于混合模拟应用于火灾结构研究的研究较少，目前已经建立了一个子结构过程。他们为两个组件使用了二维梁柱元素来建立子结构过程。该过程旨在与真实的物理样品进行混合试验。在以往的所有研究中，物理试件均被理想化为二维梁柱元件，并通过子结构过程与二维结构的其余部分进行连接。为了验证子结构过程，在不使用子结构过程的情况下，对整个结构进行单一分析建模，得到了相同的结果。在本文的研究中，物理样品被一个详细的三维模型所取代，该模型使用壳元素建模。三维模型连接到结构的其余部分(使用二维梁柱元件建模)，以使用HS技术分析火灾中的整个结构行为。这种类型的模型，其中使用了两个不同的维度元素，如果不耦合两个模型，在单一的分析中是不可能的。因此，耦合技术是通过三维模拟从装配和二维模拟主装配来定制的。这种耦合导致了一个降维的混合模拟。降维分析的想法是有用的，因为它对比其他部分更详细的建模部分结构是有益的，比如在多尺度模拟中。在多尺度建模中，系统的一部分使用更精细的网格进行详细建模，其他部分使用更粗的网格进行建模，所有部分同时相互作用来描述系统。在本文中，由于暴露于火灾载荷下，结构的一部分预计表现为非线性，因此需要进行更详细的研究(i，e.在三维中)，而其他预计不会经历高强度载荷的结构可以在二维中建模。这就优化了模型的效率，而不会影响对极端载荷部分分析的准确性及其对整体结构响应的影响。
2.1 OpenSees和OpenFresco
OpenSees，地震工程模拟的开放系统，是一个用于模拟应用的软件框架，最初用于地震工程应用，使用有限元方法。它最初是由加州大学伯克利分校的开发的，后来由爱丁堡大学的研究人员扩展到进行结构火灾分析。OpenSees是一个面向对象的软件，用C 语言实现，通过一个开源的开发过程，并使用“Tcl”脚本语言作为平台。这是一个合作项目，正在不断开发的众多研究人员。在全球范围内，像OpenSees这样的协作框架可以是一个有价值的工具，因为它提供了一个标准的程序开发环境，从而优化了结构性工程解决问题的策略。除了快速的计算能力之外，使用这个具有混合模拟功能的有限元软件的主要优势在于，它还可以通过中间件软件OpenFresco将OpenSees直接连接到任何混合模拟设置。此外，面向对象和开源的方法允许任何开发人员添加组件，以满足他们在工程研究的特定领域的特定需求，并同时向潜在用户传播开发内容。OpenSees采用单向或顺序耦合方法模拟火灾暴露结构的响应，首先分析规定的火灾暴露对结构构件的传热，并将温度历史数据应用于结构分析，考虑热致应变和考虑温度相关的材料特性。在本研究中，从测试中获得的温度被直接应用于进行结构分析。
2.1.1 OpenSees中的火灾模型和传热分析
OpenSees热中提供了越来越多的火模型。对于假设室内气体温度均匀的火灾场景，可以使用标准火灾和参数火灾等模型来定义气体温度的演化，这通常对于小室内被认为是合理的。近年来，大型车厢的局部燃烧和旅行火灾行为引起了越来越多的关注。局部火灾模型已在欧洲规范和结构消防工程(SFPE)手册中提供，旅行火灾模型已开始出现在该领域的技术文献中。这些先进的火灾模型是基于在结构构件暴露表面的所有空间坐标上应用热通量的时间历史，从而充分表征与任何给定的火灾场景相对应的结构上的热负荷需求。
通过传热分析，可以计算出火灾暴露对结构构件的热影响。OpenSees中的“传热”模块可以运行一维到三维传热分析。传热模块的基本架构遵循原始的OpenSees约定，该约定将模型对象(传热节点、元素和边界条件)存储在一个热传输域中，并在热传输分析对象中执行计算。还为传热分析也提供了Tcl脚本命令，它利用网格工具将结构构件或部分离散为传热节点和元素。常用的结构材料，如钢和混凝土，已被添加到材料库中。
2.1.2 OpenSees中的热力学分析
当从传热分析中获得的温度应用于结构的不同位置并进行应力分析时，这种类型的分析被称为热机械分析。对三维结构模型中的结构使用梁柱(或框架)单元或壳单元，或使用两种类型的结构进行热力学分析(多尺度模型)。其中材料、部分强制变形、元素和元素荷载都是抽象类(基类)。框架元件可以根据位移插值或力插值来表示，而其横截面被离散成许多与单轴材料模型相关的纤维。一系列结构材料模型添加到单轴材料中采用欧洲规范的温度相关材料特性。热机械外壳元件(MITC4和NLDKGQ)开发了一个薄板模型，如梁法兰和混凝土板。两种壳元件都采用层状板段，可以简单地定义为五层一致材料的膜板纤维段热，或先进的层状壳纤维段热，每一层接受不同的层数和不同的材料类型。目前，壳元件的多轴材料(ND材料)是具有刚度退化和热伸长的弹性模型(弹性材料热)、定义为钢筋网(平板材料热)或平面应力层(J2塑性热)和混凝土损伤塑性模型的平面应力形式的钢模型(CDP计划压力热)。
2.1.3 OpenFresco
在OpenFresco程序中使用的混合仿真(HS)体系结构是基于主从体系结构的。主变量由一个有限元分析表示，在本例中可以在OpenSees中实现。OpenFresco包括四个不同的软件类(括号中有缩写)：实验元素(扩展元素)、实验站点(扩展站点)、实验设置(扩展设置)和实验控制(扩展控制)。OpenFresco促进了主程序集和从程序集之间的数据存储、转换和传输。在这个工作中，从属程序也由一个OpenSees分析来表示。OpenFresco扩展元素是OpenSees中元素类的一个子类，它是OpenSees和OpenFresco之间的通信链接。然后，扩展元素类与ExpSite类进行通信。在本文描述的混合模拟中，ExpSite简单地执行扩展元素和扩展设置之间的结构数据传输。扩展设置会在OpenFresco中的实验元素
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