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1、MIDAAS 培训资资料第一章 关于MIIDASS/Ciivill1.1 miidass软件/CCiviil简介介MIDAAS系列软软件是以以有限元元为理论论基础开开发的分分析和设设计软件件。早在在19889年韩国国浦项集集团成立立CADD/CAAE研发机机构开始始专门研研发MIDDAS系列软软件，于于20000年9月正式式成立Infformmatiion Tecchnoologgy CCo., Lttd.(简称MIDDAS IT)。目前MIDDAS系列软软件包含含建筑（Gen），桥桥梁(Ciivill)，岩土土隧道(GTTS)，机械(MEEC)，基础(SDDS)，有限限元网格格划分(FXX+
2、)等多种种软件。在计算机机技术方方面，MIDDAS/Civvil所使用用的是客客体指向向性计算算机语言言Vissuall C+，因此此可以充充分地使使32bbit视窗环环境的优优点和特特点得到到发挥。以用户户为中心心的输入入输出功功能使用用的是精精确而且且直观的的用户界界面和尖尖端的电电脑图形形技术，从从而为考考虑施工工阶段或或者材料料时间依依存性的的土木建建筑物的的建模和和分析提提供了很很大的便便利。在结构设设计方面面，MIDDAS/Civvil全面强强化了实实际工作作中结构构分析所所需要的的分析功功能。通通过在已已有的有有限元库库中加入入索单元元、钩单单元、间间隙单元元等非线线性要素素，结
3、合合施工阶阶段、时时间依存存性、几几何非线线性等最最新结构构分析理理论，从从而计算算出更加加准确的的和切合合实际的的分析结结果。建模技术术采用的的是自行行开发的的新概念念CADD形式的的建模技技术，可可以更加加提高建建模效率率。特别别是由于于拥有如如桥梁建建模助手手等高效效自动化化建模功功能，所所以只要要输入截截面形状状、桥梁梁特点、预应力力桥的钢钢束位置置等基本本数据，就就可以自自动建立立桥梁模模型以及及施工阶阶段的各各种数据据。悬索桥完完成系模模型为青潭大大桥的抗抗震设计计所进行行的特征征值分析析栈桥模型型墩柱静力力分析1.2 MIDDAS/Civvil的的适用领领域MIDAAS/CCiv
4、iil的适适用领域域如下。所有有形式的的桥梁分分析与设设计钢筋混凝凝土桥、钢桥、联合梁梁桥、预预应力桥桥、悬索索桥、斜斜张桥大体体积混凝凝土的水水化热分分析桥台、桥桥墩、防防波堤、地铁、其它基基础建筑筑地下下建筑的的分析地铁、通通信电缆缆管道、上下水水处理设设施、隧隧道发电电站及工工业设施施结构设设计发电站、铁塔、压力容容器、水水塔等其它它国家基基础建设设结构设设计飞机场、大坝、港湾等等1.3 MIIDASS/Ciivill的特点*提供菜菜单交互互式、表表格输入入、导入入CAD等灵活活多样的的建
5、模功功能。*提提供刚构构桥、板板型桥、箱梁桥桥、顶推推法桥梁梁、悬臂臂法桥梁梁、移动动支架/满堂支支架法桥桥梁、悬悬索桥、斜拉桥桥的建模模助手。*提提供中国国、美国国、英国国、德国国、欧洲洲、日本本、韩国国等国家家的材料料和截面面数据库库，以及及混凝土土收缩和和徐变规规范和移移动何在在规范。*提提供桁架架、一般般梁/边截面面梁、平平面应力力/平面应应变、只只受拉/只受压压、钩、索、板板、实体体单元等等工程实实际时所所需的各各种有限限元模型型。*提提供静力力分析、动力分分析、静静/动力弹弹塑性分分析、几几何非线线形分析析、优化化索力、屈曲分分析、移移动荷载载分析（影影响线/影响面面分析）、支座沉
6、沉降分析析、施工工阶段分分析、联联合截面面施工阶阶段分析析等功能能。*在在后处理理中，可可以根据据设计规规范自动动生成荷荷载组合合，也可可以添加加和修改改荷载组组合。*可可以输出出各种反反力、位位移、内内力和应应力的图图形、表表格和文文本。*可可在进行行结构分分析后对对多种形形式的梁梁、柱截截面进行行设计和和验算。1.4 分析框框图1.5 操作界界面第二章 土木结结构分析析2.1 MIDDAS/Civvil 中的数数值分析析模型结构分析析模型是是由节点点、单元元及边界界条件三三要素所所构成的的。其中中，节点点是用来来确定构构件的位位置；单单元是用用分析模模型数据据表达结结构构件件的元素素，它是
7、是由连续续的结构构构件按按有限元元法划分分而成的的；边界界条件是是用来表表达所研研究的对对象结构构与相邻邻的结构构之间的的连接方方式。所谓的结结构分析析就是为为了研究究结构的的力学性性能，建建立结构构的数值值分析模模型，利利用假定定的外部部环境作作用，对对数学模模型作理理论性的的实验分分析的总总过程。在结构分分析时，需需要准确确的表现现结构的的特性和和结构所所处的外外部环境境。其中中外部环环境主要要就是指指荷载因因素。可可通过规规范或者者一些现现有的统统计资料料得到。但是，要要想把握握好结构构的特性性，充分分地了解解结构的的受力性性能，则则不是一一件非常常简单的的事情。它将直直接影响响到结构构
8、的受力力分析结结果。因此，作作结构分分析时必必须充分分细致的的了解实实际结构构的材料料特性，掌掌握结构构的变形形能力即即刚度，选选择合理理的有限限计算单单元，使使得计算算结构模模型同实实际结构构相接近近，使计计算结果果同实际际结构相相符合。但是，通通常结构构的形状状是复杂杂的，而而且很难难精确地地把握其其材料的的物理特特性。要要想把结结构的刚刚度（即即变形能能力）和和质量精精确地反反映到计计算结构构模型上上，将会会花去很很大的精精力和时时间，有有时有可可能带来来事倍功功半的效效果。因因此，进进行结构构分析时时，在不不破坏整整体结构构特征的的前提下下，必须须做到简简化、调调整计算算结构的的数学模
9、模型，使使得用最最少的投投入，得得到最佳佳的结果果。例如，对对桥梁的的主梁建建立数学学模型时时，不使使用板形形单元（平平面应力力单元或或板单元），而而采用线线形单元元（桁架架单元或或梁单元元）时，不不但缩短短结构分分析时间间，而且且更便于作作结构设设计。所谓的有有限元（Finnitee Ellemeent)就是用用分析模模型数据据表达结结构构件件特性的的元素，它是是由连续续的结构构构件按按有限元元法划分分而成的的。它必必须充分分的反映映结构受受力特性，但但通常很很难做到到用数学学的方法法完整地地反映出出实际结结构固有有的特性性。因此，作作为用户户必须充充分地了了解实际际结构的的受力性性能，掌掌
10、握好各各种有限限单元的的力学特性，以以便较好好的选择择有限单单元，正正确地做做到结构构分析和和设计。2.2 坐标系系和节点点MIDAAS/CCiviil 软件使使用如下下几个坐坐标系系系统。. 全全局坐标标系 (GGlobbal Cooordiinatte SSysttem). 单单元坐标标系 (EElemmentt Cooorddinaate Sysstemm). 节节点坐标标系 (NNodee loocall Cooorddinaate Sysstemm)全局坐标标系是由由X 、Y 、Z 三轴满满足右手手螺旋法法则的空空间直角角坐标系系(Coonveentiionaal CCarttesi
11、ian Cooordiinatte SSysttem)，用大大写X、Y、Z 表示三三个轴的的方向。 通常利利用该坐坐标系表表达节点点坐标、节点位位移、节节点反力力及相关关于节点点的其它它输入数数据。全局坐标标系是用用来确定定所分析析对象结结构空间间位置的的坐标系系统。启启动MIDDAS/Civvil软件，在在系统界界面视窗窗区，将将自动生生成基准准点 (RRefeerennce Poiint) 即全局局坐标系系的原点点X=0、Y=0、Z=00 和全局局坐标系系统。其其中Z 轴的方方向平行行于重力力加速度度方向并并与其反反向。因因此利用用软件建建立结构构的计算算模型时时，建议议做到结结构的垂垂直
12、方向向与全局局坐标系系的Z 轴平行行建模，将将有利于于结构分分析。单元坐标标系也是是由x、y、z 三轴满满足右手手螺旋法法则的空空间直角角坐标系系统，可可用小写写x、y、z 表示三三个轴的的方向。通常利利用该坐坐标系表表达单元元内力、单元应应力及相相关于单单元的其其它输入入数据。结构端端部节点点的约束束（支撑撑）方向向、弹簧簧支撑方方向及节节点的强强制位移移方向同同全局坐坐标系的的坐标轴轴方向不不相吻合合时，通通常采用用节点坐坐标系。节点坐标标系也是是由x、y、z 三轴满满足右手手螺旋法法则的空空间直角角坐标系系统，可可用小写写x、y、z 表示三三个轴的的方向。全局坐标标系和节节点坐标标2.3
13、 单元种种类及主主要考虑虑事项MIDAAS/CCiviil 使使用以下下几种单单元类型型。桁架架单元 (Trrusss Ellemeent)只受受拉单元元 (TTenssionn-onnly Eleemennt, 包含Hoook 功能)索单单元 (Cabble Eleemennt)只受受压单元元 (CComppresssioon-oonlyy Ellemeent, 包含含Gapp 功能能)梁单单元/变截面面梁单元元 (BBeamm Ellemeent/Tappereed BBeamm Ellem
14、eent)平面面应力单单元 (Plaane Strresss Ellemeent)板单单元 (Plaate Eleemennt)平面面应变单单元 (2D Plaane Strrainn Ellemeent)平面面轴对称称单元 (2DD Axxisyymmeetriic EElemmentt)空间间单元 (Soolidd Ellemeent)输入有限限单元就就是输入入相关于于单元的的种类、材料特特性、刚刚度大小小的数据据和输入入确定单单元位置置、形状状和大小小的节点点数据的的过程。2.3.1桁架架
15、单元(Truuss Eleemennt) 一一般事项项由2 个个节点构构成的桁桁架单元元是属于于“单向受受拉-受压的的三维线线性单元元(UniiaxiialTTenssionn-Coomprresssionn 3DD Liine Eleemennt)”，它只只能传递递轴向的的拉力和和压力。通常利利用该单单元做空空间桁架架结构(Spaace Truuss) 或交交叉支撑撑结构(DiaagonnalBBracce)的的受力分分析。 单单元自由由度和单单元坐标标系桁架单元元的两端端各有一一个沿单单元坐标标系的xx 轴方方向的位位移，它它具有两两个自由由度。单单
16、元坐标标系是单单元的内内力及单单元的应应力输出出的基准准。在梁梁单元上上，单元元的抗剪剪刚度和和抗弯刚刚度输入入方向依依据单元元坐标系系。所以以在做结结构分析析时必须须正确地地理解单单元坐标标系的概概念。对于桁架架单元、只受拉拉单元及及只仅受受压单元元等只具具有轴向向刚度的的单元而而言，只只有单元元坐标系系的x 轴有意意义，它它是确定定结构变变形的基基准，但但利用y、z 轴可确确定桁架架截面在在视窗上上的方向向 。为便于用用户使用用MIDDAS/Civvil 软件，通通常可利利用 角 来表示示单元坐坐标系的的 y,z 轴方向向。线性单元元的单元元坐标系系里，x 轴的方方向将平平行于节节点N1
17、和节点N2 的连线线方向（参参照下图） 如果，单单元坐标标系的x 轴平行行于全局局坐标系系的Z 轴， 角是全全局坐标标系X 轴与单单元坐标标系z 轴件的的夹角。该角度度的正负负符号是是，以单单元坐标标系的x 轴为旋旋转轴依依据右手手螺旋法法则来确确定。 如果单单元坐标标系的x 轴与全全局坐标标系的Z 轴不相相互平行行时， 角是全全局坐标标系的Z 轴与单单元坐标标系的x-zz 轴所构构成的平平面间的的夹角。 角概概念单元内力力输出单元的输输出内力力符号见见图1.3 所所示，图图中以箭箭头指示示方向为为正“+”。桁架单元元的单元元坐标系系及单元元的输出出内力（应应力）符符号规定定2.3.2梁单单元
18、（BBeamm Ellemeent） 一一般事项项这是由22 个节节点构成成的，是是属于“等截面面或变截截面三维维梁单元元(Priismaaticc/Noonprrismmatiic3DD Beeam Eleemennt)”，它具具有拉、压、剪剪、弯、扭的变变形刚度度(依据Tiimosshennko Beaam TTheoory)。当梁截面面面积沿沿长度范范围内不不发生变变化(Priismaaticc Beeam Eleemennt)时，把把一个截截面面积积(Secttionn)输入到到对话窗窗口；当当梁截面面面积沿沿长度范范围内发发生变化化(Nonn-Prrismmati
19、ic BBeamm Ellemeent)时，把把梁两端端的两个个截面面面积输入入到对话话窗口。利用MMIDAASI/Civvil 软件分分析变截截面梁时时，截面面面积、有效抗抗剪截面面及截面面的抗扭扭刚度都都看作是是x 轴方方向的线线性函数数(Linnearr Vaariaatioon)。而横截截面面积积对该截截面的主主轴计算算的截面面惯性矩矩，按用用户选择择的不同同，沿xx 轴方方向可以以形成为为1 次、2次、3 次性函函数。 单单元自由由度及单单元坐标标系无论是在在单元坐坐标系还还是在全全局坐标标系里，梁梁单元的的每一个个节点都都具有三三个方向向的线性性移动位位移和三三
20、个方向向的旋转转位移，因因而每一一个节点点具有66 个自自由度。梁单元元坐标系系与桁架架单元具具有相同同的坐标标系。相关关功能Creaate Eleemennts 输入计计算单元元Mateeriaal 输输入材料料的物理理特性Secttionn 输入入截面特特性Beamm Ennd RReleeasee 确定定两节点点的连接接方式（释释放梁端端约束，刚刚结及铰铰接等）Beamm Ennd OOffssetss 输入入梁端偏偏心距离离Elemmentt Beeam Loaads 输入梁梁荷载（作作用于梁梁上的集集中及均均布荷载载）Linee Beeam Loaads 确定加加
21、荷范围围并输入入线荷载载Assiign Flooor Loaads 将楼板板荷载转转换成梁梁荷载来来输入Presstreess Beaam LLoadds 输输入预应应力荷载载值Tempperaaturre GGraddiennt 输输入温度度梯度 单单元内力力输出输出的单单元内力力符号如如图1.99 所示，箭箭头指向向为正（+）。构件应力力的正负负号规定定与单元元内力符符号规定定相同。但在弯弯矩作用用下截面面上产生生应力时时，则以以受拉为为正、受受压为负负来规定定其符号号。* 输出出的内力力是以箭箭头指向向为正（+）。梁单元的的单元坐坐标系及及单元内内力（或或应力）符符号
22、规定定2.3.3板单单元 （Plaate Eleemennt)一般般事项此本单元元是由同同一平面面上的3 到4 个节点点构成的的平板单单元（Plaate Eleemennt)，在工工程中可可以利用用它解决决平面张张拉、平平面压缩缩、平面面剪切及及平板沿沿厚度方方向的弯弯曲剪切切等结构构问题。MIDAAS/CCiviil 软件所所采用的的板单元元，根据据平面外外刚度不不同可以以把单元元划分成成薄板单单元 DKKT、DKQQ(Diiscrretee Kiichhhofff Ellemeent)和厚板板单元DKMMT、DKMMQ(DDisccretteKiirchhhofff-M
23、Minddlinn Ellemeent)两种。其中，根根据Kirrchhhofff Pllatee Thheorry 理论开开发了薄薄板单元元；依据据Minndliin-RReisssneer PPlatte TTheoory 理论开开发了厚厚板单元元。由于于板单元元考虑了了局部的的横向剪剪切应力力的影响响，因此此对于薄薄板单元元或厚板板单元都都能计算算出比较较准确的的结果。对三角形形板单元元，利用用线性应应变三角角形理论论LSTT(Liineaar SStraain Triianggle)公式化化了板单单元的平平面内刚刚度。对对四边形形板单元元， 利用了了等参数数平面应应力理论论(Issop
24、aarammetrric Plaane Strresss Foormuulattionn wiith Inccomppatiiblee Moodess)公式化化了单元元的平面面内刚度度。输入板厚厚的方式式有两种种，一是是为计算算平面内内的刚度度(Inn-pllanee Sttifffnesss)输入板板厚，另另一是为为计算平平面外的的刚度(Ouut-oof-PPlanne-SStifffneess)输入板板厚。当当计算结结构的自自重或质质量时软软件自动动取用前前者数据据。如果果用户只只输入了了计算平平面外刚刚度的厚厚度时，软软件取用用该值。单元元自由度度及单元元坐标系系板单
25、元的的自由度度是以单单元坐标标系为基基准，每每个节点点具有x、y、z 轴方向向的移动动的线性性位移自自由度和和绕x、y 轴旋转转的旋转转位移自自由度。单元坐标标系是由由x、y、z 三轴构构成的，满满足右手手螺旋法法则的空空间直角角坐标系系。单元元坐标系系的方向向类似于于平面应应力单元元的坐标标系统。单元元相关功功能Creaate Eleemennts 输入单单元Mateeriaal 输入材材料的物物理特性性Thicckneess 输入单单元厚度度Presssurre LLoadds 输入沿沿单元变变长分布布的受压压荷载值值Tempperaaturre GGraddiennt
26、 输入温温度梯度度四边形单单元的单单元坐标标系三角形单单元的单单元坐标标系单元元内力输输出按以下方方式输出出平板单单元的单单元内力力及应力力，其符符号及方方向依据据单元坐坐标系或或整体坐坐标系。下面以以单元坐坐标系为为基准对对其说明明。 节节点单元元内力输输出 节节点和单单元中心心处上输输出单位位长度内内力 节节点及单单元中心心处输出出截面上上部和截截面下部部的应力力节点的单单元内力力是该节节点的位位移乘以以该节点点的刚度度而得到到。节点和单单元中心心处的单单位长度度内力有有平面内内内力和和平面外外内力。这些内内力
27、可以以按计算算点处的的应力对对厚度积积分方式式计算。在对钢筋筋混凝土土构件设设计时可可以有效效地利用用单元的的单位长长度内力力值。节点和单单元中心心的应力力是把在在该单元元积分点点上(Gaausss Poointt)应力按按外推法法(Exxtraapollatiion)推算而而得到。 单单元内力力输出输出的单单元内力力符号规规定见图图1.228 所示，其其中箭头头指向为为正（+）。 单单位长度度上单元元内力输输出在节点和和单元中中心处，单单位长度度内力符符号规定定见图1.229 所示，其其中箭头头指向为为正（+）。 单单元应力力输出在
28、节点和和单元中中心处，输输出的单单元应力力可分为为截面上上部(Toop SSurffacee)单元应应力和截截面下部部(Boottoom SSurffacee)单元应应力。符符号规定定见图1.330 所示，其其中箭头指向向为正（+）。l 输出的单单元应力力依据单单元坐标标系，箭箭头指向向为正（+）。板单元的的各节点点处的内内力输出出位置及及符号规规定l 输出的单单元应力力依据单单元坐标标系，箭箭头指向向为正（+）。板单元的的单位长长度内力力输出及及符号规规定l 输出的单单元应力力依据单单元坐标标系，箭箭头指向向为正（+）。板单元的的单元应应力输出出位置及及输出值值的符号号规定2.4 边界条条件
29、2.4.1自由由度约束束利用自由由度约束束(Coonsttraiint)功能可可以约束束节点的的位移；或者在在缺少自自由度的的单元（如如桁架单单元、平平面应力力单元、板单元元等）之之间相互互连接时时，利用用此功能能约束这这些节点点的自由由度，以以防止发发生奇异异(Siinguularr Errrorr)。在整体坐坐标系(Gllobaal CCoorrdinnatee Syysteem)或在节节点坐标标系(Noode loccal Cooordiinatte SSysttem)上的每每一个节节点都可可以输入入六个方方向的自自由度约约束条件件（Dx, Dyy, DDz, Rx, Ryy, RRz）
30、。2.4.2 梁的节点点约束MIDAAS/CCIVIIL是三维维空间结结构分析析程序，故故每个节节点有6个自由由度(Dx, Dyy, DDz, Rx, Ryy, RRz)。如果已已将结构构类型定定义X-Z平面，故故不需对对Dy, Rxx, RRz自由度度再做约约束。如如未定义X-Z平面，一一般需对Dy, Rxx, RRz自由度度进行约束束。对于活动动铰，一一般只约约束Dxx，固定定铰约束束Dx、Dz，固固定端约约束Dxx, DDz, Ry。2.4.3 梁单元元之间的的约束一般弹性性支承，定定义为DX1100000Knn/mmm,DYY10KKN/mmm，Dz110KNN/mmm，其余余释放弯弯矩，例例如贝雷雷和型钢钢横梁的的约束。