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动力弹塑性与倒塌(II):SAP2ABAQUS接口技术、程序开发与验证

第x 卷第x 期《地震研究》Vol.37 No.1


摘要：开发并实现了由大型商业软件SAP2000导入ABAQUS有限元模型的接口程序——TJU.SAP2ABAQUS，明确交代了适用于隐式算法UMAT与显式算法VUMAT的inp数据格式并给出了相应注记。该接口TJU.SAP2ABAQUS基于Microsoft VS2008为开发平台并采用Visual C#语言开发而成，提出并设置界面为导航方式，可自由选择生成隐式或显式格式的inp数据文件，不仅直接可转换不同截面杆系构件、壳体、组以及约束等信息，而且可将材料纤维信息直接转化为inp文件，包括难于处理的适用于隐式和显式算法的的钢材纤维、剪力墙配筋率等。可转化型钢构件包括：圆形钢管、箱形钢管、工字钢与角钢，混凝土构件包括：钢筋混凝土、圆钢管混凝土、方钢管混凝土、I字型以及十字形型钢混凝土。采用TJU.SAP2ABAQUS接口程序，对几种典型形式的结构模型分别转化，对比转化前后的模型信息以及模态分析结果，进一步验证了本文开发TJU.SAP2ABAQUS的可行性与准确性。本文工作可极大提高ABAQUS前处理的工作效率和模型转化的准确性。
关键词：有限元；SAP2000；ABAQUS；SAP2ABAQUS；UMAT；VUMAT
中图分类号：P315.9;U442   文献标识码：A     文章编号：

基金项目：国家创新研究群体科学基金资助项目（51021004）；国家自然科学基金青年基金（51108466）；中国博士后科学基金（2011M500332）
作者简介：柳国环，男，副教授，博士
通讯作者：柳国环，liu_guohuan@sina.com.


Abstract：An interface program named SAP2ABAQUS for converting finite element model from commercial software SAP2000 into ABAQUS is developed and implemented. While, the ABAQUS inp file format suitable respectively to implicit and explicit algorithm is briefly introduced and the corresponding notes are given as well. The interface program SAP2ABAQUS is implemented on the Microsoft Visual Studio development environment and coded using C# programming language. Through using SAP2ABAQUS, not only the rigid frame member, shell, group and restraint information but the material information can be transformed to ABAQUS inp file format. The inp file format involves the implicit or explicit steel fiber and steel ratio for shear wall. The convertible frame member includes circular steel pipe，box shape steel，I shape steel and angle steel，reinforced concrete fame，concrete-filled circular steel tube，“I” shaped steel reinforced concrete and “十”shape steel reinforced concrete. At last, several typical finite element models are respectively transformed from SAP2000 to ABAQUS using the program SAP2ABAQUS, and then the models between the models of SAP2000 and ABAQUS and the corresponding modal analysis results are compared. From the transformation process and results, it shows the feasibility and accuracy of the program SAP2ABAQUS developed in this paper. The work in this paper can increase greatly ABAQUS preprocessing efficiency for reseachers and engineers.
Key words：finite element; SAP2000; ABAQUS; SAP2ABAQUS ;UMAT;VUMAT

引言
        相比之下，大家熟知的SAP2000（下文简称，SAP）是土木工程领域工程师常用的有限元软件之一，由Berkerley大学Edward L.Wilson教授作为技术顾问的美国CSI（Computer and Structural Incorporate）公司研发。关于SAP更多介绍可参考文献[1]和[2]。与ABAQUS相比，由于SAP的主要面向对象领域为土木工程，因此其前处理的普及性相对更强，从而备受土木工程领域的设计单位青睐。然而，与ABAQUS相比，SAP目前的分析能力还仍存在一定差距，尤其是在构件和结构体系的高级非线性方面，例如：复杂结构动力弹塑性分析、失效与破坏判断以及多场耦合计算等。
        本文综合考虑ABAQUS和SAP2000软件存在的优势，当需要做大型复杂结构高级非线性分析时，容易想到一种途径：若能够将SAP中的模型导入ABAQUS中则是一种更为便利的方法。这样，不仅可以充分利用SAP软件已经建立好的模型，关键是还能够避免SAP2000前处理过程中建立模型这一复杂过程，从而可节约时间、提高工作效率。为此，本文开发并实现了有限元模型由商业软件SAP导入ABAQUS软件中的接口程序——SAP2ABAQUS，文中给出了编写流程、单元信息、隐式算法格式、显式算法格式、SAP2ABAQUS操作流程以及模型验证等相关情况。程序SAP2ABAQUS基于Microsoft VS开发环境并采用C#语言编码而成，界面采用到流程导向方式以便于使用者操作。SAP2ABAQUS不仅直接可转换不同截面杆系构件、壳体、组以及约束等信息，而且可将材料信息（钢筋与混凝土级别，构件的纵筋和箍筋以及剪力墙的配筋率）通过界面输入可直接转化为inp文件，通过选择可生成适用于隐式或显式算法的inp格式。可转换的型钢形式包括：圆钢管、箱型钢、工字钢与角钢等，混凝土构件包括：钢筋混凝土、圆钢管钢管混凝土、方钢管混凝土以及I字型和十字形型钢混凝土等。此外，边界约束条件以及构件分组等信息也可直接转入到ABAQUS软件中。最后，采用本文开发SAP2ABAQUS接口程序，对一简单模型与一复杂实际工程模型分别转化，并进一步对转化前后的模型信息以及模态分析结果进行对比。      本文作为ABAQUS相关系列工作的第II部分，主要涉及关于程序开发与验证，主要包括：
    (1) 开发了SAP2000化为ABAQUS有限元模型的接口程序SAP2ABAQUS。
    (2) 给出了开发SAP2ABAQUS接口程序的主要相关技术细节与主要注记。
    (3) 实现了程序SAP2ABAQUS导航式的可视化界面，给出操作步骤与说明。
    (4) 验证了SAP2ABAQUS转化模型的可行性与准确性。
        本文所开发的SAP2ABAQUS生成的inp数据文件可直接与第I部分[3]中开发子程序配套使用，第I部分的子程序与第II部分的SAP2ABAQUS接口程序被应用于实际工程中并在第III部分[4]中给出，从而得到进一步检验。
结论
（1）扼要且具体给出SAP2000与ABAQUS程序数据格式的技术细节与相关注记。
（2）开发并实现了可视化程序接口——TJU.SAP2ABAQUS，功能包括：导航式界面；直接选择和定义纤维；自由选择生成隐式和显式数据格式；转化内容丰富（包括钢筋层的楼板与剪力墙、钢筋混凝土、圆钢管混凝土、方刚管混凝土、I字形以及十字形型钢混凝土）；钢管混凝土考虑了钢管得约束效应；自动转化分组并定义约束条件。
（3）给出了SAP2ABAQUS导航式可视化界面的操作流程、使用步骤及与相关注记。
（4）通过四种模型转化前后对比，进而验证了采用本文SAP2ABAQUS转化模型信息的可行性与准确性。
本文所开发的SAP2ABAQUS生成的inp数据文件可直接与第I部分中开发子程序配套使用，与第I部分子程序^[3]的工程中应用在第III部分^[4]给出，SAP2ABAQUS的便利性与准确性将得到进一步检验。

参考文献(References)：
[1] Wilson E L. Static and dynamic analysis of structures: a physical approach with emphasis on earthquake engineering [M]. Computer and Structures, Inc, Berkley, California,    
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      Civil Engineering Software Technology Co., Ltd. Beijing Golden, eds．the Chinese Guide of SAP2000．Beijing: China Communications Press，2006. ( in Chinese)
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      Elasto-plasticity analysis for large-span and high structure (II): Hysteresis relationship Improvement, ABAQUS subroutine development and Verification. [J]. (Under review)
[4] 柳国环，练继建，孙雪艳，国巍.结构动力弹塑性和倒塌分析（III）: 地震差动作用下输电塔-线体系的弹塑性与倒塌分析[J].
    Elasto-plasticity and collapse analysis for large-span and high structure (III): Elasto-plastic and Collapse analysis of transmission-lines system under Multi-point Seismic    
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