Midas/Gen 与ABAQUS 的复杂建筑结构模型转换程序开发

王杰

（中南建筑设计院股份有限公司，武汉 430071）

1 引言

随着我国经济的发展，建筑复杂程度日益增加，出现了大量超高层建筑以及平面、立面特别复杂的建筑，而这些建筑结构往往需要进行复杂的非线性分析，如超高层建筑结构大震动力弹塑性时程分析、大跨空间结构静力稳定分析、基于多尺度的复杂节点受力分析以及考虑行波效应的超长结构动力分析等。ABAQUS 软件作为一款通用有限元分析软件，凭借其丰富的材料库、单元库以及强大的非线性功能，在复杂建筑结构非线性分析方面具有显著优势，且已经在许多实际工程中得到检验【1】。但对于这些复杂的建筑结构，若直接采用ABAQUS软件手动建立有限元分析模型，工作量将十分巨大且烦琐，严重影响工程师的工作效率。

Midas/Gen 作为一款通用的结构分析设计软件，具有良好且完善的建模功能，能够方便、快速地建立结构设计模型，适用于高层建筑、空间结构等多种结构类型，在国内众多设计院广泛使用。

为此，本文开发了一款从Midas/Gen 软件到ABAQUS 软件的模型转换程序。该程序能够直接将Midas/Gen 设计模型转换为ABAQUS 有限元分析模型，并进行非线性分析，避免了重复建模，节省了大量的前处理时间，有效地提高了结构分析效率。

2 模型转换流程

模型转换程序是以AutoCAD 2010 为图形处理平台，采用面向对象的系统开发技术，利用AutoCAD 2010 二次开发工具ObjectArx【2】以及 C++语言研发的。程序通过读取 Midas/Gen 软件的设计模型信息文件（.mgt 文件），然后通过简单编辑，直接导出生成ABAQUS INP 有限元模型分析文件。模型转换程序流程如图1 所示。

图1 程序编写流程图

目前，程序能够实现的主要功能如下：

1）转换结构楼层信息

2）转换节点、单元信息；

3）转换构件截面、材料信息；

4）转换荷载信息；

5）转换约束信息。

3 模型转换程序关键技术

3.1 模型信息读取

Midas/Gen 的模型信息文件（.mgt 文件）通过关键字存储结构设计模型信息，关键字与模型信息对应关系如表1 所示。转换程序根据模型信息类别，利用C++语言建立相应模型信息结构体数据，如材料信息、截面信息、壳元截面信息、单元信息以及荷载信息等，程序代码实现如下所示：

表1 Midas/Gen 关键字与模型信息对应关系

转换程序读取Midas/Gen 模型信息文件时，首先根据关键字将读取的信息存入上述结构体，然后根据模型信息相互间的逻辑关系在转换程序重新建立结构转换模型，从而实现Midas/Gen 结构设计模型的导入。程序模型导入对话框如图2 所示。

图2 模型导入对话框

点击“导入 Midas/Gen 模型”的“浏览”按钮，选择.mgt 文件。点击“导入”按钮，程序将自动导入Midas/Gen 模型，并在对话框右侧列表，显示当前模型导入内容。

3.2 构件配筋设置

Midas/Gen 模型信息文件主要包含了结构的几何信息及荷载信息，不包含混凝土构件配筋信息，结构构件配筋无法通过模型导入实现。而构件配筋信息的准确性直接影响结构非线性分析结果。为此，转换程序研发了相应的结构构件配筋设置功能。以剪力墙为例，转换程序根据剪力墙配筋的特点，开发的剪力墙配筋设置对话框如图3 所示。用户可以根据结构施工图中剪力墙实际配筋情况，按墙厚度指定剪力墙水平或竖向配筋率，以便在后续非线性分析中真实考虑结构配筋对分析结果的影响。

图3 剪力墙配筋修改对话框

3.3 导出ABAQUS INP 模型文件

在导出ABAQUS INP 模型时，转换程序对于不同的构件类型选取不同的单元类型。对梁柱构件，ABAQUS 提供了B31、B32 和 B33 3 种单元类型，其中，B31 和 B32 是铁木辛科梁单元，B33 为欧拉梁单元。但在高等非线性分析中，B33 单元收敛性较差，且计算速度相对较慢。因此，程序仅支持B31 或B32 梁单元导出。

对于剪力墙及楼板单元，采用ABAQUS 提供的缩减积分的壳单元S4R 和S3R 来模拟。S4R 单元性能稳定，而S3R 作为通用壳单元，适用范围广，采用2 种单元可以模拟任意形状的剪力墙或楼板。

对于连接信息，比如，大跨屋盖弹簧支座以及节点刚性约束等，转换程序选用CONN3D2 连接单元进行模拟。

对于结构荷载，在进行动力弹塑性分析时，程序自动等效为节点集中质量，在ABAQUS 中通过*Mass 实现。

另外，对于梁柱构件钢筋，程序采用等效纤维截面法进行模拟【3】。该方法与实体单元中插入钢筋的方法类似，即将梁截面钢筋等效为箱型或圆管形钢梁，并通过共节点的方法实现混凝土与钢梁之间的共同作用。同样，对于型钢混凝土构件，转换程序也采用类似方法进行模拟，如图4 所示。

图4 等效纤维模截面意图

转换程序导出ABAQUS 模型信息如表2 所示。

4 转换程序验证

4.1 算例1：简单框剪结构

本算例为一简单框架结构，其中柱子截面500mm×500mm、400mm×400mm，梁截面 200mm×400mm、250mm×500mm、300mm×600mm，墙厚 200mm、300mm，设置结构构件存在30°和45°不同的截面转角。利用开发模型转换程序将Midas/Gen 导入ABAQUS 软件，2 软件模型如图5 所示。从图中可以看出2 模型完全保持一致。

表2 ABAQUS 模型信息

图5 框剪结构模型

表3 为2 软件模型结构质量对比，从表中可以看出，2 款软件模型质量基本相同。表4 列出了2 软件模型前6 阶振型的周期对比。从对比结果可以看出，2 软件模型的周期基本保持一致，研发的模型转换程序准确可靠。

表3 框剪结构模型质量比较

表4 框剪结构模型周期比较

4.2 算例2：空间结构

该空间结构为某体育场馆大型看台雨棚。雨棚采用空间桁架结构体系，为平衡雨棚悬挑侧的倾覆弯矩，在雨棚另一侧设置预应力拉索。雨棚高度40.2m，最大跨度181.5m，最大悬挑长度37.6m，主受力框架柱截面800mm×1 200mm、PIPE 920mm×25mm 以及PIPE 720mm×18mm，桁架构件采用PIPE 245mm×10mm、PIPE 299mm×12mm 等，拉索采用 D50mm。利用开发模型转换程序将Midas/Gen 导入ABAQUS 软件，2 软件模型如图6 所示。从图中可以看出两模型完全保持一致。

图6 空间结构模型

表5 为2 软件模型结构质量对比，从表中可以看出，2 款软件模型质量基本相同。表6 列出了2 软件模型前6 阶振型的周期对比。从对比结果可以看出，2 软件模型的周期基本保持一致，研发的模型转换程序准确可靠。

表5 空间结构模型质量比较

表6 框剪结构模型周期比较

5 结语

1）ABAQUS 作为大型通用有限元软件，具有强大的非线性功能，但对于复杂建筑结构，其前处理建模烦琐复杂。为此，本文以AutoCAD 2010 为图形处理平台，利用C++研发了复杂建筑结构从Midas/Gen 到ABAQUS 的模型转换程序，极大地提高了工作效率和质量，对复杂建筑非线性分析具有重要意义。

2）本文介绍了模型转换程序的关键技术，包括模型信息导入方法、结构构件配筋定义以及ABAQUS INP 模型导出等，并通过2 个不同的典型结构算例验证了转换程序的准确性、可靠性，为其他类似模型转换程序的研发提供参考。