建筑結(jié)構(gòu)模型的四邊形網(wǎng)格生成算法

1、建筑結(jié)構(gòu)模型的四邊形網(wǎng)格生成算法Quadrilateral mesh generation algorithm ofbuilding structure modelCHEN Feibin, XIE Buying(College of Civil Eng., Tongji Univ., Shanghai 200092, China): To improve the efficiency of finite element analysis and calculation on building structure, a quadrilateral mesh generation algorith

2、m of building structure model is proposed. Firstly, the index information of structure model is quickly established using an improved binary search algorithm. Secondly, the boundary of the model is adjusted according to the generation principle of quadrilateral mesh. Lastly, the quadrilateral meshes

3、 are generated for the whole structure model by using the separated-region template method. The example shows that the algorithm can simplify the model according to the characteristics of the model in finite element analysis and calculation and shorten the computing time.?肚嶄迦掌？:2009-07-17 修回日期：2009-

4、10-10基金項(xiàng)目 : 國(guó)家科技支持計(jì)劃項(xiàng)目 (2008BAJ08B06)謝步瀛(1950 ),男，浙江上虞人，教授,博導(dǎo),碩士 ,研究方向?yàn)橥聊竟こ逃?jì)算機(jī)仿真 , (E-mail)0 引 言 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算速度的不斷加快 , 有限元分析 技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)和計(jì)算分析中 . 在建筑結(jié)構(gòu)的受力分 析計(jì)算中 , 由于結(jié)構(gòu)體系本身的復(fù)雜性 , 采用有限元分析計(jì)算較 為精確和可靠 . 利用有限元法解決工程實(shí)際問(wèn)題一般包括前處 理、計(jì)算和后處理等 3 部分.其中前處理部分的工作量占整個(gè)分 析過(guò)程工作量的40%-50%,后處理過(guò)程占55%-60%,而計(jì)算只占

5、 5%左右.1 在前處理過(guò)程中 ,網(wǎng)格劃分的好壞直接關(guān)系到計(jì)算結(jié) 果的精度及正確性 , 是有限元分析的關(guān)鍵步驟 .對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行有限元分析建模時(shí) , 由于其原始模型單元數(shù) 量多、結(jié)構(gòu)形式特殊、單元之間關(guān)系復(fù)雜 , 若以純手工方式進(jìn)行 網(wǎng)格劃分 , 耗時(shí)巨大 , 并且容易出錯(cuò) , 正確性得不到保證 .有限元網(wǎng)格生成的方法較多 , 但多數(shù)在以初始模型為獨(dú)立區(qū) 域的前提下生成 , 多應(yīng)用于機(jī)械、 水利和汽車工業(yè)等領(lǐng)域 . 針對(duì)建 筑結(jié)構(gòu)體系模型的有限元網(wǎng)格生成算法較少 .針對(duì)建筑結(jié)構(gòu)體系模型的特點(diǎn) , 本文建立與模型相對(duì)應(yīng)的關(guān) 系索引信息 , 并以模板法作為四邊形網(wǎng)格生成方法 , 提出基于建 筑結(jié)構(gòu)

6、模型的四邊形網(wǎng)格自動(dòng)生成算法 .1 問(wèn)題描述1.1 基本概念和術(shù)語(yǔ)圖 1 為某結(jié)構(gòu)框架的部分模型 .圖1某結(jié)構(gòu)框架的部分模型 町?便于敘述,定義以下幾個(gè) 術(shù)語(yǔ).桿件:由2個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的單元，圖中EF,FG,GH和HI等均為桿 件單元 .板單元 : 由多個(gè)桿件閉合構(gòu)成的單元 , 圖中, , 為 3 個(gè) 完整的板單元 .板單元的邊 : 由 1 個(gè)或多個(gè)桿件構(gòu)成 , 桿件的節(jié)點(diǎn)在同一直 線上圖1中,節(jié)點(diǎn)F到節(jié)點(diǎn)I為板單元的1條邊,它由FG,GH 和HI 3個(gè)桿件組成，節(jié)點(diǎn)F到節(jié)點(diǎn)J也為板單元的1條邊,它 由桿件FJ組成.公共桿件 :2 個(gè)或多個(gè)板單元共享的桿件 . 圖 1 中的桿件 HI 為板單元和的

7、公共桿件，桿件FG為板單元和的公共桿 件.自由桿件:專屬于1個(gè)板單元的桿件.如圖1中的桿件JF和JK等.1.2 建筑結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)圖 2 為某框架剪力墻初始結(jié)構(gòu)模型 .圖2某框架剪力墻初始結(jié)構(gòu)模型？"賞?1和2可知,建筑結(jié) 構(gòu)具有以下特點(diǎn) :(1) 由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求 , 結(jié)構(gòu)中存在大量梁、 柱、墻和板等結(jié) 構(gòu)單元 , 在網(wǎng)格劃分時(shí) , 可將梁柱單元簡(jiǎn)化成桿件 , 墻板單元?jiǎng)t簡(jiǎn) 化成由桿件構(gòu)成的板單元 .(2) 進(jìn)行網(wǎng)格劃分的原始單元多為規(guī)則四邊形單元 , 屬于二 維問(wèn)題 .(3) 板單元和桿件單元之間關(guān)系復(fù)雜 ,1 個(gè)板單元由多個(gè)桿件 單元組成 . 由于板單元之間存在公共桿件 ,1

8、個(gè)桿件單元可屬于 1 個(gè)或多個(gè)板單元 .1.3 四邊形有限元網(wǎng)格劃分的基本原則(1) 基于有限元計(jì)算精度考慮 , 要求劃分后單個(gè)網(wǎng)格的邊長(zhǎng) 盡可能接近某個(gè)人工給定的初始長(zhǎng)度 , 文中令其為 max_L.(2) 由于有限元網(wǎng)格相容性要求 , 為確保相鄰板單元中的網(wǎng) 格能夠正確連接 , 必須保證相鄰板單元的公共桿件有相同的節(jié)點(diǎn) 劃分形式 .2(3) 對(duì) 1個(gè)板單元進(jìn)行純四邊形網(wǎng)格劃分時(shí) , 離散后的邊界 節(jié)點(diǎn)劃分總數(shù)必須是偶數(shù) .3-42 算法描述整體算法過(guò)程如下 :(1) 建立板單元和桿件單元索引信息 ;(2) 對(duì)每個(gè)桿件單元?jiǎng)澐止?jié)點(diǎn) , 桿件單元節(jié)點(diǎn)劃分?jǐn)?shù) =桿件長(zhǎng) 度 /Max_L-1. 并根據(jù)板單元與桿件單元的關(guān)系計(jì)算板單元的節(jié)點(diǎn) 劃分總數(shù) ;(3) 調(diào)整所有板單元的節(jié)點(diǎn)劃分總數(shù) , 使之滿足要求 ;(4) 每個(gè)板單元內(nèi)部進(jìn)行四邊形網(wǎng)格