案例分享 | 东电设计公司如何快速构建核建筑设施的详细3D FEM模型

本文摘要（由AI生成）：

东京电力设计株式会社使用MSC Apex软件研究3D有限元模型，发现采用粘接模型可以获得足够的精度。他们通过对比板梁单元与实体单元模型，发现实体单元计算更精准。MSC Apex缩短了创建分析模型时间，简化了修改，提高了分析精度。MSC软件公司日本总裁表示，公司在核领域有多年经验，并自豪于为下一代创新分析方法开发做出贡献。

近年来，在建筑设计中，统一的数据管理的目标是使用BIM进行规划、设计、施工维护和管理。由于核设施的新监管标准的实行，需要提高对核设施建筑物地震评估详细研究的准确性，越来越多地使用3D FEM模型对建筑物进行建模并进行检查。在这种背景下，具有结构方面专业知识的工程师需要大量且复杂的工作才能从工程图中创建FEM模型，因此需要有一个自动化的建模工具来辅助。通过使用MSC Apex自动化地进行建筑物形状建模，我们将提高工作效率并减少错误。

使用建筑3D CAD / BIM软件创建外形模型，将ACIS、Parasolid等可处理实体形状的数据格式导入到FEM前处理软件，并尝试进行FEM分析，已经逐渐普及。通常建筑行业使用REVIT（AutoCad）建模，这个软件可以输出ACIS格式的几何数据，材料可以输出成csv（Excel格式），MSC Apex可以通过脚本快速实现和REVIT(AutoCAD)的接口（包括几何和材料），同时MSC Apex修改设计后可以很快更新有限元模型进行分析(采用Nastran)，如图1所示，客户可以比较方便做设计迭代。

图1 MSC Apex的分析流程

首先，东京电力设计株式会社通过MSC Apex软件对一个由柱、梁和墙组成的3D门模型做了对比研究。图2为节点共享模型，左侧为细网格模型，右侧为粗网格模型，图3为粘接模型，即对每个构件分别划分网格，然后进行粘接，左侧为细网格模型，右侧为粗网格模型，分别对四组模型进行静态震度分析，得到四组对应的应力云图，分别如图4、图5所示。

图2 节点共享模型（左侧细网格，右侧粗网格）

图3粘接模型（左侧细网格，右侧粗网格）

图4 节点共享模型静态震度分析（冯-米塞斯应力）

1%误差（壁和圆柱之间连接的差异导致）

图5 粘接模型静态震度分析（冯-米塞斯应力）

0.5%误差（壁和圆柱相连处应力分布一致）

图6 固有频率比较

元，然后采用粘接模型的形式，可以获得足够的精度。

图7 复杂模型的网格和变形图

图8 整体模型与截面图

      

图10 板梁单元3D有限元模型及实体单元有限元模型连接部分细节展示

图11 板梁单元模型（左：一阶模态；右：二阶模态）

图12 实体单元模型（左：一阶模态；右：二阶模态）

最终，通过分析得到板梁单元与实体单元十阶模态分析下固有频率的比较结果，分别如下表所示：

表1  频率响应结果

分析求解都是使用的MSC NASTRAN。两者的固有频率相似，并且振型图几乎相同， 但是，板梁单元模型在低频固有频率值偏低，作为主要原因，板梁单元模型没有考虑模型接合处的刚性区域，低估了构件端部的刚性，并导致整个建筑物的刚性变小了所以导致了模态值偏低。由此可见，实体单元更为精准。

结论：MSC Apex是一个为设计者/分析专家设计的仿真平台，它大大缩短了创建分析模型所需的时间，并且简化了模型创建后的修改。

• 易学易用，用户体验度好

• 直接建模和网格划分技术：直接应对设计变更

• 分析前准备检查：防止错误发生

• 通用框架：模型可以自动更新

• 基于计算部件：参数研究容易

  
  

• 从建筑BIM模型中容易地创建详细的三维分析模型。
  

• 基于脚本的自动化(材料特性的自动读取等)

• 对改变形状的及时应对

• 提高分析精度