code_aster 对层压木质结构的地震响应进行自动化非线性建模中的应用
关于code_aster
code_aster是法国电力集团（Electricité de France，EDF）自1989年起自主研发的一款通用计算固体力学开源软件，其中“aster”是法语“用于学习与研究的结构与热力学分析”的首字母简称（Analyse des Structures et Thermo-mécaniques pour des Etudes et des Recherches）。code_aster可以提供全系列的多物理场分析和建模方法，其功能远远超出了标准的热-力计算代码。
01 研究背景
本次研究对象木质结构，这种传统材料其实有着显著的各向异性。使用木头制作的交叉层压板（图2），即CLT板同样具有各向异性。CLT板材在两个主方向上有不同的抗弯刚度和平面稳定性，在墙面和地板的建造中都有使用。
图1 木材的各向异性
图2 CLT板的结构
木质结构在地震的整体表现主要由接触和离散的连接结构决定。连接结构对压缩没有反力，但对拉力或剪力有尖锐的响应，并且板与板之间的接触是单边的。
图3 地震对结构的作用方式
02 自动化建模方法
蓝色：墙面
黄色：墙间接触面
绿色：墙地板接触面
暗红：地板面
鲜红：角支架（只有抗剪刚度的K_T_D_L 弹簧）
黑色：WC/WFC/FC
（有抗剪刚度和轴向刚度的K_T_D_L 弹簧）
紫色：拉力构件（只有轴向刚度的K_T_D_L 弹簧）
图5 拉力构件的力学响应
图6 网格
模型一共有449个面（61个CLT板），204个有接触和摩擦的边缘，1543个离散元件代表9种连接构件，211个板件连接。所有的组和连接区域都是自动生成的。
03 计算结果
线性模型
无摩擦接触
非线性模型
有接触摩擦，μ=0.2
非线性模型
有接触摩擦，μ=0.2
低加速度时的两种建模的差别
（左）直接连接，（右）有接触和摩擦
（左）时变场验证，（右） 累计场验证
04 结论与展望
检验的应力场包括：
板子的轴向（压或拉）力与扭矩结合产生的板在纵向的应力；
垂直于板的剪切力产生的纵向剪切应力；
板子的轴向（压或拉）力与扭矩结合产生的板在横向的应力；
垂直于板的剪切力产生的横向剪切应力；
平面内剪切应力取总应力和净扭转剪切应力的较大者。
最终结果由真实比例的实验测试验证。
基于code_aster 的超强能力，使在考虑摩擦的情况下，用自动化结构建模来设计复杂结构得以实现。这些非线性分析结果显著优于线性分析，结构的动态特性在低加速度下也会变化。这些建模方法在未来可以拓展应用于其他结构系统。
05 参考文献
[1] Ioannis P. Christovasilis, Lorenzo Riparbelli.Validation & Verification of automated non linear modelling for the seismic response of cross laminated timber structures.
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