| ●UC-win/FRAME(3D) Ver.4 | 3维动力非线性计算 |
●前言
UC-win/FRAME(3D) Ver 4.00.00主要的收费升级项目有以下3点。
- 节点质量表格形式的输入
- 初始断面力
- 考虑几何刚度的特性值分析
| ●节点质量表格形式输入 能够直接输入节点质量(图1)。对每个节点，赋予平移3方向成分(全局坐标系的X，Y，Z)和转弯惯性质量的3个成分(全局坐标系的绕X轴，绕Y轴，绕Z轴)，共6个成分。因为是横6列，而纵向全节点以排列的表格形式赋予，容易拷贝•粘贴。 能够由部材算出节点质量。点击「由部材计算」按钮的话，将自动算出。这时的计算方法是Lumped Mass(集中质量)。具体将部材质量的平均分配给两侧的节点。而对节点连接的全部部材质量进行统计，称为该节点的质量。这也是众所周知的集中质量法精度不好的原因,不过，它的计算方法是非常直观的，内部计算用的质量矩阵是对角列的形式，很容易计算，因此被经常使用。 |
 ▲图1 节点质量的输入画面 |
到目前为止，质量的定义方法是先制作仅1节点刚体单元，然后再定义节点集中质量(质量点)。为此制作刚体单元的时间被加入到质量定义中。当定义复数质量点的时候，就必须多次叫出刚体单元的编辑画面，使得质量的定义很不方便。根据这次节点质量表格形式输入的升级，使得这些麻烦的工作省略。在定义质量点过程中略去了要进行刚体单元的设定。
当表格形式赋予节点质量的时候，程序能够反映自动算出的重力荷载和水平烈度荷载。如果在模型设定画面选择「集中质量」，重力荷载和水平地震荷载作为对节点的集中荷载进行加载(图2，图3)。在模型设定画面选择「一致质量」的话，将生成以对部材施加的分布荷载(图2，图4)。
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| ▲图2 质量矩阵的作成方法选项 固有值分析选项 |
▲图3 由集中质量法生成的重力荷载 (作用节点的集中荷载) |
▲图4 由一致质量法生成的重力荷载 (作用于部材的分布荷载) |
也就是，「一致质量」是本程序从初版时采用的质量矩阵的构成法。「一致质量」根据位移函数的2次微分的加速度分布计算得到，是考虑惯性力分布的计算方法，被称作Consistent Mass。这在日语中的有相当多的译词对应，有调整质量，分布质量，一致质量等多种多样,不过，无论哪一个用语都是指质量矩阵的构成法。一致质量法，以较少的节点数能表示多自由度的振动特性，有比集中质量精度高的解，这是一致质量法的优点。但是，本程序的一致质量矩阵，因为在计算部中自动计算出，不能确认具体的数值。为这个缘故，如果有当能表现振动特性的足够节点数，那么使用集中质量法的计算出节点质量，能将各节点质量输出到报告中。
不论采用集中质量法，还是采用一致质量法的模型，整体质量不发生变化。
| ●初始截面力 能够对部材设定初始截面力 (图5)。不仅仅对部材，而且对弹簧单元也能设定。所谓的初始断面力荷载是在加载计算之前，表现结构内部所具有的初始应力状态。如果是部材单元，可赋予部材两端的弯矩，剪切力，轴力。如果是弹簧单元，赋予弹簧单元的单元坐标系的xl方向，yl方向，zl方向的轴力，和各轴的转弯(力矩)。以下，简单说明部材的处理，省略弹簧单元。 在开始分析之前，生成部材上的截面力状态，但初始截面力不产生由断面力产生的支点反力。只有在荷载加载的时候第一次产生支点反力。譬如，初始截面力指为模型的重力荷载状态的时候，最初的第1阶段的计算结果中没有包含重力荷载产生的反力。 |
 ▲图5 初始截面力的输入画面 |
同样，初始给予了的断面力状态在节点上不产生位移。这是因为对施加初始截面力时，计算出的结果中，取出截面内力而忽略了节点为位移的结果，但是，部材产生位移。这是因为假定初期断面力作用在部材上的假定说导致的结构结果。从节点不产生位移，而部材发生位移，那么在单元的i端和j端部材位移为零。
在初始截面力的设定画面，有选择荷载工况进行框架计算的按钮。选择该按钮的话，对此荷载工况进行弹性分析，那么初始截面力采用i端和j端位置截面力。因为这样，采用部材端位置截面力，部材内部截面力分布状态被忽略。为此，与分布荷载和不均布载荷等的部材荷载加载的状态，初始荷载作用下的截面力分布是完全不一致的。但这种误差很小，这时或者选择节点加载的工况，或者选择制作多节点的模型。其他程序得到的截面力，作为初始断面力进行输入时，也会产生同样的现象。
●考虑了几何刚度的特性值分析
特性值分析由刚度矩阵[K]和质量矩阵[M]，
|[K]－ω2[M]|＝0
求解固有振动数ω。在以前，使用线弹性的刚度矩阵[K0]，作为刚度矩阵([K]＝[K0])。本次升级后也能考虑几何刚度矩阵[KG]。如果考虑了几何刚度，上面公式中的[K] 成为，[K]＝[K0]+[KG]。在模型设定画面中指定的「特性值分析选项」。为了生成[KG] 需要设定初始截面力。
以产品添付的例子模型「s06__MetalArch.f3d」(钢拱桥)为例，不考虑几何刚度的情况的固有振动数为0.683Hz，如果考虑了几何刚度成为0.664Hz。考虑了几何刚度固有振动数约小3％ (图6)。以固有周期来计算的话，意味增大约3％。但是，本讨论，当以添加板和螺丝等的重量考虑时，模型钢材重量的大约40％被多估。固有振型是针对1次式(桥轴逆对称1次)的结果。在「钢桥的抗震•制震设计方针」(宇佐美勉编辑著•日本钢构造协会编辑，2006年9月，技能报堂)中拱桥的计算例子，也被产生4～5％左右的误差。
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| ▲图６ 考虑了几何刚度的特性值分析结果 (桥轴逆对称1次的振型图) |
●其他
对纤维单元断面的网格分割方法，追加了纵横分割选项。譬如，在横向1割，在纵向20分割，能也能生成分割网格 (图7)。在面内计算分析时，只进行一轴方向的计算，网格分割的网格数变得少使得计算时间的能够大幅度缩短。
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| ▲图7 纤维单元截面的纵横网状分割 |
●结束语
此次的修订内容全都是应到目前为止多数客户要求进行的。因为进行了有关计算分析功能的重要追加，使得现在应用UC-win/FRAME(3D)进行结构物的分析也变得可能。请放心使用。
■UC-win/FRAME(3D) Ver 4 发表予定 ：2010年1月
