Ваше окно в мир САПР

20 августа 2019

Параметрическое моделирование сооружений и МКЭ анализ конструкций: связка ПК SOFiSTiK и Grasshopper

Ольга Перцева

Автор — специалист отдела САПР ПСС ГРАЙТЕК

Параметрическое моделирование – одна из самых активно развивающихся и громкоговорящих тем в области автоматизированного проектирования. Но зачастую параметрический ввод данных не используют для создания аналитических (расчётных) моделей зданий и сооружений. Связка SOFiSTiK и Grasshopper позволяет использовать параметрический ввод для создания комплексных параметрических расчётных моделей, подготовить их для МКЭ анализа и впоследствии рассчитать конструкции. В статье описаны основные принципы и возможности использования платформы Grasshopper в качестве полного или частичного препроцессора для подготовки и создания расчётной модели в ПК SOFiSTiK для различных задач и типов конструкций.

Ниже описаны принципиальные шаги по работе в связке SOFiSTiK и Grasshopper. Они включают обзор рабочего процесса и возможностей использования нейтрального BIM формата для ПК SOFiSTiK.

Для освоения этого процесса пользователям предварительно требуются базовые знания ПК SOFiSTiK. Предполагается, что перед изучением данного текста читатель уже способен создать простую расчётную модель в ПК SOFiSTiK, используя текстовый ввод на встроенном языке программирования CADINP. CADINP доступен для пользователей уже более чем 30 лет и позволяет создать данные с помощью различных ресурсов, в том числе и ПК SOFiSTiK.

1. ПК SOFiSTiK возможности и структура

ПК SOFiSTiK является универсальным комплексом по расчету любых строительных конструкций: зданий и промышленных сооружений, мостов и пролётных строений, оснований и фундаментов и т. д. Более того, в SOFiSTiK доступны широкие возможности по МКЭ анализу, основные из которых:

динамические расчёты (сейсмика, ударные, подвижные нагрузки);
анализ геометрической, конструктивной и физической нелинейности;
расчёт стадий возведения (усадка/ползучесть, прогрессирующее разрушение, вторичные эффекты и т. д.);
моделирование и расчёт преднапряжения;
термодинамические расчёты, анализ фильтрации;
CFD анализ (моделирование аэродинамической трубы);
расчёт системы «Грунт-Сооружение», геотехнические расчёты и т. д.

Все продукты SOFiSTiK объединяются одной общей центральной базой данных (CDB). Набор программных модулей, к которым можно обращаться через стандартные текстовые файлы или через графический пользовательский интерфейс, взаимно обмениваются данными через центральную базу данных. Основной интерфейс – SOFiSTiK Structural Desktop (SSD) – является инструментом вызова и контроля всех этих модулей, а также их связи между собой.

В качестве препроцессора пользователь может выбрать между модулем SOFiPLUS(-X) (надстройкой графического интерфейса на основе AutoCAD), FEA расширением для Autodesk Revit, Rhinoceros интерфейсом или текстовым вводом через интерфейс Teddy. Каждый из этих препроцессоров имеет свои преимущества, а также может использоваться в комбинации с другими препроцессорами и контролироваться через SOFiSTiK Structural Desktop.

1.1 Teddy – CADINP

Наиболее продвинутым препроцессором ПК SOFiSTiK является ввод с помощью языка программирования CADINP. Это простой объектно-ориентированный язык программирования, который поставляется вместе с общими командами с переменными, циклами и выражениями. Предоставляемый текстовый редактор Teddy позволяет пользователю создать расчётную схему со всеми необходимыми исходными данными, а также контролировать все параметры и шаги расчётов. Кроме того, CADINP может использоваться как полнофункциональный инструмент создания и расчёта и как дополнительный инструмент корректировки данных/параметров расчёта совместно с любым из препроцессоров и интерфейсом SSD.

Пользователь всегда может выбрать способ моделирования и анализа между текстовым редактором, электронными таблицами, языками программирования или средствами визуального программирования, такими как Grasshopper для Rhinoceros или Dynamo для Revit.

2. Rhinoceros

Rhinoceros является коммерческим программным обеспечением для компьютерной 3D-графики и автоматизированного проектирования. Геометрия Rhinoceros основана на математической модели NURBS, которая специализируется на создании математически точного изображения кривых и поверхностей произвольной формы (в отличие от приложений, которые применяют полигональные сетки).

Grasshopper является графическим редактором алгоритмов для инструментов 3-D моделирования в Rhinoceros. Холст (для размещения визуального сценария) и лента являются двумя основными разделами приложения. Визуальный сценарий создает или использует данные в Rhinoceros, которые поддерживаются прямой передачей/ссылкой.

Grasshopper в среде Rhinoceros

3. Рабочий процесс использования SOFiSTiK в связке Rhinoceros

Интерфейс SOFiSTiK Rhinoceros является продолжением модели 3D NURBS Rhinoceros. Он предоставляет функционал для создания конечно-элементной модели и передачи данных из Rhinoceros в SOFiSTiK FEA для анализа. Аналитические свойства, такие как материал, сечения или граничные условия, могут быть назначены объектам Rhinoceros. Конечно-элементная модель может быть создана непосредственно в Rhinoceros через панель инструментов SOFiSTiK. Панель инструментов также обеспечивает доступ к программам SOFiSTiK, таким как SOFiSTiK Structural Desktop, Teddy, Animator и Wingraf.

Интерфейс Rhinoceros включает функции для создания точек, линий, областей и связей для аналитической модели.

Вид Rhinoceros для КЭ сетки SOFiSTiK

Интерфейс Rhinoceros обеспечивает прямой рабочий процесс от создания геометрии в Rhinoceros до аналитической модели в SOFiSTiK без необходимости написания сценариев. Его функциональные возможности ограничены геометрией, но рабочий процесс можно легко комбинировать с помощью встроенного в AutoCAD средства моделирования SOFiPLUS (задание геометрии, нагрузки и осей).

Интерфейс Rhinoceros можно комбинировать/дополнять с помощью элементов Grasshopper. Элементы, созданные в Grasshopper, можно передать командой “bake” в Rhino (создать объект Rhino из объекта Grasshopper) и использовать в дальнейшем как объекты Rhinoceros (создание сетки + создание элементов в SOFiSTiK). Такие элементы типа “baked” передаются из Grasshopper в Rhinoceros в одном направлении, поэтому связь, образуемая между объектами, является разорванной. При внесении изменений в Grasshopper пользователь также должен повторить выполнение команды “bake” для обновления данных в модели. Чтобы поддерживать связь между параметризацией и анализом, рекомендуется прямой сценарий от Grasshopper до SOFiSTiK.

Компоненты Grasshopper

SOFiSTiK разработал компоненты для Grasshopper, которые можно бесплатно скачать и использовать. Компоненты публикуются в соответствии с лицензионным соглашением MIT, которое позволяет использовать программное обеспечение и в коммерческих случаях.

Компоненты создают необходимые данные (текстовый файл на основе CADINP) в Grasshopper для генерации модели в SOFiSTiK. Более того, они поддерживаются путем создания входного файла, являющегося связью между Grasshopper и SOFiSTiK. Компоненты, включая инструкции и примеры, доступны по адресу https://github.com/SOFiSTiK.

Компоненты SOFiSTiK для Grasshopper

Создать

Доступны следующие компоненты:

	Создать файл проекта
	Создать оси геометрии
	Создать нагрузки (номер случая загружения, нагрузки по площади, линии и в точке + исходные данные для модуля SOFiLOAD)
	Создать структурные компоненты (плоскость, линия и точка + исходные данные для модуля SOFiMSHC)

Эти компоненты создают данные CADINP на основе объектов Grasshopper (точка, площадь, линия) с заданными параметрами и значениями (например силой сосредоточенной нагрузки в виде вектора). Эти данные аналогичны использованию CADINP в качестве встроенного препроцессора в SOFiSTiK.

Использование компонентов SOFiSTiK для Grasshopper

Кроме стандартных данных, можно создавать собственные данные непосредственно в Grasshopper с помощью сценариев/скриптов (Python, C #, VB) или с помощью более удобных для пользователя встроенных компонентов Grasshopper, не требующих знания языков программирования. Прямые сценарии легки в использовании для пользователей, хорошо знакомых с CADINP.

4. Работа с интерфейсом взаимодействия

Поскольку интерфейс Rhinoceros или предоставляемые компоненты Grasshopper не содержат инструментов, необходимых для анализа и проектирования, то может и должен использоваться другой постпроцессор SOFiSTiK. Функциональная совместимость между приложениями зависит от происхождения модели, а также от процедуры генерации. Более того, данный интерфейс включает не весь необходимый функционал. Тем не менее, представленная методика разработана с учётом всех практических требований.

Преимущества генерации открытых данных и множественных пользовательских интерфейсов заключаются в том, что работа может быть выполнена с помощью лучшего инструмента/приложения, зависящего от задачи.

Ниже представлены 7 шагов методики использования Rhinoceros, Grasshopper, SOFIPLUS и TEDDY.

Шаг 1. Кривые контура поверхности свободной формы создаются в Rhino3D. Сама поверхность создаётся в Grasshopper.

Шаг 2. Создание параметрического выреза в поверхности с помощью цилиндра с заданным центром и размером в Grasshopper.

Шаг 3. Трансфер геометрии – команда “bake” (экспорт данных/геометрии из Grasshopper в Rhinoceros) в Rhinoceros. Свойства для линий контура и поверхности создаются в SOFiSTiK Rhinoceros-Interface” и

Шаг 4. сама расчётная модель (КЭ-сетка) создаётся напрямую в Rhinoceros.

Шаг 5. Импорт модели в SOFIPLUS, дополнение её нагрузками и повторная триангуляция.

Шаг 6. Созданные нагрузки могут быть конвертированы в формат задачи TEDDY (CADINP), так как может возникнуть необходимость повторно триангулировать модель (в случае если SOFIPLUS не будет способен создать такую же комплексную сетку, как в Rhinoceros (поверхности типа B-reps)).

Шаг 7. Когда вся необходимая геометрия и данные о нагрузках сгенерированы и добавлены в базу данных, дальнейший расчёт и анализ может быть продолжен в SOFiSTiK Structural Desktop согласно стандартным методикам.

5. Создание данных SOFiSTiK напрямую через Grasshopper

При создании нового проекта с помощью SOFiSTiK первичная информация о проекте определяется выбором соответствующего нормативного документа. Все библиотеки с базовой информацией (материалами, сечениями, системами преднапряжения) обычно определяются тоже в самом начале – за исключением выбранных препроцессоров. Данная информация обычно задаётся в SOFiSTiK Structural Desktop при создании нового проекта.

5.1 Создание геометрии

Объекты (точки, линии и поверхности), заданные напрямую в Rhinoceros или Grasshopper, могут быть также распознаны как структурные элементы ПК SOFiSTiK. Данные для ПК SOFiSTiK могут быть сгенерированы как с помощью интерфейса Rhinoceros, так и напрямую через Grasshopper. Рабочий процесс при использовании Grasshopper включает компоненты SOFiSTiK, которые содержат входные данные для создания сетки конечных элементов. Пользователь также может создать необходимые данные путём ручного ввода скриптов/сценариев и программных кодов. Мануальный текстовый ввод (создание скриптов) позволяет пользователю иметь доступ к расширенному функционалу, включённому в ПК SOFiSTiK (CADINP).

Данные SOFiSTiK, сгенерированные с помощью линий Rhinoceros компонентами и скриптом вручную

Структурные оси являются базовыми элементами для проектирования мостов и остальных линейных сооружений. К осям могут быть привязаны как элементы дорожного полотна, так и структурные расчётные элементы и их поперечные сечения (параметрически согласно функции/с канатами преднапряжения и т. д.). Оси могут быть созданы параметрически компонентами Grasshopper для описания геометрии. Альтернативно геометрия осей может быть импортирована в Rhinoceros из внешних ресурсов. Когда такая внешняя геометрия обновлена до нужного формата (преобразована в Rhinoceros), все связанные с ней элементы будут соответственно тоже обновлены.

Внешние кривые, привязанные к оси и данным, созданным с помощью компонентов SOFiSTiK. Переменные (расположение опор), заданы вдоль оси

5.2 Нагрузки

Компоненты SOFiSTiK в Grasshopper обеспечивают простой способ использования преимуществ сложных геометрий для определения нагрузок. Точечные, поверхностные и линейные нагрузки могут быть размещены на элементах конструкции и изменены в случае изменения геометрии конструкции автоматически. Данные, определенные для нагрузок, также изменятся соответственно.

Задание нагрузки на поверхность для элемента сложной области с помощью компонента нагрузки SOFiSTiK (см. 4.1)

5.3 Свойства поперечных сечений

Поперечные сечения для элементов балки можно выбрать из библиотеки сечений SOFiSTiK (в SOFiSTiK Structural Desktop), используя другие стандартные сечения (в SOFiSTiK Structural Desktop или с помощью скриптов (сценариев) CADINP) или определение сплошного или тонкостенного сечений пользователем. Сочетание нескольких программ AQUA также возможно. Пользователь может выбрать наиболее удобный способ, чтобы сделать определение доступным для SOFIMSHA/C до создания сетки. Поперечные сечения из других проектов, баз данных и библиотек тоже могут быть импортированы.

Импорт поперечных сечений из другой базы данных

Для поверхностей (элементов QUAD) легко задать толщину напрямую, даже если используются компоненты или прямой сценарий. Естественно, так как выбор свойств стандартных компонентов ограничен и зависит от требуемого ввода, пользователь должен найти наиболее удобный способ (например, для ортотропии или других дополнительных требований).

Толщина для поверхности, указанная в SOFiSTiK Structural Area component

6. SOFiSTiK Анализ и проектирование

Поскольку данные создаются и импортируются в SOFiSTiK Structural Desktop, пользователь может следовать стандартным рабочим процессам SOFiSTiK. Все шаблоны, скрипты практики, используемые в типичном рабочем процессе, являются действительными и годными к использованию и в данном случае.

Параметрические данные из Grasshopper могут быть переданы в папку проекта и автоматически включены в SOFiSTiK (#include + filename ... это особенные команды SOFiSTiK Teddy), так что последние данные доступны в любое время. Следует помнить, что ответственность за обновление данных несет пользователь, особенно когда обновления не нужны. В Grasshopper папка для потоковой передачи данных является прямым определением. Копирование скриптов (сценариев) из предыдущих проектов также включает потоковую передачу данных в определенные папки/файлы (старые данные автоматически перезаписываются).

Геометрия модели определена в Grasshopper и импортирована в SOFiSTiK

Поскольку все задачи в SOFiSTiK Structural Desktop можно преобразовать в задачи CADINP (см. меню щелчка правой кнопкой мыши для всех задач в SOFiSTiK Structural Desktop), они могут быть созданы непосредственно в Grasshopper или любом другом инструменте предварительной обработки, который пользователь считает наиболее эффективным (например REVIT или AutoCAD). Поскольку задачи могут быть сгенерированы инструментом параметрической предварительной обработки, они также могут быть полностью параметризованы. Степень параметризации зависит от пользователя. Это может быть простой текстовый блок (даже если это копирование/вставка из Excel) или расширенный формат, который описывается в данном тексте.

7. Пример применения для балочного моста

Параметризация проекта и всего рабочего процесса может быть написана на заказ и настроена для различных уровней сложности и типов структур. Скрипты (сценарии) допускают динамические, мгновенные изменения, которые отражаются графически. Анализ и дизайн являются итеративным процессом. Более того, именно в этом и заключается преимущество повторяющихся задач и очень быстрой оценки вариантов дизайна.

Разные страны имеют разные типовые или стандартные типы мостов. В приведенном ниже примере используется австралийский Australian PSC Super-T Girders.

Пользователь определяет вертикальную геометрию моста и опор как пунктов на этой оси.

Пользователь задаёт основную информацию о геометрии моста:

Свес
Толщина слоев асфальта
Количество балок
Длина балки в конце
Зазор между балками (при опоре)
Толщина плиты
Предопределенный тип балки (вкл. геометрию + свойства поперечного сечения)
Расстояние между балками

На основании вышеуказанной информации может быть создана полноценная расчётная модель.

Визуализация расчетной модели с 4-пролетными / 8-балочными непрерывными надстройками Super-T, созданными на основе только данных, описанных ниже

Генерация данных в SOFiSTiK также может быть автоматизирована через Grasshopper. Здесь были представлены все данные предварительного напряжения, в том числе:

Площадь и марка стали
Напряжение для предварительного напряжения
Этап конструкции для предварительного напряжения
Случай загружения для предварительного напряжения
Количество пучков для каждого слоя
Слои пучков (расстояние от низа или вершины)
Длина рукава для каждой группы пучков

На основании приведенных выше данных для SOFiSTiK была создана полноценная расчетная модель. Рабочий процесс включал в себя создание геометрии, свойств поперечного сечения и предварительного напряжения, а также этапов строительства. Дополнительные нагрузки могут быть добавлены/изменены для каждого отдельного варианта загружения в SOFiSTiK Structural Desktop. Traffic loader (задача для анализа подвижных нагрузок) может быть использована для анализа влияния нагрузки в реальном времени, а также автоматически использовать стандартные конструктивные особенности.

Модель SOFiSTiK точно соответствует геометрии модели

Этапы строительства составлены в виде скрипта (сценария), который учитывает автоматически: прогон DL / предварительное напряжение / ползучесть и усадку / бетонирование плиты / асфальтовые слои / финальные ползучесть и усадку.

Автоматизированные шаблоны проектирования могут включать функции SOFiSTiK в зависимости от поставленной задачи. Обычно проверяют первое и второе предельное состояние согласно нормативному документу страны пользователя.

Напряжения бетона t=oo в верхнем/нижнем полотне сечения балки + в верхней части бетонной плиты

Автоматическая проверка производительности в соответствии со стандартом проектирования (Md/Mu)

ПК SOFiSTiK автоматически создает отчет по расчетам для документации (свойства модели, данные предварительного напряжения,…)

Общие рекомендации для параметризации моста

Существующие скрипты могут быть повторно использованы, обновлены и изменены. Полная доступная информация о геометрии предоставляет разработчику возможность использовать одни и те же точные данные для глобальных и локальных моделей анализа, для элементов балки, поверхностей или объемных элементов, просто, когда разработчик захочет провести структурный анализ. Пользователи также могут оптимизировать свои рабочие процессы, создавая компоненты, кластеры и шаблоны.

Внешняя геометрия; геометрия считывается по оси моста

Типичные проблемы в информационном моделировании связаны с проектами мостов, где геометрия может быть сложной, что часто приводит к корректировкам на более поздней стадии проекта.

Мостовые конструкции параметризованы на внешней геометрической оси и реагируют на все изменения самой геометрической оси

Расчетные модели могут быть автоматизированы в соответствии с обновленной геометрией

Открытые данные также позволяют использовать информацию для различных приложений. Доступно множество сторонних приложений для расширения возможностей Grasshopper.

Созданные данные могут соответствовать требованиям информационного моделирования, а исходные данные для анализа SOFiSTiK полностью основаны на решении пользователя

8. Заключение

Помимо прочего, преимущество наличия интеллектуального API (интерфейса программирования) и еще более интеллектуального интерфейса скриптов дает всем пользователям возможность передавать данные анализа SOFiSTiK из различных инструментов/программ. Так как сам SOFiSTiK уже полностью параметрический – Grasshopper кажется идеальным, мощным, довольно простым для изучения и, прежде всего, нейтральным форматом данных. Это соответствует общему подходу BIM; его можно комбинировать с другими платформами BIM, такими как Revit (и его эквивалент Dynamo). Существуют сторонние платформы (например https://speckle.works), также предлагающие такой обмен данными.

Самые популярные материалы

за месяц за все время

Форумы isicad:

О проекте

Приглашаем публиковать на сайте isicad.ru новости и пресс-релизы о новых решениях и продуктах, о проводимых мероприятиях и другую информацию. Адрес для корреспонденции - info@isicad.ru

Проект isicad нацелен на

укрепление контактов между разработчиками, поставщиками и потребителями промышленных решений в областях PLM и ERP...

Подробнее

Информация для рекламодателей

Перепечатка материалов сайта допускается с согласия редакции, ссылка на isicad.ru обязательна.
Вы можете обратиться к нам по адресу info@isicad.ru.