企业借助 NX™ 软件、NX Nastran 和 Femap 解决地震工程问题;针对非线性动态条件交付关键数据

　　专注于两大研究焦点：学术和商业

　　2002 年，意大利莫利塞(Molise)发生地 震，一所位于圣格里诺地普利亚(San Giuliano di Puglia)的小学校舍倒塌，成为 意大利地震史上的转折点。灾害发生后，意 大利迅速通过新的法案，重新定义了必需根 据地震安全标准进行修整的关键区域和公 共建筑。2003 年，意大利民防部门、地球物理学与火山学研究所(INGV)、帕维亚大学以及帕维亚大学 IUSS 高等学院提出联合倡议，成立 Eucentre(欧洲地震工程教育和研究中心)，致力于推广和支持地震风险缓释行动，并开展相关培训和研究。

　　Eucentre 主要专注于两大活动领域。该机构的研究工作分为学术研究以及与企业业务需求直接相关的研究。研究工作包括土木工程(石工、钢铁、钢筋混凝土、预制件)、跨行业数值分析应用、以及为意大利乃至全世界评估地震相关风险目的而开展的地震危险性分析。例如，在商业方面，Eucentre的岩土工程和应用地震学部门，在 Carlo Lai教授的协调下，受托执行一个项目，评估和缓释东加勒比海地区的地震风险;而在拉奎拉，中心的工程师是最先抵达灾区的人员之一，目的是调查当地的战略性施工条件，如医院和公共建筑等。在学术方面，Eucentre 提供先进的培训和教育，每年从来自 130 个国家的 800 名申请人中挑选大约 50 名“最杰出的”人才。这些学生将参加理科硕士和博士学位的课程，其中还包括与世界各地其他“高等学府”合作开展的交流项目、联考及联合学位等活动，如帕特雷大学、格勒诺布尔大学以及安卡拉的中东科技大学。

　　“我们采用了美国模式，安排少量的课堂教 学时间和大量的研究任务，”Eucentre 结构 分析部门协调员 Roberto Nascimbene 博士说。“我们 60%以上的博士生都在高等院 校供职，其他人则将职业生涯定位在世界各 地领先的机构里。”

　　应用性研究的理想工具

　　Eucentre 的结构分析部门采用数值分析，处 理和解决地震工程问题以及更普遍的高级 非线性动态问题。“我们开展应用性研究工 作，直接响应企业的需求，” Nascimbene 解释道。“也就是说，我们需要解决土木、 机械、设备和工业工程方面的问题。和企业 不同的是，我们有幸可以选择各领域的最佳 工具。一接触到 Siemens PLM Software 的技术，我们立即就意识到，NX、NX Nastran 和 Femap 等解决方案组合的软件包是最 理想的工具集，我们可以用它们来开发创新 的解决方案，并根据特定应用领域调整现有 解决方案。”

　　在 Siemens PLM Software 系统为 Eucentre提供的解决方案中，土木工程，尤其是钢结构， 是最重要的应用领域之一。“很多年来，钢结 构一直属于特殊定向产品，” Nascimbene 说，“但近年来钢结构的应用不断扩大，拉圭 拉的重建项目就是很好的例证。这样一来，就 很有必要对机械工程师非常熟悉、但建筑工程 师不甚了解的问题进行研究，如同心支撑体系 的不稳定性、低周疲劳问题、结构连接的非线 性行为的高级实例、地震中典型的非线性动态 条件、以及准确预测等等。结果的准确性和可 靠性至关重要，” Nascimbene 强调道。“我 们做任何工作，都要和实验数据或其他软件进 行比对。在我们对数值模型进行验证时，NX Nastran 是不可或缺的工具。”

　　另一个需要解决的关键领域是隔震。在拉奎拉 使用非常广泛的基座隔震器，是一种结构部 件，置于建筑地基和地面之间，作用是“吸收” 震波能量。Nascimbene 解释说：“隔震器研 究所使用的是机械而非土木工程软件，采用简 单的用户界面，工程师不需要具备多年的数值 分析经验也能操作。理科硕士生或博士生应当 完全能胜任这一任务。NX Nastran 在模型复 杂性与简单的数据和参数输入之间实现了恰 当的平衡，但仍然需采用复杂的算法规则，来 分析高级非线性行为，将严重的位移和变形、 创新材料的使用、复杂的几何体以及摩擦力等 作为关键因素。”

　　Eucentre 结构分析部门从 NX Nastran® 软件的应用中获得极大收益的第三个领域是“生 命线”工程，如壳结构、储油箱和储油池、或 简单的水箱和水库等。发生地震时，这些容器 容易发生泄漏、爆炸或倒塌等风险，这个问题 对欧洲而言很严重，对美国而言更是如此，尤 其是在像阿拉斯加那样有很多提炼和采矿点 的地区。“我们的研究人员使用 NX Nastran 对带有可变形壁的钢储罐进行分析。该软件包 括一个特殊的水处理包，是对这些系统进行振 动分析的关键要素，”Nascimbene 说。“第一 个需要评价的参数，是储罐在不同液位或无液 体时的振动模式——研究人员利用速度非常 快的建模功能对非线性动态分析的不同特征 进行分析。Siemens PLM Software 的解决方 案非常灵活，99%的参数都可以由用户自行设 置。其它软件包采用的是‘黑匣子’策略，所 有值都由应用程序来处理。我们更青睐 NX Nastran，因为它提供了极大的变量选择和参 数设置自由，最终交付高度精确的结果。”

　　简洁的力量

　　对于所有结构性操作，Eucentre 主要采用集 成 NX Nastran 的 Femap™ 软件，将其结果与其它地震研究专用的开源软件解决方案进 行比对，完成对模型的验证。该软件主要面向 理科硕士和博士两类用户，他们拥有动态和数 值分析的基础知识，因而也就具备输入数据并 选择分析类型和收敛性判别规则的能力。“NX和集成 NX Nastran 的 Femap 软件的用户 友好性在市面所有其它解决方案中脱颖而 出，”Nascimbene 说。“它们的用户界面简单 到不可思议的程度，可同时又能独立完成复杂 的三维几何体建模。短短几天我们就做好了一 个基座隔震器，这在以前是从来没有过的事， 而且整个模型开发过程中，只有一位专家研究 员提供最低限度的支持，也就是一般性的指示 说明和对输入输出进行检查而已。”

　　另外一项被 Nascimbene 称赞为“非比寻常 的”优势，体现于 NX Nastran 的求解算法 中。“打开窗口后，你会发现大量的求解算 法，每个算法都能通过几个参数进行设置，”

　　Nascimbene 说。“非线性动态分析是 NX Nastran 的核心特征之一，已帮助我们弥补 了土木和结构工程之间的缺口。利用简单、 直观的界面来解决数据输入问题的非线性 动态分析软件，实在难得。”

　　Nascimbene 指出，“业内的确也有用以解决钢筋混凝土问题的工具，有些工具也有不错的界面，还有些工具带有卓越的前、后处理器;但就处理复杂的几何模型而言，市面上没有任何产品可以像西门子这样完美结合 先进的建模和预处理环境——NX、以及动态分析功能——NX Nastran。我认为，Siemens PLM Software 的技术可以在土木工程领域发挥极大的作用，为钢制桥梁等大型建筑设计项目提供独特的解决方案。”

　　Nascimbene 着重强调的另一软件优势，是分析师通过 NX Nastran 可对应用程序采取的创新方法。“NX Nastran 简单易用，但不代表分析师将被局限于自己的工作范围，相反，他可以充分利用大量的自动化机制，从中获益。”

　　非同寻常的方法

　　Eucentre 以非同寻常的方式应用 Siemens PLM Software 的解决方案。Nascimbene解释说：“创建初始模型用的是 Femap，而非 NX;然后，我们用 NX Nastran 进行详 细的分析。从一开始，我们就决定使用集成NX Nastran 的 Femap，因为这一应用软件的概念与工程师的思维方式相仿。Femap 的几何体与全球输入方法符合工程师在大学习得的技能。在创建先进的或复杂的几何体模型时，我们使用 NX。我也知道使用 Femap 创建模型的做法听起来可能有点奇怪，但我们的理由很简单：解算器比前处理器更重要。”摆型隔振器接触面的详图。 Nascimbene 说，“经过几个月的全面应用，Eucentre 从应用 Siemens PLM Software 的解决方案中获得了极大的成果。”

　　展望未来

　　此外，结构分析部门还希望重点改进两个领域。第一，Eucentre 希望实现模型参数化，以便优化土木工程项目的产品。Nascimbene 解释说：“钢结构通常由四个部分组成，分别是柱、梁、支撑和加固板。我们的目标，是通过使用单一的参数化模型，确保这些结构能够有效抗震。有了 NX 之后，我们能在非常短的时间内完成一个结构的开发，调整少量的参数。比方说，短期目标之一是创建钢结构螺栓连接的参数化模型，其中，几何体对钢件的形状以及螺栓和焊接点的建模至关重要。既然可以使用参数化模型，为什么还要一遍遍重新绘制结构图呢?”

　　第二个开发领域是计算流体动力学(CFD)，这 是结构分析部门尚待解决的领域。Nascimbene 解释说：“我们正在逐步发掘 NX Nastran 的所 有功能和潜能。这款软件具有丰富的分析功能， 蕴含着不同寻常的潜能;我们正在不断探索， 一步一步发掘更多新的可能性。其中，CFD 将 帮助我们对受风力影响的桥梁、悬吊结构或高 架结构的剖面图进行分析。”