国产之光—PKPM-CAE通用仿真云计算系统

PKPM-CAE通用仿真云计算系统

一、研发背景

通用仿真软件广泛应用于土木建筑、机械制造、材料加工、汽车、航空航天等领域，是国家的工业基石之一。其系统复杂度高，物理和数学层面理论难度大，同时牵涉多学科的交叉协同，因此开发难度大、成本高、周期长。

由于国内对通用仿真软件的研究起步较晚，导致该领域长期被欧美国家垄断，属于典型的“卡脖子”领域，在一定程度上已经影响国家的工业数据安全。

2021年11月，工信部发布《“十四五”软件和信息技术服务业发展规划》，明确提出要重点突破工业软件，研发推广计算机辅助设计、仿真、计算等工具软件，探索开放式工业软件架构、系统级设计与仿真等技术路径。

北京构力科技经过多年技术攻坚，研发完成PKPM-CAE通用仿真云计算系统，实现通用仿真模拟成套技术突破。

PKPM-CAE拥有完整且自主可控的仿真前后处理系统、任务调度系统、网格划分内核和通用有限元计算内核。该系统对标国外的主流商业仿真软件（abaqus、ansys等），致力于满足国内土木乃至全工业领域绝大部分通用仿真需求。

图1 软件首页

二、产品模式

PKPM-CAE软件是一套基于云原生技术开发的CAE通用仿真系统，包括桌面版和WEB版（云版），两者操作界面完全一样，且桌面版可与web版进行项目交互（拉取和推送），从而实现了两者的统一。

图2 本地拉取和推送云端

三、产品功能

1. 网格划分

PKPM-CAE拥有完全自主知识产权的二维和三维网格划分引擎，可满足常规建筑结构和工业领域的网格划分需求。

图3 体育馆二维网格划分示例

图4 骨头三维网格划分示例

2. 模拟分析

PKPM-CAE拥有完全自主知识产权的通用有限元分析内核，其分析功能包括模态、静力、稳定性、隐式/显式动力学、谐响应、谱分析等，其单元库包括梁、杆、索、板、壳、膜、三维实体、以及连接单元和表面单元等，支持cpu和gpu多核并行（云版和Linux版）。

图5 模态分析（带拉索和预应力）

图6 静力学分析

图7 隐式/显式动力学分析（弹塑性）

图8 稳定性分析

图9 谐响应分析

图10 谱分析

3. 非线性

PKPM-CAE支持的非线性形式包括几何、材料（弹塑性）、接触等，支持生死单元和超级单元技术。

图11 几何非线性静力卷曲示例

图12 复杂节点弹塑性分析示例

图13 无梁楼盖倒塌分析示例

图14 冲击侵彻分析示例

图15 基坑开挖施工模拟示例（生死单元）

4. 广义连接

PKPM-CAE支持耦合、绑定、嵌入等多种广义连接，支持自定义约束方程和主从自由度。

图16 节点绑定示例

图17 型钢混凝土嵌入示例

5. 接口

PKPM-CAE提供丰富的外部接口，可导入PKPM结构设计模型或abaqus/ansys等有限元计算模型，同时正在扩展stl、igs、obj等通用几何模型接口。

图18 结构设计模型导入（PKPM模型）

图19 有限元模型导入（ANSYS模型）

四、项目案例

1. 复杂节点分析

构力科技与东南大学建筑设计研究院有限公司合作，采用PKPM-CAE对某综合楼的复杂节点进行分析复核，与abaqus结果进行对比验证，分析计算结果基本一致。该综合楼模型以及主要进行分析的节点具体分布位置、节点平立面如下图所示。

图20 某综合楼项目模型图

（a）平面位置示意图 （b）钢管混凝土格构柱节点（节点1）平面图

（c）空腹桁架节点（节点2）平面图 （d）空腹桁架节点（节点2）立面图

图21 分析节点位置及节点平立面

1.%2 节点1

针对于上述格构柱与箱型梁连接节点，进行有限元分析，具体分析过程及结果如下。

（a）设计模型 （b）分析划分

（c）绑定连接图示 （d）耦合连接图示

图22 格构柱节点设计及分析模型

其结构模型如图（a）所示，分析模型如图（b）所示，该格构柱节点内部有大量的加劲肋，采用非协调网格划分，并设置相应的绑定连接和耦合连接，如图（c）和（d）所示，图（d）中有处内部加劲肋在原模型中采用mpc-tie近似连接，本文将其改为耦合连接，相对来说更加刚性。

表1 最不利工况下节点荷载（1.3恒+1.5活+0.9风）

构件名称	轴力(kN)	剪力(kN)	弯矩(kN·m)
箱型钢梁GL1	-1382.21	2484.97	6826.62
箱型钢梁GL2	-835.95	-4421.22	9687.29
工字型钢梁GL3	236.76	360.52	1586.52
钢管混凝土格构柱GGZ1	-15476.96	-861.82	-2303.41

经计算可知，在1.3恒+1.5活+0.9风的荷载工况下节点处于最不利状态（具体荷载见表1），在此工况下节点变形及Mises应力分布如下图所示，同时提供了abaqus结果和pkpm-cae结果，两者相差甚微。另外，由计算结果可知，此时全节点仍处于弹性工作状态。

（a） abaqus位移结果

（b） pkpm-cae位移结果

（c） abaqus应力结果

（d） pkpm-cae应力结果

图23 格构柱节点abaqus和pkpm-cae结果对比

2.%2 节点2

针对于上述空腹桁架连接节点，进行有限元分析，具体分析过程及结果如下。

其结构模型如下图（a）所示，分析模型如图（b）所示，该空腹桁架节点内部有加劲肋，采用非协调网格划分，并设置相应的绑定连接和耦合连接，如图（c）和（d）所示。

经计算可知，在1.3恒+1.5活+0.9温度作用的荷载工况下节点处于最不利状态（具体荷载见表2），在此工况下节点变形和Mises应力分布如下图所示。由计算结果可知，节点最大应力为416.1MPa，出现在与下部钢管柱与节点的连接位置，为局部的应力集中，小于材料的屈服强度420MPa；说明全节点仍处于弹性工作状态。

表2 最不利工况下节点荷载（1.3恒+1.5活+0.9温度作用）

构件名称	轴力(kN)	剪力(kN)	弯矩(kN·m)
箱型钢梁GL1	2169.24	-1527.71	-1736.79
箱型钢梁GL2	3988.02	-572.94	-1349.29
变截面工字型钢梁GL3	358.79	209.825	486.27
钢管柱GZ1	98.72	-3538.386	2478.01

（a）设计模型 (b) 分析划分

（c）绑定连接图示 (d)耦合连接图示

图24 空腹桁架节点设计及分析模型

（a） abaqus位移结果

（b） pkpm-cae位移结果

（c） abaqus应力结果

（d） pkpm-cae应力结果

图25 空腹桁架节点abaqus和pkpm-cae结果对比