【CAE案例】结构仿真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

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：

1. 板子的轴向（压或拉）力与扭矩结合产生的板在纵向的应力；

2. 垂直于板的剪切力产生的纵向剪切应力；

3. 板子的轴向（压或拉）力与扭矩结合产生的板在横向的应力；

4. 垂直于板的剪切力产生的横向剪切应力；

5. 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。

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