结构力学仿真软件：Strand7：Strand7中二维与三维实体建模

结构力学仿真软件：Strand7：Strand7中二维与三维实体建模1引导：结构力学仿真软件Strand7的二维与三维实体建模1.1Strand7软件概述Strand7是一款功能强大的结构分析和设计软件，由Strand7有限公司开发。它提供了全面的解决方案，适用于各种结构力学问题，包括线性、非线性、动态、热力学和流体动力学分析。Strand7的建模功能支持二维和三维实体的创建，这使得用户能够精确地模拟和分析复杂结构。1.2Strand7在结构力学分析中的应用Strand7在结构力学分析中的应用广泛，涵盖了桥梁、建筑、机械、航空航天等多个领域。它能够处理静态、动态、热力学和流体动力学等多种类型的分析，为工程师提供全面的结构性能评估。例如，在桥梁设计中，Strand7可以用于分析桥梁在不同载荷条件下的应力分布、位移和稳定性，确保设计的安全性和经济性。1.3Strand7软件界面介绍1.3.1主界面Strand7的主界面直观且用户友好，主要由菜单栏、工具栏、模型视图窗口和状态栏组成。菜单栏提供了软件的所有功能选项，包括文件操作、建模、分析、后处理等。工具栏则包含了常用的快捷按钮，便于快速访问。模型视图窗口是用户进行建模和查看分析结果的主要区域，支持三维视图和多种视图操作。状态栏显示当前操作的状态信息，帮助用户了解软件的运行情况。1.3.2建模界面在建模界面，Strand7提供了丰富的几何建模工具，包括点、线、面和体的创建、编辑和操作。用户可以通过导入CAD模型或直接在软件中创建模型。建模工具支持精确的尺寸输入和参数化建模，确保模型的准确性和灵活性。维建模二维建模主要用于平面结构的分析，如桥梁的横截面、建筑的平面图等。在Strand7中，二维建模可以通过以下步骤进行：创建点：使用Point命令在模型视图中定义几何的顶点。创建线：通过Line命令连接点，形成结构的边界。创建面：使用Surface命令将线围成的区域定义为面，可以是实心或空心的面。维建模三维建模用于模拟空间结构，如整个桥梁、建筑或机械部件。三维建模在Strand7中更为复杂，但功能也更强大：创建点：与二维建模类似，但点可以在三维空间中定位。创建线：连接三维空间中的点，形成结构的边缘。创建面：通过Surface命令，将三维线围成的区域定义为面。创建体：使用Volume命令，将多个面围成的区域定义为实体，这是三维建模的核心。1.3.3分析界面分析界面是进行结构力学分析的地方，用户可以设置分析类型、材料属性、边界条件和载荷。Strand7支持多种分析类型，包括但不限于：线性静态分析：分析结构在静态载荷下的响应。非线性分析：考虑材料非线性和几何非线性，分析结构在极端条件下的行为。动态分析：分析结构在动态载荷下的响应，如地震、风载荷等。热力学分析：分析结构在温度变化下的热应力和变形。1.3.4后处理界面后处理界面用于查看和分析计算结果。Strand7提供了丰富的后处理工具，包括应力云图、位移矢量图、变形图和动画等。用户可以通过这些工具直观地理解结构的性能，为设计优化提供依据。1.4示例：创建一个简单的三维实体假设我们要在Strand7中创建一个简单的立方体实体，以下是具体步骤：创建点：首先在三维空间中定义立方体的八个顶点。创建线：连接这些点，形成立方体的12条边。创建面：使用Surface命令，将线围成的六个面定义为立方体的表面。创建体：最后，使用Volume命令，将六个面围成的区域定义为立方体实体。虽然Strand7的操作主要通过图形界面进行，但也可以使用脚本语言进行自动化建模。以下是一个使用Strand7脚本创建立方体的示例：#Strand7脚本示例：创建一个立方体实体

#定义立方体的尺寸

length=1.0

width=1.0

height=1.0

#创建点

p1=Point(0,0,0)

p2=Point(length,0,0)

p3=Point(length,width,0)

p4=Point(0,width,0)

p5=Point(0,0,height)

p6=Point(length,0,height)

p7=Point(length,width,height)

p8=Point(0,width,height)

#创建线

l1=Line(p1,p2)

l2=Line(p2,p3)

l3=Line(p3,p4)

l4=Line(p4,p1)

l5=Line(p5,p6)

l6=Line(p6,p7)

l7=Line(p7,p8)

l8=Line(p8,p5)

l9=Line(p1,p5)

l10=Line(p2,p6)

l11=Line(p3,p7)

l12=Line(p4,p8)

#创建面

s1=Surface(l1,l2,l3,l4)

s2=Surface(l5,l6,l7,l8)

s3=Surface(l1,l2,l10,l9)

s4=Surface(l3,l2,l6,l11)

s5=Surface(l4,l3,l11,l12)

s6=Surface(l4,l1,l9,l12)

#创建体

v1=Volume(s1,s2,s3,s4,s5,s6)1.4.1示例解释在上述脚本中，我们首先定义了立方体的尺寸，然后创建了八个点来表示立方体的顶点。接着，我们创建了12条线来连接这些点，形成立方体的边。之后，我们创建了六个面，分别对应立方体的六个表面。最后，我们使用Volume命令将这六个面围成的区域定义为一个立方体实体。通过这个示例，我们可以看到Strand7脚本语言的强大和灵活性，它允许用户以编程的方式创建复杂的几何模型，从而提高建模效率和准确性。以上内容详细介绍了Strand7软件的概述、在结构力学分析中的应用以及软件界面的介绍，包括主界面、建模界面、分析界面和后处理界面。通过一个创建三维立方体实体的示例，我们展示了Strand7脚本语言的使用方法，为用户提供了建模的指导。2维实体建模基础2.1维建模前的准备工作在开始使用Strand7进行二维实体建模之前，有几个关键步骤需要完成以确保建模过程的顺利进行：定义材料属性：在Strand7中，首先需要定义材料属性，包括弹性模量、泊松比等，这些属性将直接影响结构的力学行为。设定几何参数：确定结构的尺寸和形状，这包括长度、宽度、厚度等，确保这些参数与实际结构相匹配。选择坐标系：根据结构的布局和分析需求，选择合适的坐标系。Strand7支持多种坐标系，包括笛卡尔坐标系和极坐标系。定义边界条件：明确结构的约束和载荷，这包括固定端、自由端、力和压力等，边界条件对结构的响应至关重要。创建节点和元素：在Strand7中，结构由节点和连接这些节点的元素构成。节点是结构的几何点，而元素则是结构的组成部分，如梁、板或壳。2.2创建二维几何形状在Strand7中创建二维几何形状，主要通过以下几种方式：直接绘制：使用Strand7的图形用户界面，可以直接在屏幕上绘制线、圆、矩形等基本形状。导入CAD文件：Strand7支持从多种CAD软件导入文件，如AutoCAD的DXF文件，这使得复杂几何形状的建模更加便捷。使用脚本语言：Strand7提供了一种脚本语言，允许用户通过编程的方式创建和修改几何形状，这对于需要重复建模或参数化设计的情况非常有用。2.2.1示例：使用脚本语言创建矩形#Strand7脚本示例：创建一个矩形

#定义矩形的尺寸

length=10.0

width=5.0

#创建矩形的四个角点

node1=CreateNode(0.0,0.0,0.0)

node2=CreateNode(length,0.0,0.0)

node3=CreateNode(length,width,0.0)

node4=CreateNode(0.0,width,0.0)

#创建矩形的四条边

edge1=CreateEdge(node1,node2)

edge2=CreateEdge(node2,node3)

edge3=CreateEdge(node3,node4)

edge4=CreateEdge(node4,node1)

#创建矩形面

CreateFace([edge1,edge2,edge3,edge4])2.3维网格划分技术网格划分是结构分析中的关键步骤，它将连续的几何形状离散化为一系列有限的单元，以便进行数值计算。在Strand7中，网格划分可以通过以下几种方式进行：自动网格划分：Strand7提供了自动网格划分工具，可以根据设定的网格尺寸和质量标准自动生成网格。手动网格划分：用户可以手动选择节点和元素，定义网格的尺寸和形状，这对于需要精细控制网格的地方非常有用。网格优化：Strand7还提供了网格优化功能，可以自动调整网格以提高计算效率和精度。2.3.1示例：自动网格划分在Strand7中，可以使用以下命令进行自动网格划分：#Strand7脚本示例：自动网格划分

#定义网格尺寸

meshSize=1.0

#对整个模型进行自动网格划分

MeshAll(meshSize)2.3.2说明在上述脚本中，MeshAll函数用于对整个模型进行网格划分，meshSize参数定义了网格的基本尺寸。通过调整meshSize的值，可以控制网格的精细程度，较小的meshSize将生成更细的网格，但也会增加计算的时间和资源需求。通过这些步骤和示例，可以有效地在Strand7中进行二维实体建模和网格划分，为后续的结构分析奠定坚实的基础。3维实体建模进阶3.1维建模的理论基础在结构力学仿真软件如Strand7中，三维实体建模是基于有限元分析原理进行的。有限元方法将复杂的结构分解为许多小的、简单的部分，即“单元”，然后对这些单元进行分析，最后将结果综合起来得到整个结构的性能。三维实体建模中，单元可以是四面体、六面体、楔形体等，这些单元能够更准确地模拟结构的真实几何和物理特性。3.1.1基本概念节点(Node)：结构上的点，是有限元网格的基本组成元素。单元(Element)：由节点组成的几何体，用于模拟结构的一部分。网格(Mesh)：由单元组成的集合，用于近似结构的几何形状和物理行为。3.1.2理论应用在进行三维实体建模时，需要考虑材料属性、边界条件、载荷等因素。例如，对于一个承受压力的三维实体，需要在模型中定义材料的弹性模量、泊松比等属性，以及压力的大小和方向。3.2构建三维几何实体在Strand7中，构建三维几何实体可以通过导入CAD模型或直接在软件中创建。直接创建实体通常涉及以下步骤：定义坐标系：确定模型的参考坐标系。创建基本形状：如立方体、圆柱、球体等。编辑实体：通过移动、旋转、缩放等操作调整实体的位置和尺寸。组合实体：使用布尔运算（如并集、差集、交集）来创建复杂的几何形状。3.2.1实例操作假设我们需要创建一个简单的立方体实体，然后将其与一个圆柱体实体进行差集运算，以模拟一个带有孔洞的结构。//创建立方体实体

CreateBox100,100,100;

//创建圆柱体实体

CreateCylinder50,50,100;

//将圆柱体实体移动到立方体实体的中心位置

Move0,0,50;

//对立方体和圆柱体进行差集运算

Subtract2from1;在上述代码中，CreateBox和CreateCylinder命令用于创建基本的几何实体，Move命令用于调整实体的位置，而Subtract命令则用于执行布尔运算。3.3高级三维网格划分网格划分是三维实体建模中的关键步骤，它直接影响到分析的精度和计算效率。Strand7提供了多种网格划分工具，包括自动网格划分和手动网格划分，以及对网格进行细化和优化的选项。3.3.1网格划分策略自动网格划分：软件根据实体的几何形状和用户定义的网格尺寸自动创建网格。手动网格划分：用户可以指定特定区域的网格密度，或直接在实体上创建网格。网格优化：通过调整网格的形状和大小，提高计算效率和分析精度。3.3.2实例操作假设我们有一个复杂的三维实体，需要对其进行网格划分，以准备进行结构力学分析。//自动网格划分

MeshAll;

//手动细化特定区域的网格

Refine1,10;

//优化网格质量

OptimizeMesh;在上述代码中，MeshAll命令用于对所有实体进行自动网格划分，Refine命令用于手动细化特定实体的网格，而OptimizeMesh命令则用于优化整个模型的网格质量。通过以上步骤，我们可以创建和准备复杂的三维实体模型，以进行精确的结构力学分析。在实际操作中，可能需要根据具体问题调整建模和网格划分的参数，以达到最佳的分析效果。4材料属性与载荷应用4.1定义材料属性在进行结构力学仿真时，准确定义材料属性至关重要。Strand7提供了多种材料模型，包括但不限于线弹性、塑性、复合材料等。以下是如何在Strand7中定义材料属性的步骤：打开材料属性对话框：在主菜单中选择“材料”>“定义材料属性”，或使用快捷键Ctrl+M。选择材料模型：在对话框中，选择适合的材料模型。例如，对于线弹性材料，选择“线弹性”。输入材料参数：根据所选材料模型，输入相应的材料参数。对于线弹性材料，需要输入弹性模量（E）和泊松比（ν）。保存材料属性：输入完所有参数后，点击“保存”以保存材料属性。4.1.1示例：定义线弹性材料假设我们正在定义一种线弹性材料，其弹性模量为200GPa，泊松比为0.3。#在Strand7中定义线弹性材料的示例代码

#定义材料属性

material={

"name":"Steel",

"type":"LinearElastic",

"E":200e9,#弹性模量，单位为Pa

"nu":0.3#泊松比

}

#保存材料属性

save_material(material)请注意，上述代码示例是基于Strand7API的简化版本，实际使用中可能需要调用特定的API函数来定义和保存材料属性。4.2应用边界条件边界条件在结构分析中用于模拟结构与周围环境的相互作用。在Strand7中，可以应用固定约束、铰链约束、滑动约束等。选择边界条件类型：在“边界条件”菜单中，选择合适的边界条件类型。选择应用对象：选择模型中需要应用边界条件的节点或元素。设置边界条件参数：根据所选边界条件类型，设置相应的参数。例如，对于固定约束，通常不需要设置额外参数。确认应用：点击“应用”以将边界条件应用到所选对象上。4.2.1示例：应用固定约束假设我们正在对模型中的一个节点应用固定约束。#在Strand7中应用固定约束的示例代码

#选择节点

node=select_node(1)

#应用固定约束

apply_fixed_constraint(node)此代码示例同样基于Strand7API的简化版本，实际应用中需调用正确的API函数。4.3加载荷与载荷组合加载荷是结构分析中的关键步骤，它包括施加力、压力、温度载荷等。Strand7支持多种载荷类型和载荷组合。定义载荷：在“载荷”菜单中，选择载荷类型并定义其参数。应用载荷：选择模型中需要加载荷的节点或元素，并应用载荷。定义载荷组合：在“载荷组合”菜单中，定义不同载荷的组合方式，以模拟实际工况。运行分析：在定义完所有载荷和载荷组合后，运行结构分析。4.3.1示例：施加力载荷假设我们正在对模型中的一个节点施加100N的力载荷。#在Strand7中施加力载荷的示例代码

#选择节点

node=select_node(1)

#定义力载荷

force={

"Fx":100,#在x方向上的力，单位为N

"Fy":0,

"Fz":0

}

#应用力载荷

apply_force(node,force)4.3.2示例：定义载荷组合假设我们正在定义一个载荷组合，包括两个载荷：Load1和Load2。#在Strand7中定义载荷组合的示例代码

#定义载荷组合

load_combination={

"name":"LC1",

"loads":[

{"name":"Load1","factor":1.0},

{"name":"Load2","factor":0.5}

]

}

#保存载荷组合

save_load_combination(load_combination)以上代码示例展示了如何在Strand7中定义和应用材料属性、边界条件以及载荷和载荷组合。在实际操作中，应根据具体需求调整参数和选择合适的模型。5分析设置与求解5.1选择分析类型在进行结构力学分析时，首先需要确定分析类型。Strand7提供了多种分析类型，包括静力分析、动力分析、模态分析、热分析等。选择正确的分析类型对于获得准确的分析结果至关重要。例如，进行静力分析时，我们关注的是结构在恒定载荷下的响应。在Strand7中，可以通过以下步骤选择静力分析：打开Strand7软件。在主菜单中选择“Analysis”。从下拉菜单中选择“StaticAnalysis”。5.2设置求解参数设置求解参数是确保分析顺利进行的关键步骤。这包括定义材料属性、网格划分、边界条件和载荷等。5.2.1材料属性在Strand7中，定义材料属性通常涉及以下参数：弹性模量（E）泊松比（ν）密度（ρ）屈服强度（fy）例如，定义一个钢材料：在材料库中选择“Steel”。

调整弹性模量为200e9N/m^2。

设置泊松比为0.3。5.2.2网格划分网格划分决定了模型的精度。在Strand7中，可以手动或自动划分网格。选择“Mesh”菜单下的“AutoMesh”。

设置最大边长为0.1m。5.2.3边界条件边界条件定义了模型的约束。在Strand7中，可以设置固定约束、滑动约束、旋转约束等。选择“BoundaryConditions”。

在模型上选择需要约束的节点或面。

设置约束类型，如“Fixed”。5.2.4载荷载荷定义了作用在结构上的外力。在Strand7中，可以添加点载荷、面载荷、体载荷等。选择“Loads”。

在模型上选择需要加载的节点或面。

设置载荷值，如1000N。5.3运行分析与结果查看完成模型设置后，可以运行分析并查看结果。5.3.1运行分析在Strand7中，运行分析的步骤如下：选择“Analysis”菜单下的“Solve”。确认所有设置无误后，点击“OK”。5.3.2结果查看分析完成后，可以查看位移、应力、应变等结果。选择“Results”菜单下的“Displacements”。

选择“Results”菜单下的“Stresses”。

选择“Results”菜单下的“Strains”。为了更直观地查看结果，可以使用云图显示：在“Results”菜单下选择“CloudPlot”。

选择需要显示的结果类型，如“vonMisesStress”。

调整显示参数，如最小值、最大值。通过以上步骤，可以完成在Strand7中的分析设置与求解过程。每一步都需要仔细检查，确保模型的准确性和分析的可靠性。6案例研究与实践6.1维实体建模案例分析6.1.1案例背景在结构力学仿真中，二维实体建模常用于分析桥梁、墙体、薄板等结构。本案例将通过分析一座桥梁的建模过程，展示如何在Strand7中创建二维实体模型。6.1.2模型创建定义材料属性：首先，需要定义桥梁所用材料的属性，如混凝土或钢材的弹性模量、泊松比等。创建几何模型：使用Strand7的2D建模工具，绘制桥梁的平面轮廓，包括桥面、桥墩和基础。网格划分：对桥梁的平面轮廓进行网格划分，选择合适的单元类型，如四边形或三角形单元。6.1.3载荷施加静态载荷：如车辆载荷、自重等，通过定义载荷集，将载荷施加到模型上。动态载荷：如风载荷、地震载荷，通过时间历程或频谱分析施加。6.1.4结果分析应力分析：检查桥梁在不同载荷下的应力分布，确保其在安全范围内。位移分析：分析桥梁的最大位移，评估其稳定性。6.1.5示例代码#Strand7PythonAPI示例：创建二维桥梁模型

importstrand7

#创建新的Strand7模型

model=strand7.Model()

#定义材料属性

material=model.Materials.Add()

material.Name="Concrete"

material.Type=strand7.MaterialType.Isotropic

material.ElasticModulus=30000#单位：MPa

material.PoissonRatio=0.2

#创建几何模型

#绘制桥面

beam=model.Geometry.Beams.Add()

beam.StartPoint=[0,0,0]

beam.EndPoint=[100,0,0]

beam.CrossSection=strand7.CrossSection.Rectangle

beam.Width=10

beam.Height=1

#绘制桥墩

column=model.Geometry.Beams.Add()

column.StartPoint=[50,-10,0]

column.EndPoint=[50,0,0]

column.CrossSection=strand7.CrossSection.Rectangle

column.Width=2

column.Height=10

#网格划分

model.Geometry.Mesh()

#施加载荷

#静态载荷：车辆载荷

load_case=model.LoadCases.Add()

load_case.Name="VehicleLoad"

load_case.Type=strand7.LoadCaseType.Static

load=model.Loads.Add()

load.Type=strand7.LoadType.Point

load.Point=[50,0,0]

load.Force=[0,-100,0]#单位：kN

#动态载荷：地震载荷

load_case_dynamic=model.LoadCases.Add()

load_case_dynamic.Name="EarthquakeLoad"

load_case_dynamic.Type=strand7.LoadCaseType.Dynamic

load=model.Loads.Add()

load.Type=strand7.LoadType.Acceleration

load.Point=[0,0,0]

load.Acceleration=[0,0,-10]#单位：m/s^2

#分析模型

model.Analyze()

#输出结果

#应力分析

stress_results=model.Results.Stress()

print("StressResults:",stress_results)

#位移分析

displacement_results=model.Results.Displacement()

print("DisplacementResults:",displacement_results)6.1.6解释上述代码展示了如何使用Strand7的PythonAPI创建一个二维桥梁模型，包括定义材料属性、创建几何模型、施加载荷和分析结果。通过分析应力和位移，可以评估桥梁的结构性能。6.2维实体建模项目实践6.2.1项目背景三维实体建模在结构力学仿真中用于更复杂结构的分析，如高层建筑、隧道等。本项目将通过建模一座高层建筑，展示三维实体建模的全过程。6.2.2模型创建定义材料属性：与二维建模类似，但可能需要更详细的属性，如材料的密度。创建几何模型：使用Strand7的3D建模工具，构建建筑的三维模型，包括楼板、柱子和墙体。网格划分：对三维模型进行网格划分，选择三维实体单元，如六面体单元。6.2.3载荷施加静态载荷：如建筑自重、雪载荷等。动态载荷：如风载荷、地震载荷，通过时间历程或频谱分析施加。6.2.4结果分析应力分析：检查建筑在不同载荷下的应力分布。位移分析：分析建筑的最大位移，评估其抗震性能。6.2.5示例代码#Strand7PythonAPI示例：创建三维建筑模型

importstrand7

#创建新的Strand7模型

model=strand7.Model()

#定义材料属性

material=model.Materials.Add()

material.Name="Steel"

material.Type=strand7.MaterialType.Isotropic

material.ElasticModulus=200000#单位：MPa

material.PoissonRatio=0.3

material.Density=7850#单位：kg/m^3

#创建几何模型

#绘制楼板

slab=model.Geometry.Slabs.Add()

slab.Points=[[0,0,0],[100,0,0],[100,100,0],[0,100,0]]

slab.Thickness=1

#绘制柱子

column=model.Geometry.Beams.Add()

column.StartPoi