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研究生:林柏州
研究生(外文):Bo-Zhou Lin
論文名稱:物件導向非線性靜動態三維結構分析程式之研發
論文名稱(外文):Development of An Object-Oriented Nonlinear Static and Dynamic 3D Structural Analysis Program
指導教授:蔡克銓蔡克銓引用關係
指導教授(外文):Keh-Chyuan Tsai
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣大學
系所名稱:土木工程學研究所
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2003
畢業學年度:91
語文別:中文
論文頁數:160
中文關鍵詞:物件導向設計模式電腦數值模擬非線性三維結構分析
外文關鍵詞:Object-OrientedDesign PatternComputer Numerical SimulationNonlinear 3D Structural Analysis
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本研究使用統一化軟體開發流程,以具備物件導向機制之C++程式語言,搭配統一化模型語言與設計模式的應用,研發一全新之物件導向非線性三維結構分析平台PISA3D(Platform of Inelastic Structural Analysis for 3D Systems),其目標使用者包括工程實務界與學術研究界。PISA3D具有便利的自由輸入指令格式,並可彈性組合不同靜、動力分析模式與模態分析模式,以模擬分析結構系統受不同特性外力之過程反應,例如靜力側推、反覆側推、地震模擬或餘震分析。同時PISA3D之物件導向架構具備高度可維護性與擴充彈性,可任意抽換、衍生及組合引用程式庫中的不同物件,解決不同形式之結構模擬問題。
PISA3D可建立完全非線性之三維結構數值模型,其結構材料庫包含了線彈性材料、具應變硬化段的雙線性材料、可模擬金屬材料行為的兩面理論硬化材料,以及用以模擬RC構件行為的三參數衰減材料共四種。非線性結構元件庫具備基本的桁架元件、塑鉸模型之梁柱元件、供模擬梁柱交會區的接點元件、建築結構常見的結構牆元件,及應用於結構被動控制系統的速度型阻尼器元件共五種。此五種結構元件皆可與結構材料庫之所有材料作搭配,因此分析者將可組合選用二十種不同特性之結構元件以執行結構模擬與分析。論文內容同時介紹了PISA3D之物件導向軟體架構與開發過程,以及說明後續研究者擴充程式庫的方式。另外本論文並包含PISA3D之分析實例以及使用說明書,提供分析者應用PISA3D之參考。
Structural analysis is a very important procedure in modern research and practice of earthquake engineering. The demands on nonlinear dynamic structural analysis are increasing and changing rapidly. This research adopts the Unified Process and C++, a combined programming language with object-oriented mechanisms, to develop a new object-oriented structural analysis computational platform entitled “Platform of Inelastic Structural Analysis for 3D Systems”, PISA3D. In constructing this software framework, the Unified Modeling Language and the Design Pattern are also applied.
PISA3D provides a user-friendly input format for commands with full free format. Engineers and researchers can apply PISA3D to simulate the responses of structural systems under static loads or displacements, cyclic loads or displacements, earthquake ground accelerations, and earthquake aftershocks by combining various analysis methods. In addition, the PISA3D is well extensible and easy to maintain due to object-oriented nature of the framework. Users can make replacements, derivation, or combination of the object libraries in PISA3D to solve different types of problems in the structural simulation.
Users can conveniently build nonlinear numerical models for 3D structures using the material and element libraries provided in PISA3D. Currently, there are 4 types of yielding rules in the material library, including linearly-elastic, bilinear, two-surface plastic hardening, and 3 parameters degrading material. The element library of PISA3D currently consists of 5 types of nonlinear elements, including truss element, beamcolumn element with the hinge model, joint element, structural panel element, and velocity-dependent damper element with the Kelvin model. All these elements can use the objects in the material library, therefore, a total of 20 elements with different characteristics is available for the simulation of the structural responses. This report describes the framework of the object-oriented programming applied for the development of the PISA3D. Nonlinear finite elements are described in detail. Test examples and user’s manual are provided to assist the reader in applying the PISA3D program. A flexibility-based fiber axial-flexural beam-column element is developed in a separate research. A graphic post processor VISA3D developed in a separate research is also available to allow the user to graphically inspect the accuracy of the numerical model, statically or dynamically display the mode shapes, deformed shaped, extent and locations of plastic hinge formations.
誌謝 一
摘要 二
Abstract 三
目錄 四
表目錄 九
圖目錄 十
第一章 緒論 1-1
1.1 前言 1-1
1.2 研究動機 1-2
1.3 研究內容 1-4
第二章 常用之結構分析軟體簡介與比較 2-1
2.1 SAP and ETABS 2-1
2.2 DRAIN Series 2-2
2.3 PISA2D 2-5
2.4 OpenSEES 2-7
2.5 結論 2-9
第三章 PISA3D之物件導向開發過程 3-1
3.1 統一化軟體開發流程 3-1
3.2 統一化模型語言 3-4
3.3 物件導向程式分析 3-5
3.3.1 需求分析 3-5
3.3.2 使用案例分析 3-7
3.3.3 程式架構分析 3-8
3.4 物件導向程式設計 3-8
3.4.1 物件導向機制應用 3-9
3.4.1.1 封裝 3-9
3.4.1.2 多元性 3-10
3.4.1.3 繼承與抽象化 3-11
3.4.1.4 複合 3-13
3.4.2 設計模式應用 3-14
3.4.2.1 Bridge Pattern 3-14
3.4.2.2 Strategy Pattern 3-15
3.4.2.3 Prototype Pattern 3-16
3.4.2.4 Factory Pattern and Command Pattern 3-17
3.4.3 循序圖 3-18
3.4.4 設計類別圖 3-20
3.5 物件導向程式實作 3-20
3.5.1 軟硬體架構 3-20
3.5.2 程式實作 3-21
3.5.3 記憶體限制 3-22
第四章 PISA3D之功能介紹及原理 4-1
4.1 使用者介面 4-1
4.1.1 輸入格式 4-1
4.1.2 輸入檔案內容 4-3
4.1.3 輸入與輸出檔案 4-6
4.2 結構分析模式 4-9
4.2.1 非線性靜力分析模式 4-10
4.2.1.1 單步重力分析 4-10
4.2.1.2 力量控制分析 4-10
4.2.1.3 位移控制分析 4-11
4.2.2 模態分析模式 4-11
4.2.2.1 次空間法模態分析 4-11
4.2.2.2 比例阻尼係數 4-12
4.2.3 非線性動力分析模式 4-13
4.2.3.1 地表加速度紀錄歷時分析 4-14
4.2.3.2 數值積分方法 4-14
4.2.3.3 Newmark-β Method 4-15
4.3 結構材料庫 4-17
4.3.1 線彈性材料 4-18
4.3.2 雙線性材料 4-18
4.3.2.1 斜率處理方式 4-18
4.3.2.2 材料的各種狀態 4-19
4.3.3 兩面理論硬化材料 4-20
4.3.3.1 硬化規則 4-20
4.3.3.2 斜率處理方式 4-21
4.3.3.3 材料的各種狀態 4-24
4.3.4 三參數衰減材料 4-25
4.3.4.1 斜率處理方式 4-26
4.3.4.2 材料的各種狀態 4-28
4.4 結構元件庫 4-30
4.4.1 桁架元件 4-31
4.4.1.1 勁度矩陣 4-31
4.4.1.2 元件內力計算與狀態尋找 4-32
4.4.2 梁柱元件 4-32
4.4.2.1 勁度矩陣 4-33
4.4.2.2 元件內力計算與狀態尋找 4-37
4.4.2.3 元件其他特性 4-37
4.4.3 接點元件 4-38
4.4.3.1 勁度矩陣 4-38
4.4.4 結構牆元件 4-39
4.4.4.1 勁度矩陣 4-40
4.4.4.2 元件內力計算與狀態尋找 4-42
4.4.5 速度型阻尼器元件 4-42
4.4.5.1 元件內力計算與狀態尋找 4-43
4.4.5.2 阻尼矩陣 4-44
4.4.5.3 速度型阻尼器元件其他特性 4-45
4.5 程式其他功能 4-46
4.5.1 複數之分析模式組合與執行 4-46
4.5.2 三維剛性樓版 4-48
4.5.2.1 指定剛性樓版 4-48
4.5.2.2 剛性樓版基本原理 4-49
4.5.3 端部剛域 4-51
4.5.4 內力互制曲面 4-53
4.5.5 幾何非線性勁度 4-54
4.5.6 結構元件固端力 4-56
4.5.7 線性節點彈簧 4-56
4.5.8 斷面力與能量分佈群組之計算 4-57
第五章 PISA3D結構模擬與分析實例 5-1
5.1 含速度型阻尼器三維鋼結構動力分析 5-1
5.1.1 PISA3D分析模型 5-1
5.1.2 分析結果比較與探討 5-2
5.2 含磚牆RC平面構架模擬與測試 5-4
5.2.1 PISA3D分析模型 5-4
5.2.2 分析結果比較與探討 5-5
5.3 挫屈束制消能支撐之試驗模擬與分析 5-6
5.3.1 PISA3D分析模型 5-6
5.3.2 分析結果比較與探討 5-7
5.4 實尺寸三層樓RCS構架實驗模擬與分析 5-8
5.4.1 PISA3D分析模型 5-8
5.4.2 分析結果比較與探討 5-9
第六章 PISA3D程式庫功能擴充說明 6-1
6.1 結構材料庫之擴充 6-1
6.1.1 材料類別屬性 6-1
6.1.2 材料類別程序方法 6-2
6.1.3 材料指令類別之實作 6-4
6.2 結構元件庫之擴充 6-5
6.2.1 結構元件類別屬性 6-5
6.2.2 結構元件類別程序方法 6-7
6.2.3 結構元件指令類別之實作 6-10
第七章 結論及未來展望 7-1
7.1 研究結論 7-1
7.2 未來展望 7-3
參考文獻
[1] 林聰悟、林佳慧 (1997),「數值方法與程式」,圖文技術服務有限公司.
[2] 翁元滔、陳垂欣、林克強、蔡克銓 (2002),「含磚牆鋼筋混凝土平面構架反覆載重實驗及耐震性能評估」,中華民國第六屆結構工程學術研討會,Paper No. G30.
[3] 蔡克銓、林聖霖 (2003),「全鋼型與可拆型挫屈束制消能支撐之試驗與研究」,國立台灣大學地震工程研究中心,報告編號CEER/R92-03.
[4] 蔡克銓、許芳瑋 (2003),「物件導向非線性靜動態三維結構分析視覺化前後處理程式之研發」,國立台灣大學地震工程研究中心,報告編號CEER/R92-05.
[5] 蔡克銓、賴紋淇 (2003),「實尺寸三層樓RCS構架實驗與分析」,國立台灣大學地震工程研究中心,報告編號CEER/R92-06.
[6] 蔡克銓、王廷聖 (1995),「鋼骨寬翼梁及梁柱交會區之非線性有限元素」,國立台灣大學地震工程研究中心,報告編號CEER/R84-03.
[7] 蔡克銓、張劉權 (2001),「泛用型非線性靜動態平面結構分析程式之研發」,國立台灣大學地震工程研究中心,報告編號CEER/R90-08.
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