Rocscience宣布收购有限元软件DIANA | DIANA计算流程

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1. 引言

既2024年1月8日Rocscience与私募股权公司TA Associates(TA)完成了战略合作后【要上市了！岩土软件开发公司Rocscience宣布获得战略投资以加速创新和扩张】，2024年1月29日，Rocscience宣布收购 DIANA FEA BV，DIANA的总部位于荷兰。

DIANA (DIsplacement ANAlyzer)是一个侧重解决土木工程问题的有限元分析软件，包括结构、岩土、隧道、地震以及石油和天然气工程，能够进行复杂模型的线性和非线性求解。

Rocscience目前有三个基于数值方法的软件：二维有限元RS2【有限元软件ADONIS网格划分的重大更新 (V3.90)】和三维有限元RS3【带有软弱夹层(Weak Layers)的采矿边坡稳定性分析】以及三维边界元EX3【边界元应力分析的几何导入(Geometry Import)---Map3D to EX3】, DIANA的加入将会增强Rocscience在岩土数值模拟领域的领先地位。

总的来说，作为一个有限元分析软件，DIANA与其它通用软件，例如Abaqus和Ansys的求解过程类似，其模式均为前处理+计算+后处理，甚至用户界面也有许多相似之处。主要包括定义问题的几何形状，增加材料性质，设定边界条件，施加载荷，划分网格，有限元计算和结果查看。DIANA把这些过程顺序设置成5个模块：几何->网格->分析->结果->报告，这些模块命令均能在主菜单，左侧栏和工具栏中找到，为用户提供了多种操作模式。

2. 问题陈述

下面以一个钢筋混凝土梁(reinforced concrete beam)的受力为例粗略地显示了DIANA的分析流程。梁的长度为26m, 由3个支点支撑，其中中间支点为固定支点，两端支点水平方向可以移动。梁上受两个集中力和两个均布载荷。

梁为双筋截面梁，截面宽度0.4m,截面高度0.7m。【单筋矩形截面正截面受弯配筋计算[P69例3-1](1)】。在本例中，为了简化计算流程，暂不考虑配筋情况。

3. 计算步骤

DIANA有限元分析的前处理过程包括定义梁的几何形状(beam geometry)，设置材料性质(material properties)，定义梁的截面(cross-section definition)，设置边界条件(boundary conditions)，施加载荷(loads)和划分网格。所有这些工作都在“几何”模块内完成。

3.1 梁的几何形状

当开始一个新项目时，首先设置项目名称和项目所在的位置；选择分析类型，由于我们的分析对象是梁，因此只选择“结构”即可；使用“二维”模型，模型大小选择"100m",由于梁的长度是26m，因此模型范围要取得比实际尺寸大些；网格划分类型"Hexa/Quad"和网格维度"线性"都取默认值。

完成项目设置后，使用"几何->创建->Line"命令画梁，按照梁的中间支点划分为两部分：left_span (0,0)-(13,0)和right_span(13,0)-(26,0)。使用“创建”命令完成基本的几何形状，“修改”命令能够构造一些更高级的几何形状。

3.2 梁的材料性质

创建完梁的几何形状后，下一步输入梁的材料性质。使用"几何->材料->添加材料命令"打开材料对话框：首先设定材料名称concrete_elastic，然后选择“所需考虑的因素”，这个选项实际上是选择材料的本构关系，在此我们只选择“基于总应变裂缝模型”；选择使用的规范, 例如"European CEB-FIP 1990"，输入该规范需要的参数，如下图所示。接着在"直接输入"里面输入梁的杨氏模量3.39GPa, 其它参数保持默认值。本步骤看似简单，其实是有限元分析中最关键和最困难的部分，材料的本构关系和输入参数直接影响到得出的结果是否合理。

3.3 梁的单元性质

梁的单元性质决定着梁在外力作用下应力的分布状态，不同的假设会得出不同的结果。输入梁的截面尺寸和单元类型，使用"几何->单元几何属性->添加单元的几何特性"命令打开对话框，输入名称"concrete_cs", 形状类型选择"线"，单元类别选择"二维类型-II梁单元"(beam element)。接着选择梁形状为"长方形", 输入截面尺寸0.7m和0.4m。

至此，梁的几何性质和材料属性全部输入完毕。

3.4 边界条件

有限元分析必须设置边界条件(boundary conditions)，边界条件(boundary conditions)即"约束"。由题目可知，使用"几何->约束->添加约束"命令增加边界条件。第一个边界条件是梁的中点mid_support，约束类型是"点"，用鼠标圈定该点，固定平动和转动(T1,T2,R3)。第二个边界条件是梁的两端end_support，约束类型是"点"，用鼠标圈定两个端点, 固定平动的垂直方向和转动(T2,R3)。

3.5 嵌入点载荷节点

由于题目中有两个集中载荷，因此需要单独创建这两个载荷点并且与梁连接起来。使用"几何->创建->点Point"命令产生点left_p (6.5,0)和right_p(19.5,0),这个操作过程很简单。接下来需要把这两个点嵌入到梁中，如果不做这一步，集中载荷不会把力传递到梁内。使用"几何->修改->Projection"命令，左跨和右跨分别处理，目标类型选择"边线(line)",用鼠标圈定线，然后再圈定点，经过这两次操作，就把载荷点嵌入到梁内了。

3.6 施加载荷

由题目陈述可知，梁受到两个集中载荷(Nodal Loads)和两个分布载荷(Distributed Loads)，两个分布载荷一个是固定载荷g_k=8kN/m，另一个是变化(偶然)载荷q_k=10kN/m, 这四个载荷需要分别处理。奇怪的是工具栏内没有载荷的图标，而是出现在左侧栏的“荷载”内，荷载命令也没有出现在荷载子菜单内，而是在"指定"子菜单下。总体感觉这个界面设计有点混乱，初次接触让人摸不着头脑。

点击"荷载"图标，名称输入permanent, 荷载工况输入permanent, 这两项可以任意输入有意义的字符串，加载目标类型选择"边线(line)",因为我们要输入均布荷载, 荷载类型选择"均布力"。接着用鼠标圈定整个梁，按照题目已知条件输入均布力-8000，压应力为负，力的载荷方向选择Y，这样就施加了均布载荷g_k=8kN/m。