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基于Python的梁柱式木结构框架抗火数值模拟系统

更新时间：2019-12-24 20:06:20 大小：2M 上传用户：songhuahua查看TA发布的资源 标签：python 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

近年来,采用数值模拟手段进行木结构抗火研究取得了较大发展。为了研究自然火灾下梁柱式木结构框架抗火性能,采用Python脚本语言将火灾动力学模拟器(FDS)软件和Abaqus有限元分析软件集成到统一的平台,编制数据处理、数据存储、炭化深度计算及可视化等模块,建立自然火灾下梁柱式木结构框架数值模拟系统。算例分析结果表明:该系统实现了火灾模拟、有限元模拟一体化分析,较好地反映了自然火灾下梁柱式木结构框架逐步破坏过程。


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38  
5
(
)
Vol．38 No．5  
Sep． 2016  
第
卷第  
期
南
京
工
业
大
学
学
报
自 然 科 学 版  
2016  
9
月
JOURNAL OF NANJING TECH UNIVERSITY ( Natural Science Edition)  
年
－
doi: 10．3969/j．issn．1671 7627．2016．05．017  
Python  
基于  
的梁柱式木结构框架抗火数值模拟系统  
，
侯士通 张 晋  
(
，
东南大学 混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室 江苏 南京  
210096)  
: ， 。  
要 近年来 采用数值模拟手段进行木结构抗火研究取得了较大发展 为了研究自然火灾下梁柱式木结构框  
摘
，
架抗火性能 采用  
Python ( FDS) Abaqus  
脚本语言将火灾动力学模拟器 软件和  
，
有限元分析软件集成到统一的平台  
、 、 ， 。  
编制数据处理 数据存储 炭化深度计算及可视化等模块 建立自然火灾下梁柱式木结构框架数值模拟系统 算例  
: 、 ，  
分析结果表明 该系统实现了火灾模拟 有限元模拟一体化分析 较好地反映了自然火灾下梁柱式木结构框架逐步  
。
破坏过程  
: ; ; ;  
关键词 梁柱式木结构 火灾模拟 二次开发 系统集成  
－ － －  
: 1671 7627( 2016) 05 0105 06  
: TU366. 2  
中图分类号  
文章编号  
Fire resistance simulation system of post-beam timber frame based on Python  
HOU Shitong，ZHANG Jin  
( Key Laboratory of Concrete ＆ Prestressed Concrete Structures of  
the Ministry of Education，Southeast University，Nanjing 210096，China)  
Abstract: The numerical simulation method of timber fire resistance has developed greatly． In order to  
study the fire resistance of post-beam timber frame under real fire，an uniform platform integrated with fire  
dynamics simulator ( FDS) and Abaqus is developed by Python，and the corresponding system is  
established with data processing，charring rates and visualization modules．Case analysis demonstrated that  
thesystem realized the integrationanalysis，and it reflected damage process of post-beam timber frame  
under real fire．  
Key words: post-beam timber frame; fire simulation; secondary development; integrated system  
，
我国木结构建筑有着悠久的历史 其中梁柱式木  
，
民安全和社会经济稳定带来较大的不利影响 火灾的  
。
结构为主要结构形式 木材作为建筑行业的主要材  
。
危害性随着社会的不断发展而愈加突出  
， ，  
料 与其他建筑材料相比 最主要的缺点是自身具有  
、
为了更加合理 准确地计算木结构在火灾作用  
。 ，  
可燃性 木材一旦开始燃烧 其释放出的大量热量加  
、 ，  
下的结构响应 耐火极限及破坏情况 可设计实际  
，
速火灾发展 进而对结构及周边环境造成更大的危  
，
的木结构受火场景并进行一系列试验 但是这种方  
， 。  
害 对结构稳定性产生巨大影响 在我国以木结构为  
。 ，  
法费用昂贵且研究效率较低 考虑到上述因素 在  
，
主的古建筑中 发生了多起因火灾造成不可逆破坏的  
，
进行木结构抗火研究时 可以采用数值模拟方法替  
［1］  
。
， ，  
代部分费用昂贵的火灾试验 提高研究效率 降低  
事例  
由于火灾造成的人员伤亡和财产损失给国  
－ －  
: 2016 06 21  
收稿日期  
:
基金项目 国家自然科学基金  
( 51178115)  
:
作者简介 侯士通  
( 1991—) ， ， ; ，E-mail: 13996349@ qq．com．  
，
，
( ) ，  
男 山西高平人 硕士 主要研究方向为结构工程 张 晋 联系人 副教授  
－
) ，2016，38( 5) : 105 110．  
南京工业大学学报 自然科学版  
: ， ．  
引用本文 侯士通 张晋 基于  
Python  
［J］．  
的梁柱式木结构框架抗火数值模拟系统  
(
106  
(
)
38  
第 卷  
南
京
工
业
大
学
学
报
自 然 科 学 版  
， ，  
试验风险 同时还能综合考虑各方面因素 通过计  
。
，
拟问题 根据当前火灾模拟的已有条件 选取目前  
FDS  
作为火灾数值模拟  
，
算机模拟实现火灾中可能出现的各种情况 拓展研  
广泛使用的火灾模拟软件  
。
。
工具 该软件是由美国国家标准与技术研究院基  
究的深度与广度  
，
目前 国内外学者主要采用标准升温曲线进行  
，
于计算流体力学开发的火灾动力学场模拟软件 它  
。
木结构抗火数值模拟研究 在自然火灾发展过程  
采用数值模拟方法求解一组热驱动的低马赫数流  
， ，  
中 温度的升高不仅与室内燃烧物质有关 也与火  
Navier-Stoke  
，
的
方程 重点计算火灾过程中的热传  
，FDS  
已经被广泛用于火  
［2］  
、
灾燃烧的时间 通风条件等多种因素有关  
。
。
因
递和烟气流动问题 目前  
，
此 进行自然火灾下梁柱式木结构框架抗火研究更  
。
灾科学研究的各个方向中  
。
，
对实际建筑火灾而言 一般通过设定火源热释  
具有实际意义  
［3］  
，Lin  
。 ，  
放速率模拟自然火灾 在进行火灾数值模拟时 火  
国外  
等
模拟墙体在火灾作用下刚度和  
CFAST2. 0  
，
位移等结构性能的变化规律时 采用  
， 。  
灾没有真实发生 热释放速率是一种人为设定 因  
火
，
灾模拟软件确定火灾荷载的变化情况 同时也模拟  
， ，  
此 设定的热释放速率越合理 模拟越接近实际火  
，
了不同通风条件下室内火灾的发展过程 研究结果  
。
，
( Q)  
灾情况 实际燃烧过程中 火灾热释放速率  
( t) 。 1 ，  
变化而改变 如图 所示 其自然火灾模拟  
随
［4］  
。Lua  
更加接近自然火灾情况  
( FDS)  
等
采用火灾动力学  
时间  
过程包括增长阶段 稳定发展阶段和衰退阶段 其  
、
，
模拟器  
软件研究船体复合材料在火灾中的破  
， 、 、  
坏过程 该研究提出将火灾模拟 材料退化 结构破  
: t  
中
，t  
为火灾增长阶段的持续时间 为火灾稳定阶  
s
g
，t  
d
。
该
坏计算模块与通用有限元软件相结合来完成火灾  
段的持续时间  
为火灾衰退阶段的持续时间  
［5］  
［9］  
。Chen  
下结构破坏计算的研究思路  
FDS  
等
基于现有  
。
曲线也可称为自然火灾模型  
Abaqus，  
和 有 限 元软 件 开 发  
火灾 模 拟 软 件  
Abaqus Fire Interface Simulator Toolkit( AFIST)  
，
程序  
。
研究自然火灾下钢结构构件抗火性能 美国国家  
［6］  
( National Institute of Standards  
标准与技术研究院  
and Technology，NIST)  
FDS Abaqus  
以
和
为基础开发  
相应的数值模拟软件研究自然火灾下钢结构的抗  
Immersive Visualization Environment  
，
火性能 并使用  
( IVE)  
，
软件集成相关计算结果 实现结构受火过程  
1
图
自然火灾模型  
。
的三维可视化  
［7］  
Fig．1 Natural fire model  
，
国内 李超 针对现有火灾模拟方法的局限  
， - -  
性 提出了基于火 热 结构耦合的火灾数值模拟计  
1. 2  
有限元模拟  
Abaqus  
在使用  
， - - ，  
算方法 建立火 热及热 结构数学模型 实现了火灾  
［8］  
，
有限元软件建立有限元模型时  
。
过程再现和火灾损失定量分析 高佐人 建立了  
Abaqus/CAE  
， ，  
建模 但是需要重复操作 繁  
可以通过  
，
木结构建筑火灾结构安全数值模拟框架 并对某古  
，
琐且易出错 使用  
INP Abaqus/CAE  
文件建模要比  
。
木建筑进行了火灾安全模拟分析  
，
方便 但是这样建立的模型只包含节点和单元信  
2
由于建筑火灾涉及结构分析与火灾模拟 个基  
，
， INP  
，
文件代码非常多 查看  
息 不包含模型信息 且  
和修改数据也十分不方便  
Python  
，
本过程 因此其相应的数值模拟是相互独立的部  
。
。
Abaqus  
FDS  
有限元软件和 火灾模拟软  
编制相应数值模拟模块集成  
分
本文以  
Abaqus  
模型的顺序  
通过编写  
脚本建立  
，
件为基础 使用  
Python  
CAE  
， ，  
顺序基本相同 但是编写代码简洁 其建立  
与
，
火灾模拟与有限元数值模拟 反映自然火灾下梁柱  
、
的模型包含三维模型信息 节点信息和单元信息  
。
。
式木结构框架破坏过程  
、 ，  
编写脚本还可以实现各种判断 循环语句 数据存  
1
理论基础  
， 。  
储和处理功能 能够实现自动化处理过程 结合  
Python ， Abaqus  
强大的第三方库 可以对  
，
二次开发  
1. 1  
火灾模拟  
［10］  
，
开发特殊模块 解决一些工程复杂问题  
。
本文研究内容主要解决自然火灾下的数值模  

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