产品
一、研发背景
通用仿真软件广泛应用于土木建筑、机械制造、材料加工、汽车、航空航天等领域，是国家的工业基石之一。其系统复杂度高，物理和数学层面理论难度大，同时牵涉多学科的交叉协同，因此开发难度大、成本高、周期长。
由于国内对通用仿真软件的研究起步较晚，导致该领域长期被欧美国家垄断，属于典型的“卡脖子”领域，在一定程度上已经影响国家的工业数据安全。
2021年11月，工信部发布《“十四五”软件和信息技术服务业发展规划》，明确提出要重点突破工业软件，研发推广计算机辅助设计、仿真、计算等工具软件，探索开放式工业软件架构、系统级设计与仿真等技术路径。
北京构力科技经过多年技术攻坚，研发完成PKPM-CAE通用仿真云计算系统，实现通用仿真模拟成套技术突破。
PKPM-CAE拥有完整且自主可控的仿真前后处理系统、任务调度系统、网格划分内核和通用有限元计算内核。该系统对标国外的主流商业仿真软件（abaqus、ansys等），致力于满足国内土木乃至全工业领域绝大部分通用仿真需求。
图1 软件首页
二、产品模式
PKPM-CAE软件是一套基于云原生技术开发的CAE通用仿真系统，包括桌面版和WEB版（云版），两者操作界面完全一样，且桌面版可与web版进行项目交互（拉取和推送），从而实现了两者的统一。
图2 本地拉取和推送云端
三、产品功能
1. 网格划分
PKPM-CAE拥有完全自主知识产权的二维和三维网格划分引擎，可满足常规建筑结构和工业领域的网格划分需求。
图3 体育馆二维网格划分示例
图4 骨头三维网格划分示例
2. 模拟分析
PKPM-CAE拥有完全自主知识产权的通用有限元分析内核，其分析功能包括模态、静力、稳定性、隐式/显式动力学、谐响应、谱分析等，其单元库包括梁、杆、索、板、壳、膜、三维实体、以及连接单元和表面单元等，支持cpu和gpu多核并行（云版和Linux版）。
图5 模态分析（带拉索和预应力）
图6 静力学分析
图7 隐式/显式动力学分析（弹塑性）
图8 稳定性分析
图9 谐响应分析
图10 谱分析
3. 非线性
PKPM-CAE支持的非线性形式包括几何、材料（弹塑性）、接触等，支持生死单元和超级单元技术。
图11 几何非线性静力卷曲示例
图12 复杂节点弹塑性分析示例
图13 无梁楼盖倒塌分析示例
图14 冲击侵彻分析示例
图15 基坑开挖施工模拟示例（生死单元）
4. 广义连接
PKPM-CAE支持耦合、绑定、嵌入等多种广义连接，支持自定义约束方程和主从自由度。
图16 节点绑定示例
图17 型钢混凝土嵌入示例
5. 接口
PKPM-CAE提供丰富的外部接口，可导入PKPM结构设计模型或abaqus/ansys等有限元计算模型，同时正在扩展stl、igs、obj等通用几何模型接口。
图18 结构设计模型导入（PKPM模型）
图19 有限元模型导入（ANSYS模型）
四、项目案例
1. 复杂节点分析
构力科技与东南大学建筑设计研究院有限公司合作，采用PKPM-CAE对某综合楼的复杂节点进行分析复核，与abaqus结果进行对比验证，分析计算结果基本一致。该综合楼模型以及主要进行分析的节点具体分布位置、节点平立面如下图所示。
图20 某综合楼项目模型图
针对于上述格构柱与箱型梁连接节点，进行有限元分析，具体分析过程及结果如下。
（a）设计模型 （b）分析划分
（c）绑定连接图示 （d）耦合连接图示
图22 格构柱节点设计及分析模型
其结构模型如图（a）所示，分析模型如图（b）所示，该格构柱节点内部有大量的加劲肋，采用非协调网格划分，并设置相应的绑定连接和耦合连接，如图（c）和（d）所示，图（d）中有处内部加劲肋在原模型中采用mpc-tie近似连接，本文将其改为耦合连接，相对来说更加刚性。
表1 最不利工况下节点荷载（1.3恒+1.5活+0.9风）
| 构件名称 | 轴力(kN) | 剪力(kN) | 弯矩(kN·m) |
| 箱型钢梁GL1 | -1382.21 | 2484.97 | 6826.62 |
| 箱型钢梁GL2 | -835.95 | -4421.22 | 9687.29 |
| 工字型钢梁GL3 | 236.76 | 360.52 | 1586.52 |
| 钢管混凝土格构柱GGZ1 | -15476.96 | -861.82 | -2303.41 |
经计算可知，在1.3恒+1.5活+0.9风的荷载工况下节点处于最不利状态（具体荷载见表1），在此工况下节点变形及Mises应力分布如下图所示，同时提供了abaqus结果和pkpm-cae结果，两者相差甚微。另外，由计算结果可知，此时全节点仍处于弹性工作状态。
（a） abaqus位移结果
（b） pkpm-cae位移结果
（c） abaqus应力结果
（d） pkpm-cae应力结果
图23 格构柱节点abaqus和pkpm-cae结果对比
2.%2 节点2
针对于上述空腹桁架连接节点，进行有限元分析，具体分析过程及结果如下。
其结构模型如下图（a）所示，分析模型如图（b）所示，该空腹桁架节点内部有加劲肋，采用非协调网格划分，并设置相应的绑定连接和耦合连接，如图（c）和（d）所示。
经计算可知，在1.3恒+1.5活+0.9温度作用的荷载工况下节点处于最不利状态（具体荷载见表2），在此工况下节点变形和Mises应力分布如下图所示。由计算结果可知，节点最大应力为416.1MPa，出现在与下部钢管柱与节点的连接位置，为局部的应力集中，小于材料的屈服强度420MPa；说明全节点仍处于弹性工作状态。
表2 最不利工况下节点荷载（1.3恒+1.5活+0.9温度作用）
| 构件名称 | 轴力(kN) | 剪力(kN) | 弯矩(kN·m) |
| 箱型钢梁GL1 | 2169.24 | -1527.71 | -1736.79 |
| 箱型钢梁GL2 | 3988.02 | -572.94 | -1349.29 |
| 变截面工字型钢梁GL3 | 358.79 | 209.825 | 486.27 |
| 钢管柱GZ1 | 98.72 | -3538.386 | 2478.01 |
（a）设计模型 (b) 分析划分
（c）绑定连接图示 (d)耦合连接图示
图24 空腹桁架节点设计及分析模型
（a） abaqus位移结果
（b） pkpm-cae位移结果
（c） abaqus应力结果
（d） pkpm-cae应力结果
图25 空腹桁架节点abaqus和pkpm-cae结果对比
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