兩種ANSYS有限元建模方法在某框架結(jié)構(gòu)中的對(duì)比

賀林林 劉 洋

0 引言

隨著結(jié)構(gòu)工程的發(fā)展，有限單元法(FEM)已成為分析各種結(jié)構(gòu)問題的強(qiáng)有力的使用工具。ANSYS軟件是美國ANSYS公司開發(fā)的新一代大型通用有限元分析程序，它擁有豐富和完善的單元庫、材料模型庫和求解器，能高效地求解各類結(jié)構(gòu)計(jì)算問題。ANSYS軟件是第一個(gè)通過ISO 9001質(zhì)量認(rèn)證的大型分析設(shè)計(jì)類軟件，是美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)(ASME)、美國核安全局(NQA)及近二十種專業(yè)技術(shù)協(xié)會(huì)認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)分析軟件。在國內(nèi)是第一個(gè)通過了中國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)認(rèn)證并在國務(wù)院十七個(gè)部委推廣使用的。在ANSYS數(shù)據(jù)庫中，提供了超過100種單元類型，每種都有其自身的特點(diǎn)，要選擇適合結(jié)構(gòu)本身特點(diǎn)的單元形式，還是比較困難的[1，2]。本文結(jié)合某簡單框架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用實(shí)體建模和梁單元建模兩種方式，根據(jù)建模結(jié)果對(duì)兩種建模方式進(jìn)行了分析比較。

1 ANSYS實(shí)體建模的介紹

ANSYS程序提供了兩種實(shí)體建模方法:自頂向下和自底向上。自頂向下進(jìn)行實(shí)體建模時(shí)，用戶定義一個(gè)模型的最高級(jí)圖元，如球、棱柱，稱為基元，程序自動(dòng)定義相關(guān)的面、線和關(guān)鍵點(diǎn)，用戶可以利用這些高級(jí)圖元直接構(gòu)造幾何模型。采用自底向上進(jìn)行實(shí)體建模時(shí)，用戶從最低級(jí)的圖元向上構(gòu)造模型，先定義關(guān)鍵點(diǎn)，再依次定義線、面、體。無論采用哪種方法建模，用戶均能使用布爾運(yùn)算來組合數(shù)據(jù)。ANSYS程序提供了完整的布爾運(yùn)算，諸如相加、相減、相交、分割、粘結(jié)、搭接和重疊。在創(chuàng)建復(fù)雜實(shí)體模型時(shí)，對(duì)線、面、體、基元的布爾操作能減少相當(dāng)可觀的建模工作量[3]，并構(gòu)造出用戶想要的模型。此外，ANSYS程序還提供了拖拉、延伸、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)和復(fù)制實(shí)體模型的圖元功能，以及切線構(gòu)造、自動(dòng)倒角生成、通過拖拉與旋轉(zhuǎn)生成面、體等附加功能，可方便幫助用戶建模。

2 兩種建模方式單元類型的選擇及特點(diǎn)

2.1 實(shí)體建模方式單元類型的選擇及其特點(diǎn)

土木工程中，常用的實(shí)體單元類型有Solid45，Solid92，Solid185，Solid 187等幾種。Solid 45，Solid185可以歸為第一類，它們都是六面體單元，都可以退化為四面體和棱柱體，單元的主要功能基本相同，其中Solid185還可以用于不可壓縮超彈性材料。Solid92，Solid 187可以歸為第二類，它們都是帶中間節(jié)點(diǎn)的四面體單元，單元的主要功能基本相同。實(shí)際選用單元類型時(shí)，如果所分析的結(jié)構(gòu)比較簡單，可以很方便的全部劃分為六面體單元，或者絕大部分是六面體，只含有少量四面體和棱柱體，此時(shí)，應(yīng)該選用第一類單元。如果所分析的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，難以劃分出六面體，則應(yīng)選用第二類單元，也就是帶中間節(jié)點(diǎn)的四面體單元。ANSYS的單元類型是在不斷發(fā)展和改進(jìn)的，同樣功能的單元，編號(hào)大的往往意味著在某些方面有優(yōu)化或者增強(qiáng)。但是對(duì)于本文中比較簡單的框架結(jié)構(gòu)單元，選用Solid45就足夠可以得到比較滿意的計(jì)算結(jié)果。Solid 45由8節(jié)點(diǎn)結(jié)合而成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有X，Y，Z三個(gè)方向的自由度。

2.2 梁單元建模的單元類型的選擇及特點(diǎn)

ANSYS程序中梁單元是一種幾何上一維而空間上二維或三維的單元。常用的梁單元有Beam 3，Beam4，Beam188三種。它們的主要區(qū)別在于:1)Beam3是2D的梁單元，只能解決二維的問題。2)Beam4是3D的梁單元，可以解決三維的空間梁問題。3) Beam188是3D梁單元，可以根據(jù)需要自定義梁的截面形狀。ANSYS中提供了 11種常用截面形狀梁截面庫供我們選擇，由此提供了更強(qiáng)大的非線性分析能力和可視化特性。

對(duì)于該框架結(jié)構(gòu)，柱、橫縱梁選用Beam188單元類型，即三維線性應(yīng)變梁單元類型。本實(shí)例中相應(yīng)的選用梁單元，樓板選用了Shell63單元類型。

使用Beam188建模時(shí)，需要注意的是方向點(diǎn)K的選取，方向點(diǎn)的作用是確定梁截面的方向，也稱為截面方向控制點(diǎn)。如圖 1所示，由I指向J為單元坐標(biāo)系統(tǒng)的X方向，K為單元坐標(biāo)系統(tǒng)的在X—Z平面內(nèi)+Z方向的任何一點(diǎn)(但是I，J，K三個(gè)點(diǎn)不能夠共線)，Y方向再由右手螺旋法則確定即可。其次，梁柱交接處需要設(shè)置截面的偏移位置，通過此參數(shù)可定義梁移動(dòng)多少距離已達(dá)到和實(shí)際相符合的模型。

3 實(shí)例建模分析比較

某框架結(jié)構(gòu)，樓板面積20m×8m，厚度為200mm;框架柱截面為0.5m×0.5m，橫縱梁截面為0.3m×0.6m。立柱側(cè)面間距4m，立面正面間距 5m。結(jié)構(gòu)全部采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。分別采用實(shí)體和梁單元兩種方式建模，如圖 2，圖 3所示。

表1 建模過程中相關(guān)數(shù)據(jù)比較

4 結(jié)語

通過對(duì)簡單框架結(jié)構(gòu)的實(shí)體建模和梁單元建模的分析比較得出:

1)對(duì)于簡單框架結(jié)構(gòu)，實(shí)體建模和梁單元建模，它們的模型差別不大。2)實(shí)體建模能夠真實(shí)反映結(jié)構(gòu)特征，但是需要建立大量的關(guān)鍵點(diǎn)、線、面、體，有較多的節(jié)點(diǎn)和單元數(shù)量。對(duì)于細(xì)部結(jié)構(gòu)，交叉連接以及接觸等問題的處理上比較繁瑣。相比梁單元建模，實(shí)體建模及CPU處理需要較長的時(shí)間。3)從表1中兩者統(tǒng)計(jì)的建模過程中相關(guān)數(shù)據(jù)明顯的可以看出，使用梁單元方式建模能以較少的節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)達(dá)到與實(shí)體模型相同的結(jié)果。對(duì)于許多在實(shí)體模型中難解決的問題，在梁單元建模中，變得很簡單。但是梁單元建模需要?jiǎng)澐志W(wǎng)格后才能反映真實(shí)的結(jié)構(gòu)特征。

對(duì)于簡單的結(jié)構(gòu)選取梁單元建模的方式既簡單快捷又能達(dá)到比較理想的效果。但是對(duì)于復(fù)雜、龐大的結(jié)構(gòu)，以及需要對(duì)裂隙進(jìn)行觀察等復(fù)雜計(jì)算的結(jié)構(gòu)，最好還是采用實(shí)體建模，以取得更為可靠的結(jié)果。在實(shí)際的工程中，應(yīng)該根據(jù)需要選擇合適的建模類型，使ANSYS這一軟件更好地應(yīng)用于空間結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算。

[1] 潘玉松.淺談使用ANSYS時(shí)的建模方法[J].成都電子機(jī)械高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2006，6(2):28-30.

[2] 張 萍.ANSYS建模過程中單元屬性的定義[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2003，159(16):5-36.

[3] 李景涌.有限元法[M].北京:人民交通出版社，2002:151-168.