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ANSYS 入门教程 (4) - 结构分析与结构建模,概述  

2010-07-27 09:11:05|  分类: ANSYS 入门基础 |  标签: |举报 |字号 订阅

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1.4 ANSYS  结构分析与结构建模
    有限元分析是对真实物理系统的数值近似。其物理解释为以一组离散的单元集合体近似代替原连续结构,通过各单元分析获得单元组合体结构的特性,在给定的荷载与边界条件下,求得单元组合体各节点的位移,进而求得各单元应力等。
    采用何种单元集合体来近似代替真实的求解问题呢?即在实际工程结构仿真分析中,采用何种单元模拟实际结构呢?在模拟实际结构中要考虑哪些细节呢?本节就这些问题进行阐述和讨论。

    1.4.1 结构分类及仿真单元
    在结构分析中,“结构”一般指结构分析的力学模型。
    按几何特征和单元种类,结构可分为杆系结构、板壳结构和实体结构。
    a.  杆系结构:

    杆件的特征是一个方向的尺度远大于其它两个方向的尺度,例如长度远大于截面高度和宽度的梁。

    单元类型有杆、梁和管单元(一般称为线单元)。
    b.  板壳结构:

    是一个方向的尺度远小于其它两个方向尺度的结构,如平板结构和壳结构。单元为壳单元实体结构:则是指三个方向的尺度约为同量级的结构,例如挡土墙、堤坝、基础等。单元为 3D 实体单元和 2D 实体单元。

    c.  杆系结构:
    ①  当构件 15>L/h≥4 时,采用考虑剪切变形的梁单元。
    ②  当构件 L/h≥15 时, 采用不考虑剪切变形的梁单元。
    ③  BEAM18X 系列可不必考虑上述限制,但在使用时必须达到一定程度的网格密度。
    对于薄壁杆件结构,由于剪切变形影响很大,所以必须考虑剪切变形的影响。

    d.  板壳结构:
    ①  当 L/h<5~8 时为厚板,应采用实体单元。
    ②  当 5~8<L/h<80~100 时为薄板,选 2D 体元或壳元
    ③  当 L/h>80~100 时,采用薄膜单元。
    对于壳类结构,一般 R/h≥20 为薄壳结构,可选择薄壳单元,否则选择中厚壳单元。
    对于既非梁亦非板壳结构,可选择 3D 实体单元。

1.4.2 平面模型和空间模型
    原则:根据不同的设计阶段而采用不同的计算模型,以便取得较高的计算效率。
    在方案设计过程中,一般可采用平面模型进行结构的计算分析。此阶段主要研究结构总体的力学行为,如结构设计参数等,以便得到理想的结构布置,而对结构内力和变形精度要求不高。
    在技术设计过程中,一般宜采用空间模型进行结构的计算分析。此阶段对结构的各种荷载效应要求有较高的精度和可靠性,以便对各个构件进行设计。过去采用简化方法计算,如荷载横向分布系数或偏载系数等。现在则可以直接建立空间力学模型进行各种效应分析。而除此之外,许多结构按平面模型分析存在许多困难,如城市中的宽桥、斜交桥、弯梁桥及异形桥等,单拱面的拱桥或单索面的斜拉桥等。

1.4.3 模型深度与单元选择
    建立何种“深度”的模型才能较好的模拟工程实际,是模型规划要解决的问题。采用何种单元模拟结构或构件,是保证计算结果合理的前提,甚至是计算结果正确与否的关键。

    (1)  选择单元类型的原则
    ★  力学行为原则
    杆系结构、板壳结构和实体结构划分,分别采用与之力学行为相符的线单元、板壳单元和实体单元。
    ★  单元维数原则
    在保证一定精度的前提下,采用的单元维数越低越好。因此,建议优先选择梁杆单元,其次是板壳单元,最后是实体单元。
    ★  单元阶数原则
    在保证计算精度的情况下,优先选择低阶单元,但一般而言,高阶单元具有较好的计算结果。当没有足够的经验时,建议采用高阶单元以获得较好的计算结果。
    ★  建模方便原则
    当确定了单元类型后,应选择该类单元建模方便者。例如对于梁单元,采用 BEAM4、BEAM188/189 均可行时,应该选择 BEAM188/189 单元。

    (2)  模型深度
    ★ 杆系级:主要采用杆单元和梁单元建立模型,以便获得结构总体的力学行为。平面模型的计算结果可用于方案设计,空间模型的计算结果可用于技术设计。
    ★  板壳级:主要采用板壳单元或与杆梁单元结合建立模型,以便获得结构构件的力学行为。例如桥梁的主梁或主拱、主墩等可采用板壳单元模拟,其它构件可采用杆梁单元模拟,以得到结构构件较为精确的内力和变形。
    ★  实体级:主要采用实体单元或与杆梁、板壳单元结合建立模型,以便获得结构细节或局部的力学行为。例如墩梁连接处、支承处、预应力筋锚固端、斜拉索锚固区等应采用实体单元模拟,其它部分可采用杆梁单元或板壳单元模拟。在实体级模型中,一般不全部采用实体单元,而是采用多种单元的组合进行模拟。

1.5.1  基本过程
    ANSYS分析过程一般包括三个步骤:
    ●  前处理:创建几何模型或有限元模型、定义单元、定义材料属性、定义单元划分等,施加荷载和边界条件也可在该过程完成。
    ●  求解过程:施加荷载和边界条件、定义求解类型、定义求解器及求解方式等。
    ●  后处理:查看分析结果、结果计算与分析等。

1.5.2  几何建模-有限元模型的 GUI 方式
    (1)   问题描述
    如图 1.2 所示平面桁架,材料的弹性模量 E = 210GPa
    水平杆的截面面积为 0.01m^2
    竖杆和中间两斜杆的截面面积为 0.005m^2
    两边斜杆的截面面积为 0.0125m^2

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    (2)  前处理
     a.   启动  ANSYS,并设定工作目录。

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     需要说明的是坐标为“0”的数值可以不输入,当不输入数值时,ANSYS 默认为“0”值。

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     h.  显式实体

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     i.  定义单元类型

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     j.  定义单元实常数

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     添加 3 个实常数

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     k.  定义材料属性

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     点击 Material -> Exit 或对话框右上角的 X,退出材料定义:

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