兩種ANSYS有限元建模方法在某框架結構中的對比

賀林林 劉 洋

0 引言

隨著結構工程的發展，有限單元法(FEM)已成為分析各種結構問題的強有力的使用工具。ANSYS軟件是美國ANSYS公司開發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構計算問題。ANSYS軟件是第一個通過ISO 9001質量認證的大型分析設計類軟件，是美國機械工程師協會(ASME)、美國核安全局(NQA)及近二十種專業技術協會認證的標準分析軟件。在國內是第一個通過了中國壓力容器標準化技術委員會認證并在國務院十七個部委推廣使用的。在ANSYS數據庫中，提供了超過100種單元類型，每種都有其自身的特點，要選擇適合結構本身特點的單元形式，還是比較困難的[1，2]。本文結合某簡單框架的結構特點，采用實體建模和梁單元建模兩種方式，根據建模結果對兩種建模方式進行了分析比較。

1 ANSYS實體建模的介紹

ANSYS程序提供了兩種實體建模方法:自頂向下和自底向上。自頂向下進行實體建模時，用戶定義一個模型的最高級圖元，如球、棱柱，稱為基元，程序自動定義相關的面、線和關鍵點，用戶可以利用這些高級圖元直接構造幾何模型。采用自底向上進行實體建模時，用戶從最低級的圖元向上構造模型，先定義關鍵點，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算來組合數據。ANSYS程序提供了完整的布爾運算，諸如相加、相減、相交、分割、粘結、搭接和重疊。在創建復雜實體模型時，對線、面、體、基元的布爾操作能減少相當可觀的建模工作量[3]，并構造出用戶想要的模型。此外，ANSYS程序還提供了拖拉、延伸、旋轉、移動和復制實體模型的圖元功能，以及切線構造、自動倒角生成、通過拖拉與旋轉生成面、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

2.1 實體建模方式單元類型的選擇及其特點

土木工程中，常用的實體單元類型有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，它們都是帶中間節點的四面體單元，單元的主要功能基本相同。實際選用單元類型時，如果所分析的結構比較簡單，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，應該選用第一類單元。如果所分析的結構比較復雜，難以劃分出六面體，則應選用第二類單元，也就是帶中間節點的四面體單元。ANSYS的單元類型是在不斷發展和改進的，同樣功能的單元，編號大的往往意味著在某些方面有優化或者增強。但是對于本文中比較簡單的框架結構單元，選用Solid45就足夠可以得到比較滿意的計算結果。Solid 45由8節點結合而成，每個節點有X，Y，Z三個方向的自由度。

2.2 梁單元建模的單元類型的選擇及特點

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，由此提供了更強大的非線性分析能力和可視化特性。

對于該框架結構，柱、橫縱梁選用Beam188單元類型，即三維線性應變梁單元類型。本實例中相應的選用梁單元，樓板選用了Shell63單元類型。

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

3 實例建模分析比較

某框架結構，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。立柱側面間距4m，立面正面間距 5m。結構全部采用鋼筋混凝土結構。分別采用實體和梁單元兩種方式建模，如圖 2，圖 3所示。

表1 建模過程中相關數據比較

4 結語

通過對簡單框架結構的實體建模和梁單元建模的分析比較得出:

1)對于簡單框架結構，實體建模和梁單元建模，它們的模型差別不大。2)實體建模能夠真實反映結構特征，但是需要建立大量的關鍵點、線、面、體，有較多的節點和單元數量。對于細部結構，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，實體建模及CPU處理需要較長的時間。3)從表1中兩者統計的建模過程中相關數據明顯的可以看出，使用梁單元方式建模能以較少的節點數和單元數達到與實體模型相同的結果。對于許多在實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劃分網格后才能反映真實的結構特征。

對于簡單的結構選取梁單元建模的方式既簡單快捷又能達到比較理想的效果。但是對于復雜、龐大的結構，以及需要對裂隙進行觀察等復雜計算的結構，最好還是采用實體建模，以取得更為可靠的結果。在實際的工程中，應該根據需要選擇合適的建模類型，使ANSYS這一軟件更好地應用于空間結構有限元計算。

[1] 潘玉松.淺談使用ANSYS時的建模方法[J].成都電子機械高等?？茖W校學報，2006，6(2):28-30.

[2] 張 萍.ANSYS建模過程中單元屬性的定義[J].現代電子技術，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.