摘要：本文總結(jié)了ANSYS通用有限元軟件在大型工程建模中的應(yīng)用技巧與經(jīng)驗(yàn)，包括單元的選用、選擇命令與編組的技巧、各種命令流的使用以及需要注意的問(wèn)題。
　　關(guān)鍵詞：ANSYS，建模，單元，APDL命令流
　　1．合理選擇單元
　　要正確模擬工程結(jié)構(gòu)的真實(shí)情況，得到較為精確的結(jié)果，那么選用合適的單元類(lèi)型是ANSYS建模的首要步驟。ANSYS提供的單元類(lèi)型有很多，就土木工程（Structure）方面應(yīng)用的主要有這么幾種：
　　（1）mass單元：集中質(zhì)量單元，可以進(jìn)行集中質(zhì)量點(diǎn)的模擬。在做簡(jiǎn)化動(dòng)力計(jì)算時(shí)常常用到，例如在做網(wǎng)殼的動(dòng)力分析時(shí)，需要將網(wǎng)殼的質(zhì)量等效到各個(gè)節(jié)點(diǎn)上時(shí)常常采用這個(gè)單元。
　　（2）link單元，常用于模擬軸向受力構(gòu)件，如桁架、鏈桿、彈簧、鋼筋、纜索等等，這種單元是鉸接結(jié)構(gòu)，故不能承受彎矩作用。這種單元有個(gè)很好的優(yōu)點(diǎn)，可以模擬只受壓或只受拉的構(gòu)件，例如懸索、彈性地基等。
　　（3）beam單元，在鋼結(jié)構(gòu)分析中最常用的單元，具有拉，壓，彎性能。ANSYS提供了不同類(lèi)型的beam單元，這時(shí)就需要針對(duì)不同的情況進(jìn)行選擇，例如只需考慮二維問(wèn)題的時(shí)候就可以用beam3單元，當(dāng)考慮薄壁梁的時(shí)候就可以采用beam24單元，而beam188、beam189單元?jiǎng)t基于timoshenko梁理論，包括剪應(yīng)變，適用于分析短粗梁結(jié)構(gòu)。
　　（4）plane單元，當(dāng)考慮二維平面問(wèn)題的時(shí)候，如建立不考慮厚度方向應(yīng)力的薄鋼板、薄橡膠板、厚度方向不能壓縮的彈性材料、地鐵隧道建模中只需考慮二維問(wèn)題的土體等情況下都可以采用plane單元。
　　（5）solid單元，當(dāng)需要考慮三維問(wèn)題的時(shí)候，可以采用這種實(shí)體單元。同樣也需要根據(jù)不同的情況選擇不同的solid單元。如模擬鋼筋混凝土上常用的、solid65三維實(shí)體單元，這種單元可以模擬鋼筋，可以模擬混凝土的壓碎與開(kāi)裂，而solid46單元可以用來(lái)模擬分層殼或?qū)嶓w，solid64用于模擬各向異性的材料。而用于模擬鋼材常用的有solid45和它的高次形式solid95。
　　（6）shell單元，用于模擬曲面的殼體結(jié)構(gòu)。有用于模擬薄膜殼的shell41，用于模擬中厚度殼的shell43，模擬shell51的軸對(duì)稱(chēng)殼，還有用于模擬多層殼的shell99等。本文模型中用的shell63殼體單元來(lái)模擬各層的混凝土板，shell63是彈性殼，具有彎矩和薄膜特性，可承受與平面同方向及法線方向的荷載有應(yīng)力強(qiáng)化和大變形能力，這是最常用的殼體單元。
　　（7）combine單元，可用于模擬一維、二維或三維空間在縱向或扭轉(zhuǎn)的彈性或阻尼。當(dāng)考慮為縱向彈簧或阻尼時(shí)，該元素受單軸向拉壓。
　　此外，ANSYS還提供了contact接觸單元，pipe二、三維管單元等等，這里就不再細(xì)述。這里要注意的是，選擇單元的時(shí)候要注意幾個(gè)原則：
　　（1）盡量選擇最能準(zhǔn)確模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)的單元。
　　（2）在滿足原則一的前提下盡量低級(jí)別的單元，減小計(jì)算量，而且計(jì)算精度會(huì)較高。
　　（3）在大規(guī)模建模中，在單元精度相差不多的情況下盡量選擇建模方便、節(jié)點(diǎn)數(shù)量少的單元，可以使建模更高效，并減小計(jì)算量。
　　2．巧用各種選擇方式以及編組技巧
　　在大型工程ANSYS分析中，經(jīng)常需要對(duì)局部進(jìn)行必要的操作，如需要對(duì)某一層的線進(jìn)行劃分網(wǎng)格，或是提取某一種截面的構(gòu)件提取數(shù)據(jù)。ANSYS提供了許多選擇的方式。
　　2.1對(duì)幾何元素的選擇。
　　幾何元素就是點(diǎn)、線、面、體，那么ANSYS中常用的選擇這些幾何元素的方式有：①通過(guò)點(diǎn)鼠標(biāo)選擇，包括了點(diǎn)選、矩形窗口選擇、多邊形選擇、圓周選擇等；②通過(guò)位置選擇，可能根據(jù)幾何元素的坐標(biāo)范圍進(jìn)行選擇，這個(gè)坐標(biāo)可以是笛卡爾坐標(biāo)系、柱坐標(biāo)系、球坐標(biāo)系，還可以是用戶自己設(shè)定的局部坐標(biāo)系；③根據(jù)相互關(guān)系選擇，例如可以選擇連接在已選擇點(diǎn)上的線，選擇連接在已選擇線上的面等；④根據(jù)幾何元素上的性質(zhì)來(lái)選擇，例如選擇某一種單元類(lèi)型的體，某一種材料類(lèi)型的面或是某一種截面類(lèi)型的線等。
　　2.2對(duì)單元、節(jié)點(diǎn)的選擇
　　那么對(duì)單元、節(jié)點(diǎn)的選擇常用的方法是：①先選擇幾何元素，再選擇屬于已選擇的幾何元素上的單元、節(jié)點(diǎn)；②通過(guò)單元性質(zhì)來(lái)選擇，同樣包括單元類(lèi)型、材料類(lèi)型、實(shí)常數(shù)、截面類(lèi)型等進(jìn)行選擇；③通過(guò)相互關(guān)系來(lái)選擇，例如選擇已選擇單元上的節(jié)點(diǎn)，連接在已選擇節(jié)點(diǎn)上的單元等。
　　2.3對(duì)編組的選擇及對(duì)編組的技巧
　　ANSYS中還提供了編組的命令，這個(gè)命令就像CAD中的塊命令一樣，使用者可以根據(jù)自己的要求對(duì)同一類(lèi)實(shí)體進(jìn)行編組，需要時(shí)再選擇相應(yīng)的組。下面談一些高層建筑的ANSYS建模中的編組的技巧。
　　（1）構(gòu)件按照同層進(jìn)行編組。很多設(shè)計(jì)軟件都有層的概念，如etabs、PKPM等，但ANSYS只有坐標(biāo)的概念而沒(méi)有層，那么就可以人為的將同一層的各構(gòu)件編入同一組，組名可以按層數(shù)進(jìn)行，如floor01代表第一層，以此類(lèi)推。
　　（2）同層構(gòu)件再按照構(gòu)件類(lèi)型進(jìn)行編組，如同一層中的柱，主梁，次梁，支撐等，組名可以結(jié)合層數(shù)與類(lèi)型，如floor01_coloum代表同一層的柱子，而構(gòu)件的截面的編號(hào)也可以這樣，如第一層構(gòu)件的截面就可以將所有的編號(hào)以1開(kāi)頭，如115就代表第一層的15號(hào)截面，第二層就以2開(kāi)頭，以此類(lèi)推，這樣便于檢查和后處理中結(jié)果的輸出。
　　（3）同層構(gòu)件按不同的荷載進(jìn)行編組。荷載有樓面的恒載與活載，還有梁上的恒載與活載，還有樓梯間的荷載。各個(gè)荷載根據(jù)建筑功能的需要而分布不均勻，這樣，可以將同一個(gè)荷載值下的樓板，梁進(jìn)行編組。組名可以結(jié)合層數(shù)與荷載值，如可以把第5層加恒載6000N/m2的樓面編組名設(shè)為fl05_dl6000，以此類(lèi)推。同時(shí)ANSYS還提供了通過(guò)APDL命令流的方式進(jìn)行操作，這樣，就可以將各種荷載和組名寫(xiě)成命令流的方式，這樣在寫(xiě)加載命令流的時(shí)候就不容易出錯(cuò)，也便于核查，和不同工況下的荷載組合。
　　通過(guò)這樣的編組方式，就可以將建模、加載和后處理變得更加高效，更有可操作性。
　　在運(yùn)用這么多種選擇方式時(shí)還要注意ANSYS中按照選擇集分類(lèi)的四個(gè)選擇方式，從全部集合體中選擇、從當(dāng)前集合體中選擇、在當(dāng)前選擇集中添加新的選擇、從當(dāng)前選擇集中去除某選擇。
　　3．其他注意的問(wèn)題
　　3.1在建模型時(shí)，按照統(tǒng)一的方向來(lái)建模型，這樣后續(xù)的處理才會(huì)更加方便。
　　在ANSYS中，所用的線、面都是有方向（法向）的，而在劃分網(wǎng)格時(shí)，線面的方向?qū)��?huì)直接影響到單元的方向（法向）。例如，對(duì)beam單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格的時(shí)候，單元的方向（i-j）是由單元所在的線的方向來(lái)控制的，又例如shell單元的法向同樣是由其所在面的法向來(lái)決定的。這樣，在整體建模中，可以將所有的線按照同一方向來(lái)控制，例如建模中，可以將所有的環(huán)向的線按照逆時(shí)針?lè)较蚪�立，所有徑向的線按照從內(nèi)到外來(lái)建立，所有豎向的線按照從下向上建立，所有的面按照其所組成的線的逆時(shí)針?lè)较騺?lái)建立。那么所有的線面都遵循同一個(gè)方向，這樣在后續(xù)的處理中，例如設(shè)定某些梁的i節(jié)點(diǎn)為鉸接，或是對(duì)某個(gè)面進(jìn)行加載時(shí)，可以沿著其法線方向進(jìn)行等等，就不會(huì)混亂，而變得更加方便。
　　3.2處理好同層各梁截面的偏心，使建模更與實(shí)際相符
　　在ANSYS中，梁?jiǎn)卧�默認(rèn)的對(duì)齊方式是將其所在的線做為自己的軸心線來(lái)處理。這樣就有這樣的問(wèn)題，所有同層的線都在同一個(gè)平面上，而各梁的截面的大小不一，那么各梁就只以其中心線對(duì)齊，而實(shí)際的情況則是所有的梁頂對(duì)齊。這樣就需要對(duì)同層的各個(gè)梁做偏心處理，主要的做法是取這層的主框架梁為基準(zhǔn)，調(diào)整其它所有梁與之頂面平齊，各梁偏心的距離就是其梁高度的一半，這樣的建模更加與實(shí)際相符合。對(duì)比偏心處理前與偏心處理后的計(jì)算結(jié)果，相差在10%左右。所以還是很有必要進(jìn)行這樣的處理的。
　　               
　　                圖5.3偏心處理前（中心線對(duì)齊）                                          圖5.4偏心處理后（頂面對(duì)齊）
　　4．總結(jié)
　　本文總結(jié)了ANSYS通用有限元軟件在大型工程建模中的應(yīng)用技巧與心得，包括單元的選用、選擇命令與編組的技巧、各種命令流的使用以及詳細(xì)介紹了線面的方向，梁偏心對(duì)齊等需要注意的問(wèn)題。
　　
　　參考文獻(xiàn)：
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