ansys有限元模型的生成方法

ansys有限元模型的生成方法

1有限元計算方法的發(fā)展近年來，隨著計算機的快速發(fā)展和應(yīng)用，各種有效的數(shù)值計算方法得到了很大發(fā)展。而有限元方法則是計算機誕生以后,在計算數(shù)學(xué)、計算力學(xué)和計算工程科學(xué)領(lǐng)域里誕生的最有效的計算方法。隨著有限元理論基礎(chǔ)的日益完善,出現(xiàn)了很多通用和專用的有限元計算軟件。其中ANSYS大型通用程序應(yīng)用十分廣泛,它提供了兩種方法生成模型:實體建模和直接生成模型。2這兩種建模方法的特點2.1基于anasas的模型建模實體建模,即描述模型的幾何邊界,建立對單元大小及形狀的控制,然后用ANSYS程序自動生成所有的節(jié)點和單元。ANSYS程序提供了兩種方法:自頂向下與自底向上。自頂向下進行實體建模時,定義一個模型的最高級圖元——基元,程序自動定義相關(guān)的面、線及關(guān)鍵點。利用這些高級圖元直接構(gòu)造幾何模型。自底向上進行實體建模時,首先定義關(guān)鍵點,然后依次得相關(guān)的線、面、體。無論使用自頂向下還是自底向上方法建模,都能使用布爾運算來組合數(shù)據(jù)集,從而“塑造出”一個實體模型。ANSYS程序提供了完整的布爾運算,諸如相加、相減、相交、分割、粘貼和重疊。在創(chuàng)建復(fù)雜實體模型時,對線、面、體、基元的布爾操作能減少相當(dāng)可觀的建模工作量。它具有如下優(yōu)點:(1)需要處理的數(shù)據(jù)較少;(2)允許對節(jié)點和單元不能進行的幾何操作(如拖拉和旋轉(zhuǎn));(3)支持使用面和體體素(如多邊形和圓柱體)及布爾運算(相交、相減等)以順序建模;(4)便于使用ANSYS程序的優(yōu)化設(shè)計功能;(5)便于自適應(yīng)網(wǎng)格劃分;(6)便于施加荷載之后進行局部網(wǎng)格細化;(7)便于幾何上的改進;(8)便于改變單元的類型,不受分析模型的影響。實體建模方法也有一些缺點:(1)需要大量的CPU處理時間;(2)對小型簡單的模型有時很繁瑣,比直接生成需要更多的數(shù)據(jù);(3)在特定的條件下可能會失敗(程序不能生成有限元網(wǎng)格)。2.2直接建模型直接生成方法是在定義ANSYS實體模型之前,確定每個節(jié)點的位置以及每個單元的大小、形狀和連接。它的優(yōu)點如下:(1)對小型簡單的模型生成較方便;(2)使用戶對幾何形狀及每個節(jié)點和單元的編號有完全的控制。直接建模方法的缺點:(1)除最簡單的模型外往往比較耗時,需要處理大量數(shù)據(jù);(2)不能使用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分;(3)使用優(yōu)化設(shè)計變得不方便;(4)改進網(wǎng)格劃分十分困難;(5)需要用戶留意網(wǎng)格劃分的每一個細節(jié),更容易出錯。3實例分析3.1結(jié)合桁架梁的空間分析模型蕪湖長江大橋正橋鋼桁梁第三聯(lián)(3×144m)為板桁結(jié)合的連續(xù)鋼桁梁結(jié)構(gòu),桁高14m,桁寬12.5m,節(jié)間長度12m,采用無豎桿的三角形桁式,在支點處設(shè)置強勁的橋門架,不設(shè)中間橫聯(lián),桿件采用焊接整體節(jié)點連接。連續(xù)鋼桁梁下層為雙線鐵路,上層為四車道公路橋面,兩側(cè)設(shè)1.8m人行道,公路橋面寬21.7m。公路橋面系為縱橫梁體系,橫梁間距12m,設(shè)在主桁節(jié)點處,縱梁間距2.3~2.75m。橋面系均采用工型構(gòu)件,公路橫梁高1356mm,縱梁高1076mm,鐵路橫梁高2161mm,縱梁高1480mm。公路橋面板通過M22剪力鍵栓釘與主桁上弦桿及公路縱橫梁上翼緣相結(jié)合。蕪湖長江大橋的正橋采用鋼筋混凝土板和鋼桁架共同作用的結(jié)合桁梁,公路橋面采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土板和鋼縱、橫梁體系的正交異性板?；炷涟宓膶挾却?空間結(jié)構(gòu)行為比較復(fù)雜。對于此結(jié)合桁梁,空間計算模型擬采用空間梁單元和殼單元的組合空間模型。鋼桁梁部分采用空間梁單元進行模擬,公路橋面板采用矩形殼單元。分別采用實體建模和直接生成模型的方法建立有限元模型。兩種方法網(wǎng)格劃分后的結(jié)果圖相似(如圖1)。橋梁的自振特性在很大程度上反映出橋梁剛度的大小,也就反映出橋梁的動力特性。而橋梁自振頻率計算的準確性主要取決于計算分析模型的剛度、質(zhì)量和約束是否與結(jié)構(gòu)的實際情況相符,以上兩種方法所采用的計算分析模型可以真實地模擬結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量和約束。表1為兩種方法建模后前8階自振頻率計算結(jié)果對比及相應(yīng)振型特點。從表中數(shù)據(jù)可以看出,這兩種方法計算出的自振頻率相差不大。表2列出了有限元分析過程中相關(guān)數(shù)據(jù)的比較。3.2有限元模型的建立—預(yù)應(yīng)力混凝土橋?qū)嵗摌驗轭A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋,全長210m(55m+100m+55m),采用箱梁結(jié)構(gòu)。該橋箱梁采用直腹板單箱單室結(jié)構(gòu),箱梁頂面寬度為11m,箱體寬度為6m,T構(gòu)端部梁高2.6m,根部梁高5.6m。根部5m梁段主梁高度采用直線變化,其余主梁高度采用二次拋物線變化。箱梁采用50號混凝土。主梁懸臂澆注梁段劃分為12段,中跨合攏一段,邊跨合攏分兩段?？v向預(yù)應(yīng)力鋼束分頂板束和底板束兩種束型。預(yù)應(yīng)力鋼束都采用12×uf8f5?傄bj15.24mm的鋼絞線束。對于此結(jié)構(gòu),我們只能采用實體結(jié)構(gòu)建模,然后劃分網(wǎng)格進行計算,如采用直接生成的方法,則根本無法建成。這是因為直接生成模型時需要對結(jié)構(gòu)的每個節(jié)點位置和相互連接關(guān)系很明確,而且這種方法對預(yù)應(yīng)力的施加帶來困難。ANSYS中加預(yù)應(yīng)力有幾種方式:①直接在單元里加;②用F力加,然后在分析時打開Prestress,On;③用溫度變化模擬。預(yù)應(yīng)力混凝土分析根據(jù)作用不同有分離式和整體式兩類。分離式就是將混凝土和力筋的作用分別考慮,以荷載的形式取代預(yù)應(yīng)力鋼筋的作用,如等效荷載法;整體式則是將二者一起考慮,如用Link單元模擬力筋。本例建模時采用的是整體式分析方法,直接在單元里施加預(yù)應(yīng)力。如果此例采用梁單元建模,將鋼筋的預(yù)應(yīng)力視為等效力將會更簡單。由于混凝土材料性質(zhì)的復(fù)雜性,編制三維預(yù)應(yīng)力混凝土非線性分析的通用有限元程序相當(dāng)困難。ANSYS軟件有眾多的材料模型可供選擇,ANSYS8.0版本相對于以前的版本其求解非線性問題的能力有很大提高。用實體建模建立的有限元模型如圖2。4實體建模和直接生成法在應(yīng)力分析過程中的比較通過對鋼桁梁橋和鋼筋混凝土橋的實體建模與直接生成的比較可以得到以下結(jié)論:(1)對于鋼桁梁橋,采用實體建模和直接生成,它們的模型差別不大,在進行模態(tài)分析時,它們的結(jié)果相近,但在進行應(yīng)力分析時則盡量用實體建模。(2)對于鋼筋混凝土橋則一般采用實體建模,若采用直接生成則比較麻煩,在正常情況下一般不能生成模型。(3)實體建模時需要處理的數(shù)據(jù)較少,建模時間縮短,且單元尺寸劃分方便又靈活;而采用直接生成