ANSYS中的有限应变梁单元和子结构技术在板梁组合结构分析中的应用

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1、万方数据44卷增刊2003年10月中国造船SHIPBUILDINGOFCHINA№1·44．，SpeciOct2003以4旷．，年哆～文章编号：1000—4882(2002)S-00405-08ANSYS中的有限应变梁单元和子结构技术在板梁组合结构分析中的应用齐志会杨树耕(天津大学建筑工程学院)捅晏板梁组合结构是一种复杂的空间系统，主要由钢板和骨架(梁)组成。此结构通常采用的有限元模拟计算模型存在其自身的不足。本文提出了一种新的模拟方法，采用SHELL63板单元和髓AMl88有限应变梁单元的组合板一刚架结构，依据实际工程模型的组

2、合特性模拟板梁组合结构。同时结合子结构分析，解决了此方法产生的单元和节点数量大的问题，并节省计算空间和时间。通过在某导管架平台的实际应用，证明了此种简化模型不仅可以弥补通常的简化模型存在的不足，而且提高了计算精度和模拟层次。关键词：海洋平台，建黼限元分析，子结构叶(一)引言板梁组合结构是一种复杂的空间系统，主要由钢板和骨架(梁)组成。这种结构在海洋平台结构中被大量使用。例如，导管架平台的上部模块，自升式平台的船体结构，以及坐底式平台的上部模块和沉垫结构均采用的是板梁组合结构。为简化板梁组合结构的计算模型，并匹配计算机的运算空间，

3、其在通用有限元程序中的简化方法主要有三种：第一，将甲板板简化成带板，与骨材构成组合梁截面，将整体板梁组合结构简化为梁单元的空间框架结构；第二，忽略板梁的组合特征，将板单元和普通梁单元进行简单组合；第三，模型中只考虑梁单元，将甲板板重量作为均布荷载施加于梁单元上。海洋平台的板梁组合结构在各种有限元分析软件中的计算模型，多是采用以上几种简化方法。如东方1．1导管架平台的结构分析应用了美国EDI公司开发的SACS有限元分析软件。其甲板模块的简化采用了第三种方法。863—820．10海上桶形基础采油平台的结构分析采用了美国ANSYS公司

4、开发的ANSYS通用有限元分析软件，采用了将平台甲板模块简化为甲板板单元(SHELL63)、甲板梁格梁单元(BEAM4)组成的空间板一刚架结构的第二种方法。此三种简化方法应用于结构分析中，具有一定的普遍性，其结果涵盖了实际工程最危险工况的分析结果，能够被实际工程所接受。但这些方法都存在其自身的不足。对于第一种简化方法，甲板板被简化为有限宽度的带板，忽略了除带板之外的甲板板部分。一方面整体的板结构被分割成单独的带板，改变了甲板的连续特性；另一方面，由于部分甲板板被忽略，板梁组合整体结构的重量、刚度及形心轴的位置均有所下降。这种方法

5、多在甲板局部校核中使用。对于第二种方法，由于普通梁单元的自身约束，两种单元的简单组合，是在两种单元的形心位置进行简单叠加。即，在有限元模型中板单元的水平中心线与梁单元的水平中心线重合。此方法在ANSYS程序中应用比较普遍。这种简化方法虽然考虑了结构的整体连续性，但模型组合方式与实际工程模型存在明显的差别。组合形心轴的位置改变为两种单元共同的形心轴位置，从而导致了单元刚度和形心轴位置两个重要因素的降低。第三种方法的简化模型完全省略了甲板板，仅为骨架梁的框架结构。因此，这种简化模型综合了万方数据406中国造船学术论文前两种简化模型的

6、不足，与实际工程模型的差异最大。总结以上提出的三种简化方法存在的不足，主要为a、结构的连续性差；b、单元刚度的降低；c、形心轴的位置降低。这些不足都会导致在板梁组合结构分析中计算的结构变形和应力增大，使计算结果偏于保守。因此，本文提出一种可行的方法，即将甲板板简化为弹性壳元，骨架梁简化为三维线性有限应变梁单元。将两种单元按照实际的工程模型进行组合。这种组合方法大大增加了整体板梁组合结构的单元和节点数量，因而也增加了程序的计算时间。因此在对整个平台结构进行有限元分析时，将对板梁组合结构采用子结构分析，以降低模型规模，节省计算时间。

7、下面以有限元程序ANSYS中提供的的简化模型为例作以介绍。(二)三维线性有限应变梁--BEAMl88单元1．BEAMl嬲单元特性ANSYS有限元程序单元库中提供的BEAMl88单元是一种三维线性(2节点)有限应变梁单元。这种单元基于Timkoshenko梁理论，支持剪切变形效应。它适合分析适当厚度的各种梁结构，并且支持线性、大扭转或大应变的非线性分析。BEAMl88在每个节点处有六个或七个自由度。采用缺省值时，与普通梁单元一样每个节点存在六个自由度。当需要翘曲分析时，考虑第七个自由度(翘曲值)‘。在整体坐标系统中，BEAMl88

8、单元(图1)由节点I和J定义。通常要求以节点K定义单元的方向。节点K称为方向节点，它指定了单元横截面的方向，是BEAMl88梁单元的一个突出特点。Z图1BEAMl88单元模型图④BEAMl88梁单元的突出特点之二是可以由用户定义梁横截面的形状和尺寸，由ANSYS