1.4 ansys 结构分析与结构建模

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1、1.4ANSYS 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。  

2、 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

3、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5～880～100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

4、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

5、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

6、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

7、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