ANSYS实体建模与直接建模方法比较_王丽晋

收稿日期:2005-07-14

作者简介:王丽晋(1980—),女,硕士研究生

ANS YS 实体建模与直接建模方法比较

王丽晋1,　顾理生1,　任志国2

(1.石家庄铁道学院,河北石家庄050043;2.中铁第十二集团第二分公司,山西太原030032)

摘　要:总结了A NS YS 实体建模与直接建模两种方法的优缺点,通过对钢桁梁桥和钢筋混凝土桥进行实例分析,阐述了在实际结构分析中,应根据具体情况,扬长避短,使A N SYS 通用程序更好地应用于各种结构分析中。

关键词:建模方法;A N SYS 程序;实体模型;直接生成;结构分析

中图分类号:T P391.9　文献标识码:A 文章编号:1672-3953(2005)04-0045-03

1引言

近年,随着计算机的飞速发展和广泛应用,各种行之有效的数值计算方法得到了巨大的发展。而有限元方法则是计算机诞生以后,在计算数学、计算力学和计算工程科学领域里诞生的最有效的计算方法。随着有限元理论基础的日益完善,出现了很多通用和专用的有限元计算软件。其中ANSYS 大型通用程序应用十分广泛,它提供了两种方法生成模型:实体建模和直接生成模型

[1]

。

2

两种建模方法的特点

2.1

实体建模

实体建模,即描述模型的几何边界,建立对单元

大小及形状的控制,然后用ANSYS 程序自动生成所有的节点和单元。ANSYS 程序提供了两种方法:自顶向下与自底向上。自顶向下进行实体建模时,定义一个模型的最高级图元———基元,程序自动定义相关的面、线及关键点。利用这些高级图元直接构造几何模型。自底向上进行实体建模时,首先定义关键点,然后依次得相关的线、面、体。无论使用自顶向下还是自底向上方法建模,都能使用布尔运算来组合数据集,从而“塑造出”一个实体模型。ANSYS 程序提供了完整的布尔运算,诸如相加、相

减、相交、分割、粘贴和重叠。在创建复杂实体模型

时,对线、面、体、基元的布尔操作能减少相当可观的建模工作量[2]

。它具有如下优点:

(1)需要处理的数据较少;

(2)允许对节点和单元不能进行的几何操作(如拖拉和旋转);

(3)支持使用面和体体素(如多边形和圆柱体)及布尔运算(相交、相减等)以顺序建模;

(4)便于使用ANS YS 程序的优化设计功能;(5)便于自适应网格划分;

(6)便于施加荷载之后进行局部网格细化;(7)便于几何上的改进;

(8)便于改变单元的类型,不受分析模型的影响。实体建模方法也有一些缺点:(1)需要大量的CPU 处理时间;

(2)对小型简单的模型有时很繁琐,比直接生成需要更多的数据;

(3)在特定的条件下可能会失败(程序不能生成有限元网格)。

2.2直接生成模型

直接生成方法是在定义A NS YS 实体模型之前,确定每个节点的位置以及每个单元的大小、形状和连接。它的优点如下:

(1)对小型简单的模型生成较方便;

(2)使用户对几何形状及每个节点和单元的编号有完全的控制。

直接建模方法的缺点:

(1)除最简单的模型外往往比较耗时,需要处理大量数据; 与设计

(2)不能使用自适应网格划分;

(3)使用优化设计变得不方便;

(4)改进网格划分十分困难;

(5)需要用户留意网格划分的每一个细节,更容易出错。

3实例分析

3.1芜湖长江正桥钢桁梁实例

芜湖长江大桥正桥钢桁梁第三联(3×144m)为板桁结合的连续钢桁梁结构,桁高14m,桁宽12.5 m,节间长度12m,采用无竖杆的三角形桁式,在支点处设置强劲的桥门架,不设中间横联,杆件采用焊接整体节点连接。连续钢桁梁下层为双线铁路,上层为四车道公路桥面,两侧设1.8m人行道,公路桥面宽21.7m。公路桥面系为纵横梁体系,横梁间距12m,设在主桁节点处,纵梁间距2.3～2.75m。桥面系均采用工型构件,公路横梁高1356mm,纵梁高1076mm,铁路横梁高2161mm,纵梁高1480 mm。公路桥面板通过M22剪力键栓钉与主桁上弦杆及公路纵横梁上翼缘相结合[3,4]。

芜湖长江大桥的正桥采用钢筋混凝土板和钢桁架共同作用的结合桁梁,公路桥面采用预应力钢筋混凝土板和钢纵、横梁体系的正交异性板。混凝土板的宽度大,空间结构行为比较复杂。对于此结合桁梁,空间计算模型拟采用空间梁单元和壳单元的组合空间模型。钢桁梁部分采用空间梁单元进行模拟,公路桥面板采用矩形壳单元。分别采用实体建模和直接生成模型的方法建立有限元模型。两种方法网格划分后的结果图相似(如图1)。

图1　芜湖长江大桥钢桁梁桥有限元模型

桥梁的自振特性在很大程度上反映出桥梁刚度的大小,也就反映出桥梁的动力特性。而桥梁自振频率计算的准确性主要取决于计算分析模型的刚度、质量和约束是否与结构的实际情况相符,以上两种方法所采用的计算分析模型可以真实地模拟结构的刚度、质量和约束。表1为两种方法建模后前8阶自振频率计算结果对比及相应振型特点。从表中数据可以看出,这两种方法计算出的自振频率相差不大。表2列出了有限元分析过程中相关数据的比较。

表1桥梁自振频率计算结果

阶

次

直接生成模型

计算频率/Hz

实体建模方法

计算频率/Hz

振型特点

10.91330.8999左边跨横向挠曲振动

20.94170.9012右边跨横向挠曲振动

3 1.1252 1.2153竖向挠曲振动

4 1.1304 1.2205中跨横向挠曲振动

5 1.3647 1.3726竖向挠曲振动

6 1.6973 1.7008左边跨扭转振动

7 1.6977 1.7014右边跨扭转振动

8 1.7292 1.7311竖向挠曲振动

表2建模过程中相关数据比较

项目实体建模直接生成关键点数56

线条数239

节点数113851891

单元数29722948

CP U处理时间/min43

3.2预应力混凝土桥实例

该桥为预应力混凝土连续刚构桥,全长210m (55m+100m+55m),采用箱梁结构。该桥箱梁采用直腹板单箱单室结构,箱梁顶面宽度为11m,箱体宽度为6m,T构端部梁高2.6m,根部梁高5.6 m。根部5m梁段主梁高度采用直线变化,其余主梁高度采用二次抛物线变化。箱梁采用50号混凝土。主梁悬臂浇注梁段划分为12段,中跨合拢一段,边跨合拢分两段。纵向预应力钢束分顶板束和底板束两种束型。预应力钢束都采用12×j15.24 mm的钢绞线束。

对于此结构,我们只能采用实体结构建模,然后划分网格进行计算,如采用直接生成的方法,则根本无法建成。这是因为直接生成模型时需要对结构的每个节点位置和相互连接关系很明确,而且这种方法对预应力的施加带来困难。ANS YS中加预应力有几种方式:①直接在单元里加;②用F力加,然后在分析时打开Prestress,On;③用温度变化模拟。预应力混凝土分析根据作用不同有分离式和整体式两类。分离式就是将混凝土和力筋的作用分别考

与设计