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        工程結構分類、特點與有限元建模思路

        1年前瀏覽2084
        結構工程師雙證研修班

        導讀工程結構按照其幾何以及受力特點,可以分為連續體結構(3D、2D)、桁架結構、梁結構、板殼結構以及組合結構等類型。本節介紹各種結構類型的特點及其在ANSYSWorkbench中建模的思路。

        1.連續實體結構(3D)
        三維連續實體結構是最為常見的結構形式,各種機電產品的零部件、橋墩和建(構)筑物的基礎墩臺、各種工業領域中的連接件受力分析等問題,都是典型的3D連續實體結構的受力問題。這類問題的幾何特點是,在三個方向上的尺度基本在同一數量級。如圖1-1所示為一些3D實體結構的示例,其中圖1-1(a)為機械支架結構,圖1-1(b)為齒輪零部件,圖1-1(c)為電路板結構。
        在有限元分析中,通常采用二次插值的實體單元對3D連續實體進行離散,四面體單元更是具有良好的復雜幾何適應性,因此得到了普遍的應用。需要指出的是,理論上講,盡管所有結構都能夠用3D連續實體單元來建模,但這往往是不現實的,因此要根據結構特點選用合適的單元類型。本節后面介紹的其他結構形式都是3D實體在特定情況下的物理簡化,這些簡化有效地提高了建模和計算的效率。
        2.連續實體結構(2D)
        在特定情況下,三維實體結構可以被視作二維問題加以分析。常見2D連續實體結構類型包括平面應力問題、平面應變問題、空間軸對稱問題三種類型。如圖1-2所示為一些2D連續實體結構的示例,其中:圖1-2(a)為開孔板的平面應力問題;圖1-2(b)為重力壩的平面應變問題;圖1-2(c)左圖為3D實體,由于是旋轉體,任意一個周向斷面的受力狀態均一致,因此可以視作二維軸對稱問題建模和劃分單元。
        (1)平面應力問題
        面內尺寸遠大于其厚度的薄板,荷載作用于面內且沿厚度方向均勻分布,沒有面外方向的荷載和位移約束,這種情況即平面應力問題。深梁的受力問題就是一個典型的平面應力問題。在ANSYSWorkbench中,通常選擇位移二次插值的平面單元和Plane Stress選項來模擬這類問題。
        (2)平面應變問題
        無限長且橫截面沿軸向不變的結構,端部位移受到約束,外荷載作用沿著平行于橫截面的方向且荷載和約束沿軸向分布無變化,這種情況即平面應變問題。壩體、隧道等問題都是典型的平面應變問題。在ANSYSWorkbench中,通常選擇位移二次插值的平面單元和Plane Strain選項來模擬這類問題。
        (3)空間軸對稱問題
        軸對稱問題常見于各種壓力容器、散熱器結構的分析中。對于幾何形狀軸對稱的旋轉體,如果其所受到的荷載和約束也為軸對稱分布,即旋轉方向的任意一個角度的子午面(剖面)受力狀態完全相同,子午面內的應力分量與位移分量均與環向角度θ無關,這種情況即空間軸對稱問題。在ANSYSWorkbench中,通常選擇位移二次插值的二維單元和軸對稱選項來模擬這類問題。
        3.桿系結構
        桿系結構是指由桿件單元組成的結構形式。桿件是在軸線方向尺寸遠大于橫截面尺寸的受力構件,根據桿件受力特點,通常又分為桁架結構、梁系結構、桁架-梁組合結構等類型。如圖1-3所示為一系列桿系結構的示例。
        (1)桁架結構
        桁架結構是桿系結構的一種,是由僅能承受軸向荷載的二力桿組成的結構體系。常見于各種屋架結構、網架結構等。桁架可以視作一種自然離散的結構形式,一根桿件就是一個單元。由于二力桿的特性,兩個節點之間不需要也不可能進一步細分,否則會形成機動體系。
        (2)梁系結構
        梁系結構是由可承受力矩(彎、扭)的桿件組成的結構體系。常見的各種空間框架結構、塔架結構、網殼結構等都是梁系結構。在有限元分析中,通常采用梁單元來模擬受彎桿件。對于工程中常用的單軸或雙軸對稱截面,需要為梁單元指定截面的方位。梁單元和梁單元之間的節點連接處通常為剛接形式,對于鉸接形式或半剛半鉸形式,在Workbench中通過EndRelease方式處理。此外,工程中一類常見的管道結構系統,ANSYS Workbench中提供了管單元來進行模擬,這些單元在受力特點上實質上也是梁,但是能方便施加內壓等管道荷載。
        (3)桁架-梁組合結構
        桁架-梁組合結構是同時包含有桁架單元和梁單元的桿系結構。桁架單元為二力桿,只能承受軸力,通常用作支撐構件。梁單元則用作主要受力構件,以受彎曲為主。兩種單元組合時,每一種單元的節點所具有的自由度是不同的。桿單元的節點沒有轉角位移自由度。
        4.板殼結構
        板殼結構為厚度方向的尺寸顯著小于其面內尺寸的結構形式,如:各種薄壁結構、高層建筑剪力墻、薄壁容器等都是板殼結構的典型代表。在有限元分析中通常采用SHELL單元來模擬板殼和薄壁結構,可定義厚度或橫截面,支持變厚度以及多層復合材料的定義。如圖1-4所示為一些板殼結構的示例。
        除了SHELL單元外,ANSYS Workbench還提供了實體殼單元,用來模擬三維的變厚度薄殼以及中等厚度殼,在劃分單元時按實體沿厚度掃掠劃分即可,因此無需抽取中面。此單元的具體使用,請參考本書后續有關章節。如圖1-5所示為一個變厚度的實體殼結構實例。
        5.組合結構
        由上述各種結構形式組合而成的結構統稱組合結構。由于二維實體不可能與其他類型的結構進行組合,因此組合結構一般是三維實體、板殼以及梁之間的組合,可以是任意兩種類型的組合或者是三者的組合。如圖1-6和圖1-7所示為梁-殼組合結構,包含梁單元以及殼單元,并涉及到梁的截面偏置。
        如圖1-8所示為實體和梁以及實體和薄殼的組合結構,這類組合結構中,實體單元的節點沒有轉角位移自由度,與梁、薄殼等單元類型連接時,需要借助于MPC多點約束方程技術實現模型的連接。在ANSYSWorkbench中通常采用基于多點約束方程算法的接觸表面來連接這兩種不同類型的單元,當然接觸也可以連接不共享節點的相同類型的單元(如在公共界面不共享節點的實體部件之間)。這一技術涉及到ANSYS的面-面接觸單元以及線-面接觸單元類型,相關細節將在后面組合結構一章中進行講解。
        6.結構簡化及抽象單元類型
        在有限元分析中,通常涉及到結構的系統抽象或簡化。比如,分析時可以將一些彈性部件簡化為剛度等效的彈簧,這涉及到彈簧單元的使用。在Workbench中提供了線性以及非線性的連接單元類型,這些單元中還可以定義平行的阻尼器。又比如,在整體建模中經常將特定的非結構部件簡化為一個與其他結構件妥善連接的質量點,在ANSYSWorkbench中采用質量單元來模擬集中質量和轉動慣量。


        編者按:

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        來源:仿真秀App
        Workbench復合材料非線性電路建筑理論材料ANSYS
        著作權歸作者所有,歡迎分享,未經許可,不得轉載
        首次發布時間:2023-03-28
        最近編輯:1年前
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