基于ANSYSWorkbench的玻璃面板結(jié)構(gòu)分析

基于ANSYSWorkbench的玻璃面板承載力分析【摘要】本文采用ANSYSWorkbench有限元分析軟件對玻璃面板的結(jié)構(gòu)承載力進行了數(shù)值模擬，分別采用SHELL和SOLID等單元對給定模型進行計算，并將模擬結(jié)果和實際檢測數(shù)據(jù)進行了對比分析。本文還對適合玻璃承載力分析的幾種常用單元進行了討論。關鍵字：有限元玻璃承載力1前言玻璃面板結(jié)構(gòu)承載力設計玻璃面板是建筑幕墻的主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件，一方面起到圍護結(jié)構(gòu)的作用，另一方面承擔傳遞風荷載和其它荷載的作用。近年來頻繁反生玻璃墜落傷人事故，因此對其進行可靠的數(shù)值模擬計算至關重要。我國現(xiàn)行規(guī)范［4］對玻璃的計算提出了數(shù)值計算方法，并通過折減系數(shù)修正小撓度理論與實際工程的偏差。但彎曲應力和撓度采用相同的折減系數(shù)與客觀實際存在誤差，因此對于較大工程或重要工程需采用更為精確的方法進行計算，本文以四邊簡支矩形板為例，探討ANSYS有限元方法對玻璃承載力的數(shù)值模擬技術。關于任意三角形等異形玻璃面板的承載力計算，可參照文獻［1,5］進行。ANSYS軟件進行有限元分析的方法計算機輔助工程技術（CAE）已經(jīng)得到越來越廣泛的使用，CAE的技術種類有很多，其中包括有限元法（FEM）、邊界元法（BEM）和有限差分法（FDM）等。每一種方法各有其應用的領域，而其中有限元法應用的領域越來越廣，現(xiàn)已應用于結(jié)構(gòu)靜力學、結(jié)構(gòu)動力學、熱力學、流體力學、電路學、電磁學等領域。目前常用的分析軟件有ANSYS、SAP2000、ETABS、STAAD、MIDAS和MIDAS等，國產(chǎn)軟件主要有PKPM、3D3S和MTS等。在ANSYS的高版本中，提供多種建模分析手段，比較常用的方法有：GUI可視化方法、APDL語言方法和通過Workbench的DesignModeler建模分析方法。GUI可視化分析方法比較傳統(tǒng),有很多資料可供參考⑵，對有限元分析的控制比較細致，但學起來比較復雜，可視化效果也不夠理想。APDL語言分析方法是由類似于FORTRAN77的程序設計語言部分和1000多條ANSYS命令組成。具有參數(shù)、數(shù)組表達式、函數(shù)、流程控制（循環(huán)與分支）、重復執(zhí)行命令、縮寫、宏及用戶程序等。通過APDL命令流將ANSYS命令組織起來，編寫出參數(shù)化的用戶程序，進行參數(shù)化建模，并能實現(xiàn)有限元分析的全過程。該方法很復雜，但能夠?qū)τ邢拊治龈鱾€環(huán)節(jié)的細節(jié)進行控制，是具有專業(yè)水準的分析方法。ANSYSWorkbench及其組成模塊分析方法是近些年發(fā)展起來的可視化有限元分析技術，能夠用來解決復雜的實際工程問題。它的主界面引入了工程流程圖的概念，通過各個分析系統(tǒng)間的連接，將數(shù)值模擬過程結(jié)合在一起，每個相對獨立分析系統(tǒng)的數(shù)值模擬過程一般是采用簡化假定或者真實的物理模型，將CAD模型構(gòu)造成有限元網(wǎng)格模型，再通過施加載荷和邊界條件后運行求解得到分析結(jié)果，分析系統(tǒng)之間通過共同變量建立關聯(lián)。ANSYSWorkbench分析方法的特點（1）AnsysWorkbench是一個CAE開發(fā)平臺。是一種全新的人性化界面操作系統(tǒng)，建模與網(wǎng)格劃分比經(jīng)典方法方便，比較適合工程設計人員，而經(jīng)典分析方法更適合專業(yè)FEA人員。Workbench中網(wǎng)格劃分只能是自由劃分，不宜對其細節(jié)進行控制。計算結(jié)果有小的差別，Workbench和經(jīng)典默認的算法有所不同，Workbench默認的PCG算法,而經(jīng)典分析方法是消元法。Workbench包括CAE建模工具DesignModeler，靜力分析工具Mechanical，優(yōu)化工具DesignXplorer等，且能夠方便的切換到經(jīng)典環(huán)境。玻璃幕墻結(jié)構(gòu)分析用單元在建筑幕墻行業(yè)，分析面板承載力時一般選擇Shel1單元或Solid單元，分析桿件和索結(jié)構(gòu)時采用Link單元，但在Ansys的高版本中，對這些單元不再支持⑵，應采用代用單元。表1列出與幕墻分析相關的單元代用方法。表1結(jié)構(gòu)靜力分析常用單元代用表不再支持的單兀推薦代用的單元適用分析類型Shell單元Shell41Shell181玻璃、金屬、陶瓷等面板Shell43Shell63Shell91Shell281多層殼Shell93Shell99Beam單兀Beam3、Beam4Beam188空間2節(jié)點梁Beam23Beam54Link單元Link8Link180分析索桿結(jié)構(gòu)Link102玻璃面板結(jié)構(gòu)建模ANSYSWorkbench有限元分析的一般過程23]ANSYSWorkbench通常被稱為“傻瓜”版有限元分析系統(tǒng)，能夠容易地解決不同分析類型的工程問題，比如靜力分析、動力分析、自由振動等。其主要流程：選擇工程問題的分析類型，將分析系統(tǒng)加入工程流程圖。定義材料屬性?？衫锰峁┑墓こ滩牧蠋鞂?，也可以自定義材料屬性，比如玻璃的屬性。采用DesignModeler建立幾何模型或CAD接口導入幾何模型。目前Ansys支持的CAD系統(tǒng)有Catia、ProE、Solidwork、UG、SolidEdge和AutoCAD等。在進行有限元分析時，可以把符合要求的CAD模型直接導入ANSYS進行分析。施加載荷、邊界條件，設置結(jié)果處理要求。求解并出具限元數(shù)值模擬分析報告。玻璃面板建模數(shù)據(jù)玻璃尺寸2000x1000x6mm,泊松比0.2,彈性模量7.2E10Pa,風荷載分別為：0.5,1.0，1.5,2.0,2.5,3.0,3.5,4.0,4.5,5.0kPa。計算方法采用小撓度理論和大撓度理論分別進行分析。分析云圖見圖1和圖2。

圖1位移分析云圖圖2應力分析PATH顯示3計算結(jié)果及ANSYS不同單元的比較本文采用ANSYSWorkbenchV14.0對玻璃面板進行建模，分別采用Shell63、Shell181和Solid186單元進行模擬計算，并考慮了非線性的影響，試驗及計算結(jié)果見表2和表3。不難看出：（1）考慮幾何非線性的計算結(jié)果與試驗值比較接近，能夠比較準確地反應客觀實際。（2）線性解隨荷載的進一步加大，與試驗值的偏差也逐步加大。（3）三類單元Shell63、Shell181和Solid186的結(jié)果相差不大，均能滿足工程設計要求，因此可以采用系統(tǒng)默認單元設置進行有限元分析。表2玻璃中心點彎曲應力（MPa）荷載（kPa）0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0試驗值9.619.025.029.833.836.639.241.443.845.4586845475SHELL638.316.625.033.341.649.958.366.674.983.23702470369SHELL638.114.920.625.329.332.835.838.540.943.2非0226847675SHELL188.316.624.933.341.649.958.366.674.983.313692581481SHELL188.114.920.625.329.332.835.838.541.043.11非0226959807SOLID188.216.424.732.941.249.457.665.974.182.464837159382SOLID188.015.020.825.729.933.536.839.742.344.76非3342160045表3玻璃中心點最大位移（mm）荷載（kPa）0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0試驗值4.17.710.713.015.016.718.319.620.922.09928934449SHELL633.77.511.215.018.722.526.230.033.737.55050505050SHELL633.76.99.6712.014.115.917.519.120.521.9非003039013SHELL183.77.511.215.018.822.526.230.033.737.5