两种ANSYS有限元建模方法在某框架结构中的对比

贺林林 刘 洋

0 引言

随着结构工程的发展，有限单元法(FEM)已成为分析各种结构问题的强有力的使用工具。ANSYS软件是美国ANSYS公司开发的新一代大型通用有限元分析程序，它拥有丰富和完善的单元库、材料模型库和求解器，能高效地求解各类结构计算问题。ANSYS软件是第一个通过ISO 9001质量认证的大型分析设计类软件，是美国机械工程师协会(ASME)、美国核安全局(NQA)及近二十种专业技术协会认证的标准分析软件。在国内是第一个通过了中国压力容器标准化技术委员会认证并在国务院十七个部委推广使用的。在ANSYS数据库中，提供了超过100种单元类型，每种都有其自身的特点，要选择适合结构本身特点的单元形式，还是比较困难的[1，2]。本文结合某简单框架的结构特点，采用实体建模和梁单元建模两种方式，根据建模结果对两种建模方式进行了分析比较。

1 ANSYS实体建模的介绍

ANSYS程序提供了两种实体建模方法:自顶向下和自底向上。自顶向下进行实体建模时，用户定义一个模型的最高级图元，如球、棱柱，称为基元，程序自动定义相关的面、线和关键点，用户可以利用这些高级图元直接构造几何模型。采用自底向上进行实体建模时，用户从最低级的图元向上构造模型，先定义关键点，再依次定义线、面、体。无论采用哪种方法建模，用户均能使用布尔运算来组合数据。ANSYS程序提供了完整的布尔运算，诸如相加、相减、相交、分割、粘结、搭接和重叠。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[3]，并构造出用户想要的模型。此外，ANSYS程序还提供了拖拉、延伸、旋转、移动和复制实体模型的图元功能，以及切线构造、自动倒角生成、通过拖拉与旋转生成面、体等附加功能，可方便帮助用户建模。

2 两种建模方式单元类型的选择及特点

2.1 实体建模方式单元类型的选择及其特点

土木工程中，常用的实体单元类型有Solid45，Solid92，Solid185，Solid 187等几种。Solid 45，Solid185可以归为第一类，它们都是六面体单元，都可以退化为四面体和棱柱体，单元的主要功能基本相同，其中Solid185还可以用于不可压缩超弹性材料。Solid92，Solid 187可以归为第二类，它们都是带中间节点的四面体单元，单元的主要功能基本相同。实际选用单元类型时，如果所分析的结构比较简单，可以很方便的全部划分为六面体单元，或者绝大部分是六面体，只含有少量四面体和棱柱体，此时，应该选用第一类单元。如果所分析的结构比较复杂，难以划分出六面体，则应选用第二类单元，也就是带中间节点的四面体单元。ANSYS的单元类型是在不断发展和改进的，同样功能的单元，编号大的往往意味着在某些方面有优化或者增强。但是对于本文中比较简单的框架结构单元，选用Solid45就足够可以得到比较满意的计算结果。Solid 45由8节点结合而成，每个节点有X，Y，Z三个方向的自由度。

2.2 梁单元建模的单元类型的选择及特点

ANSYS程序中梁单元是一种几何上一维而空间上二维或三维的单元。常用的梁单元有Beam 3，Beam4，Beam188三种。它们的主要区别在于:1)Beam3是2D的梁单元，只能解决二维的问题。2)Beam4是3D的梁单元，可以解决三维的空间梁问题。3) Beam188是3D梁单元，可以根据需要自定义梁的截面形状。ANSYS中提供了 11种常用截面形状梁截面库供我们选择，由此提供了更强大的非线性分析能力和可视化特性。

对于该框架结构，柱、横纵梁选用Beam188单元类型，即三维线性应变梁单元类型。本实例中相应的选用梁单元，楼板选用了Shell63单元类型。

使用Beam188建模时，需要注意的是方向点K的选取，方向点的作用是确定梁截面的方向，也称为截面方向控制点。如图 1所示，由I指向J为单元坐标系统的X方向，K为单元坐标系统的在X—Z平面内+Z方向的任何一点(但是I，J，K三个点不能够共线)，Y方向再由右手螺旋法则确定即可。其次，梁柱交接处需要设置截面的偏移位置，通过此参数可定义梁移动多少距离已达到和实际相符合的模型。

3 实例建模分析比较

某框架结构，楼板面积20m×8m，厚度为200mm;框架柱截面为0.5m×0.5m，横纵梁截面为0.3m×0.6m。立柱侧面间距4m，立面正面间距 5m。结构全部采用钢筋混凝土结构。分别采用实体和梁单元两种方式建模，如图 2，图 3所示。

表1 建模过程中相关数据比较

4 结语

通过对简单框架结构的实体建模和梁单元建模的分析比较得出:

1)对于简单框架结构，实体建模和梁单元建模，它们的模型差别不大。2)实体建模能够真实反映结构特征，但是需要建立大量的关键点、线、面、体，有较多的节点和单元数量。对于细部结构，交叉连接以及接触等问题的处理上比较繁琐。相比梁单元建模，实体建模及CPU处理需要较长的时间。3)从表1中两者统计的建模过程中相关数据明显的可以看出，使用梁单元方式建模能以较少的节点数和单元数达到与实体模型相同的结果。对于许多在实体模型中难解决的问题，在梁单元建模中，变得很简单。但是梁单元建模需要划分网格后才能反映真实的结构特征。

对于简单的结构选取梁单元建模的方式既简单快捷又能达到比较理想的效果。但是对于复杂、庞大的结构，以及需要对裂隙进行观察等复杂计算的结构，最好还是采用实体建模，以取得更为可靠的结果。在实际的工程中，应该根据需要选择合适的建模类型，使ANSYS这一软件更好地应用于空间结构有限元计算。

[1] 潘玉松.浅谈使用ANSYS时的建模方法[J].成都电子机械高等专科学校学报，2006，6(2):28-30.

[2] 张 萍.ANSYS建模过程中单元属性的定义[J].现代电子技术，2003，159(16):5-36.

[3] 李景涌.有限元法[M].北京:人民交通出版社，2002:151-168.