槽鋼加筋板的板殼有限元

09-槽鋼加筋板的板殼有限元分析算例來(lái)源：《ANSYSWorkbench有限元分析實(shí)例詳解》（周炬、蘇金英著）算例制作：孟志華算例校核：關(guān)鍵詞：槽鋼、板殼單元、靜力分析、摘要本例題對(duì)一個(gè)加筋的槽鋼板進(jìn)行有限元分析，槽鋼板被簡(jiǎn)化為板殼組成的結(jié)構(gòu)。在有限元分析中，對(duì)于厚度方向上遠(yuǎn)小于其長(zhǎng)度和寬度的薄板類結(jié)構(gòu)，非常推薦使用板殼單元來(lái)建模并求解分析。相對(duì)于實(shí)體單元模擬薄板，板殼單元將極大地減少計(jì)算資源，并且一般其計(jì)算精度更好于實(shí)體單元。本例題可以學(xué)習(xí)掌握ANSYS中對(duì)面（板殼）模型的網(wǎng)格劃分、荷載施加，以及對(duì)板殼結(jié)構(gòu)的后處理。案例描述本算例對(duì)一個(gè)加筋的槽鋼板進(jìn)行有限元靜力分析，槽鋼板被簡(jiǎn)化為板殼組成的結(jié)構(gòu)。加筋的槽鋼板結(jié)構(gòu)形狀如下圖，結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度400mm，寬度22.5mm，且槽鋼主板厚度5mm，筋板厚度3mm。使用ANSYS材料庫(kù)自帶的鋼材料。結(jié)構(gòu)頂部翼板收到均布荷載的作用，槽鋼兩端固定，分析其變形量和應(yīng)力。3.1.打開(kāi)ANSYSWorkbench，啟動(dòng)幾何建模模塊（1） 首先啟動(dòng)ANSYSWorkbench環(huán)境。（2） 然后通過(guò)【File】菜單或快捷按鈕，導(dǎo)入已有的“shell.wbpj”文件。文件已經(jīng)提供了中面抽取完成后的板殼幾何模型，并且已經(jīng)做了“共享拓?fù)洹碧幚怼＃?） 確認(rèn)靜力分析項(xiàng)目流程已經(jīng)創(chuàng)建：在Workbench的環(huán)境下，【ProjectSchematic】區(qū)域已經(jīng)創(chuàng)建了一個(gè)靜力分析的項(xiàng)目流程——而且，靜力分析的幾何模型，源自于上一個(gè)【Geometry】項(xiàng)目的幾何模型，兩個(gè)項(xiàng)目之間用連線表示模型或數(shù)據(jù)的傳遞關(guān)系。3.1.打開(kāi)ANSYSWorkbench，啟動(dòng)幾何建模模塊（續(xù)）（4） 在該靜力分析的項(xiàng)目流程中，雙擊【Model】（也可使用鼠標(biāo)右鍵彈出菜單），即可啟動(dòng)并打開(kāi)Mechanical模塊，打開(kāi)該模塊的同時(shí)，槽鋼板模型會(huì)自動(dòng)載入。在Mechanical模塊內(nèi)，將進(jìn)行網(wǎng)格劃分、荷載施加、求解計(jì)算、后處理等工作。3.2.進(jìn)入Mechanical，進(jìn)行幾何和截面檢查及材料設(shè)置（1） 檢查幾何模型：在Mechanical模塊中，左側(cè)目錄樹(shù)【Outline】下依次找到【Project】-【Model】-【Geometry】，該目錄下為所有導(dǎo)入的幾何模型。提示：因?yàn)樵赟paceclaim建模時(shí)使用了“共享拓?fù)洹钡脑O(shè)置，所以所有的“面”被歸總到“Geom”的目錄下，通常這代表在網(wǎng)格劃分時(shí)這些面的邊界將形成共節(jié)點(diǎn)。3.2.進(jìn)入Mechanical，進(jìn)行幾何和截面檢查及材料設(shè)置（續(xù)）（2） 檢查槽鋼板的厚度是否正確：鼠標(biāo)點(diǎn)擊目錄樹(shù)中列出的每一個(gè)面，在各個(gè)面模型對(duì)應(yīng)的“細(xì)節(jié)設(shè)置面板”中，檢查【Thickness】厚度是否正確，槽鋼的翼板和腹板厚度應(yīng)為5mm，筋板的厚度應(yīng)為3mm。（3） 檢查槽鋼各板的材料是否正確：同樣，在每個(gè)面的細(xì)節(jié)設(shè)置面板中，【Material】-【Assignment】，檢查是否設(shè)為系統(tǒng)缺省提供的材料structuralsteel。此處，可以為每塊板賦予材料。提示：由于在Spaceclaim建模模塊中，使用了“抽取中面”的方法，可以自動(dòng)將原實(shí)體模型的厚度賦予中面模型，因此，槽鋼模型中所有的面都被自動(dòng)賦予了3mm或5mm厚度。3.3.進(jìn)行網(wǎng)格劃分本例題采用系統(tǒng)默認(rèn)的網(wǎng)格尺寸即可。（1） 完成網(wǎng)格劃分：直接在左側(cè)目錄樹(shù)【Outline】-【Mesh】上鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊，彈出菜單中選擇GenerateMesh，即可完成網(wǎng)格劃分。提示：劃分完成后，可以在目錄樹(shù)中找到【Mesh】點(diǎn)擊，可在其細(xì)節(jié)設(shè)置面板查看網(wǎng)格質(zhì)量和數(shù)量。例如，在【Quality】欄下，可以查看網(wǎng)格質(zhì)量，在【Statistics】欄下可顯示節(jié)點(diǎn)和單元數(shù)量，進(jìn)而評(píng)估求解計(jì)算所需的資源和時(shí)長(zhǎng)。3.4.施加荷載及約束提示：ANSYS提供了豐富的荷載和約束條件類型，可以模擬工程中各種工況和固定方式，讀者應(yīng)結(jié)合例題和幫助，嘗試并深入理解每一個(gè)荷載和約束條件，結(jié)合工程實(shí)際靈活運(yùn)用。設(shè)置符合實(shí)際的荷載和約束，是做好有限元分析的關(guān)鍵一步，務(wù)必重視。（1） 施加均布力荷載：在目錄樹(shù)【Outline】-【StaticStructural】上鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊，在彈出菜單中使用【Insert】-【Pressure】，即添加一個(gè)均布力荷載。然后在該P(yáng)ressure荷載的細(xì)節(jié)設(shè)置面板中，設(shè)置加載位置、方向、數(shù)值。具體操作是，第一步，在細(xì)節(jié)設(shè)置面板中的【Geometry】，選中槽鋼的頂面作為加載部位，并點(diǎn)擊Apply確認(rèn)。最后，在面板中的【Magnitude】輸入1Mpa。均布力荷載，系統(tǒng)默認(rèn)正值為壓，負(fù)值為拉，ANSYSWorkbench提供了強(qiáng)大和方便的模型可視性，讀者可以通過(guò)GUI窗口自行檢查。3.4.施加荷載及約束（續(xù)）（2） 施加槽鋼兩端固定約束：在目錄樹(shù)【Outline】-【StaticStructural】上鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊，在彈出菜單中使用【Insert】-【FixedSupport】，即添加一個(gè)固定約束。在該FixedSupport約束的細(xì)節(jié)設(shè)置面板中，設(shè)置約束的對(duì)象（槽鋼兩端的邊線）。具體操作是，按住Ctrl鍵，一次性選中槽鋼板兩端的6條邊線，點(diǎn)擊Apply確認(rèn)。提示：選擇邊線時(shí)，使用頂部快捷工具欄的選擇工具，即在點(diǎn)、線、面、體的選擇按鈕中切換為“線”，再進(jìn)行選擇操作。3.5.靜力分析求解本例題雖然使用了板殼模型，但仍為常規(guī)的靜力、線性問(wèn)題，因此無(wú)需進(jìn)行更多的求解控制。在左邊目錄樹(shù)【Outlines】-【StaticStructural】或者【Solution】位置，點(diǎn)鼠標(biāo)右鍵，彈出菜單選Solve，進(jìn)行求解。3.6.應(yīng)力/位移結(jié)果后處理本例題求解約1分鐘完成。（1） 插入并查看VonMises應(yīng)力結(jié)果：計(jì)算完成后，在左側(cè)目錄樹(shù)【outline】-【Solution】位置，鼠標(biāo)右鍵，彈出菜單，選擇-【insert】-【stress】-【Equivalentstress/Von-mises】，即可插入Von-mises應(yīng)力的結(jié)果。新插入的入Von-mises應(yīng)力的結(jié)果上用鼠標(biāo)右鍵彈出菜單，選擇EvaluateResults，完成結(jié)果文件的數(shù)據(jù)導(dǎo)入和圖形顯示。在本例題中，Von-miese應(yīng)力最大值為172Mpa，在槽鋼板兩端固定位置。（2） 插入并查看位移結(jié)果：同理，在后處理的彈出菜單中，選擇-【insert】-【Deformation】-【Total】，即可插入一個(gè)結(jié)構(gòu)總位移的結(jié)果。然后繼續(xù)在左側(cè)目錄樹(shù)【outline】-【Solution】上用鼠標(biāo)右鍵彈出菜單，選擇EvaluateResults，完成結(jié)果文件的數(shù)據(jù)導(dǎo)入和圖形顯示。該例題的結(jié)構(gòu)總位移，即X、Y、Z三方向的位移矢量和，為0.45mm。（3） 板殼單元后處理的顯示選項(xiàng)開(kāi)關(guān)：對(duì)于板殼和梁?jiǎn)卧?，由于其是“抽象”后的有限元模型，因此后處理與實(shí)體單元略有不同。例如，下圖的選項(xiàng)開(kāi)關(guān)示意圖，通過(guò)頂部菜單【View】下的【ThickShellsandBeams】勾選和取消，可以實(shí)現(xiàn)在應(yīng)力云圖中顯示板殼厚度和梁截面的效果。讀者可以自行嘗試。分析小結(jié)本例題對(duì)一個(gè)加筋的槽鋼板進(jìn)行有限元分析。荷載為槽鋼上部有1Mpa均布?jí)毫Γs束為槽鋼兩端固定。因?yàn)椴垆摪宓暮穸瘸叽邕h(yuǎn)小于長(zhǎng)度及寬度尺寸，因此可以用板殼單元來(lái)