《有限元法》课程中实体建模的实践

2018-01-03诸莉尹麒麟

山东工业技术 2018年24期

诸莉尹麒麟

摘要：针对有限元建模过程中通常会遇到同种型钢偏移方向不同、同种单元面所受载荷方向不同等问题，本文通过大量操作试验提出了点、线、面的相互间的耦合关系，总结出相应的建模分析方法，并运用相应方法在APDL语言下完成白鹤滩水电站导流隧洞钢模台车的建模分析，使计算结果更加精确可靠。本文旨在为结构设计建模的过程提供参考，为类似工程提供有效借鉴。

关键词：有限元建模；方向性；单元偏移；设计应用；白鹤滩水电站

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.24.213

ANSYS经典界面中，我们通常采用实体建模的方法来进行建模，程序给我们提供了两种建模思想：自底向上建模和自顶向下建模[1-2]。对于一般结构研究中，通常采用自底向上建模方法。建模的过程中会总是会遇到同种型钢方向偏移不同、面所受载荷不统一等问题。因此本文对点、线、面和做出了形象系统性的分析，给出了相互之间的耦合关系，并以白鹤滩水电站导流隧洞钢模台车分析为例诠释，对于钢结构设计、工程实体建模等的借鉴意义尤为重要。

1 线面生成规律

1.1 線和面的方向性

几何中线段是没有方向的，线段AB和线段BA是一条同性质的线条，ANSYS软件中线段则是有方向的。如图1.2所示，连接关键点3，4和连接关键点5，4，就会产生两条长度相同，方向相反的线型。同理建立的面也是有方向的，面的方向的选择对于模型的完善和后期调整非常关键，当面的方向不确定时，调整模型会出现面单元紊乱的情况如图1.1所示。以笛卡尔坐标系为例，将面定义为朝向坐标正方向的一侧为正面，负方向为负面。

1.2 面方向性的确定

建点连线，再由线产生面，线的方向决定面的方向。为了能够直观的在经典界面内看到面的方向性，采取在面上加载面载荷[3]，根据载荷的方向来判断面的方向性。由图1.2可知，建立了沿线9-5-8，9-10-1，2-11-6-10，3-4-12-7-11所围成的四个面，向面分别施加统一的正负面载荷后，所产生的的效果图如1.3，1.4所示：

分析结果图示可知，当载荷为正值时如图1.2，1.3，沿着初始线条的方向路径为逆时针时，面的方向和载荷的方向相同，如线9-5-8所成面A1；沿着初始线条方向路径为顺时针时，面的方向和载荷的方向相反，如线9-10-1所成面A2。当载荷为负值时，面则相反，如图1.4。由于面的方向性规律与右手法则高度适用性，因此我们总结出面的方向规则：当所施加载荷为正值时，右手四指指向初始线条的方向，向路径闭合方向合拢，此时大拇指所指示方向为面的正面；所施加载荷为负值时，左手四指指向初始线条的方向，向路径闭合方向合拢，大拇指所指示方向为面的正面（面的正方向即可视作为力的方向）。

2 赋截面建模

2.1 常用截面参考点

在工程结构设计中通常会用到槽钢、角钢、工字钢、T型钢等，在ANSYS经典界面通过线赋截面[4]时，经常遇到型钢的布置方向不是我们需求的方向。这与截面的参考点有关，常用截面参考点分布总结如下表1所示：

2.2 线条赋截面分布方式

由1.1所述可知，线条在ANSYS中是有方向性的，同样线的方向性也影响着型钢的位置和移动方向。如图2.1所示为需要赋截面的线条及其方向。赋截面时L0参考点选择点1；线条L1、L1不选择参考点；线条L2、L2参考点选择点0；线条L3、L3参考点分别选择点1、2；线条L4、L4参考点分别选择点3、4，赋截面得到如图2.2所示的型钢立体分布图、截面分布图和型钢移动分布图，比较参考点不相同的线条截面L1、L2、 L3、和L4、四组截面分布，可知位置存在明显的差别；比较参考点相同的线条截面L1、L1、L2、L2、 L3、L3和L4、L4四组截面分布，观察到没有明显的位置差别；当将线条所附截面通过Beam Tool—offsetZ移动相同距离时，截面分布发生了不同的变化方式2.2中移动分布图所示。由图2可知，ANSYS建模过程中所赋截面的分布与线的方向和参考点的选择有关。

2.3 截面偏移建模规律

ANSYS建模完成后需要将型钢和筋板进行偏移，使其处在最佳的受力状态。ANSYS提供了Beam Tool中offset to的偏移模块。单元的偏移有相对于质心（centroid）、剪切中心（shear cen）、圆心（origin）、指定点（location）四种设置方式。只有选择指定点（location）选项时，offset-Y和offset-Z才有效，用来指定节点偏移圆心值。

通过2.2所述方法总结出了单元偏移规则（以槽钢为例）如下表2。当所建模型所选参考点选择与上述相反，单元偏移数值不变时，模型移动方向与上述相反，如表3。

注：+号代表坐标正方向，—代表坐标负方向

上述总结是在所赋截面直线平行于Z轴时所得。现得出普遍适用规则如下：（1）当直线与某个坐标轴所成夹角最小时，那么此坐标轴方向不会发生单元移动；（2）当所赋截面直线与Z轴夹角最小时，模型移动方向如上表格所述；当所赋截面直线于X轴夹角最小时，用上述表2、表3模型移动方向X换成Z方向；当所赋截面直线于Y轴夹角最小时，用上述表2、表3模型移动方向Y换成Z方向。

3 工程算例

3.1 工程简介

白鹤滩水电站位于四川省宁南县和云南省巧家县境内，是金沙江下游干流河段梯级开发的第二个梯级电站。白鹤滩水电站具有5条导流隧洞，均采用安全性和效率较高的钢模台车来进行混泥土浇筑，因此需要对钢模台车进行建模校核，得到较精准的应力以及应变云图，在以安全施工的前提下又能节约型材，减少成本，此时精准建模和施加约束与载荷就尤为重要。钢模台车结构形式如图3.1所示。

3.2 有限元建模

利用有限元软件ANSYS，依据设计要求定义三种单元类型，采用壳单元SHELL 181对钢模台车的模板进行模拟，采用梁单元BEAM188对其中的门架、以及模板背面的筋板进行模拟，采用杆单元LINK180对其中顶升丝杆进行模拟[5-7]。建模过程中忽略节点板、连接法兰等结构，采用建点连线附截面的方法建立钢模台车的整体有限元模型，如图3.2所示。

钢模台车整体结构复杂且尺寸较大，同时需要注意型材的摆放位置，当型材位置发生偏差时，会对应力以及应变产生影响，因此在建模的时候采用了上述方法，注意线面以及型材的方向，当模型建立后还需要对其中的型材进行适当的偏移，使有限元模型尽可能与实际模型相一致。以模型中的浇筑模板为例，当不进行偏移和进行偏移时候的模型图如图3.3所示，会发现模板不偏移时候，模板会位于筋板与围檩内侧，与实际情况不相符，会对钢模整体应力或者应变产生较大影响[8-10]。

3.3 计算结果分析

在相同的约束与加载情况下，对模板偏移与不偏移的两种工况进行计算得到图3.4的结果，分析如下。

（1）模板不偏移时候整体最大应力为85.80MPa，发生在门架的中间立柱上；模板偏移时候，最大应力为102.18 Mpa，发生在模板处。最大应力发生在模板处是与实际工况相符合的。模板不偏移的时候，加载在模板上的面载荷直接通过丝杆传到门架上，导致最大应力在门架上，而实际情况面载荷是通过围檩和筋板传到门架上的，因此当建模过程中模板不偏移，会对计算的工作人员产生误导，不能正确加强薄弱部位。

（2）模板不偏移时整体最大变形量为6.16mm，发生在模板处；模板偏移时整体最大变形量为6.24mm，也发生在模板处。两者也有区别。

4 结论

本文以ANSYS建模中的线、面和自定义截面为研究对象，分析了点、线、面和自定义截面之间的关系，并通过实例作了简要的介绍。得到了以下主要结论：

（1）ANSYS建模中，点的连接先后顺序对线条的方向性有关；由线生成面的过程中，所选首条线的方向对面的方向起决定性作用。

（2）通过对一些实例的分析，得出面的方向性可由左右手法则来判断。

（3）由线条赋截面后模型的变化，得出单元截面偏移建模规则。

（4）运用相應方法在APDL语言下完成白鹤滩水电站导流隧洞钢模台车的建模分析，并对模板不偏移和偏移之后的计算结果进行比较，验证了上述方法的正确性。

参考文献：

[1]张朝辉，丁诚，吴鸣飞等.ANSYS12.0结构分析工程应用实例解析[M].第3版.机械工业出版社，2010（01）：37-43.

[2]王磊，李珊，周陶勇.基于ANSYS的几种建模方法的探讨[J].现代机械，2006（03）：51-52.

[3]林小夏，张树有，陈婧，薛杨.产品仿真分析中曲面不均匀分布载荷施加方法[J].机械工程学报，2010（01）：122-127.

[4]叶尚辉.建立有限元模型的一般方法[J].电子机械工程，1999（06）：17-21.