楊智碩,陳明霞

(1.中南大學(xué)土木建筑學(xué)院,湖南長沙410075;2.莆田學(xué)院土木建筑學(xué)系,福建莆田351100)

隨著電子計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,應(yīng)用有限元等數(shù)值計算方法,使結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析工作得到很大的提高,幾乎對所有的計算問題均能求解。但是,運(yùn)用數(shù)值方法計算時,必須在建立正確數(shù)學(xué)模型的前提下,才能得出精確結(jié)果。能否真實的反映試驗構(gòu)件的邊界條件也是數(shù)值模擬成功與否的關(guān)鍵。如圖1所示,在做試驗的時,需要加載均布荷載或是需要放置加載梁,往往直接把加載梁放置試件的上面,或通過墊板把加載梁放在試件的上面。由于作用在試件上的加載梁剛度超過試件本身剛度或局部剛度情況下,如果在模擬仿真過程中,沒有考慮到加載梁的影響,直接把荷載直接加到試件上,顯然與實際的情況不符。計算出的結(jié)果肯定與實際的情況有偏差。針對這種情況,本文應(yīng)用ANSYS的APDL對加載梁進(jìn)行模擬仿真,對解決類似邊界問題具有較好的通用性。

圖1 加載裝置照片

1 ANSYS的二次開發(fā)技術(shù)[1-4]

ANSYS公司是由美國著名力學(xué)專家、美國匹茲堡大學(xué)力學(xué)系教授John Swanson博士于1970年創(chuàng)建發(fā)展起來的,總部位于美國賓西法尼亞州的匹茲堡,ANSYS軟件是該公司的主要產(chǎn)品。ANSYS軟件是集結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件,可廣泛地應(yīng)用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、生物醫(yī)學(xué)、輕工、水利、日用家電等一般工業(yè)及科學(xué)研究。

ANSYS不僅為用戶提供了通用的有限元分析的平臺,而且還為用戶的特殊需求提供友好的二次開發(fā)環(huán)境,使ANSYS的功能得以進(jìn)一步擴(kuò)展。ANSYS提供的二次開發(fā)工具有3個:即參數(shù)化設(shè)計語言APDL(ANSYS Parametric Design Language),用戶界面設(shè)計語言UIDL(User Interface Design Language)以及用戶可編程特性UPFs(User Programmable Features)。其中,前2個可歸類為標(biāo)準(zhǔn)使用特性,后一種為非標(biāo)準(zhǔn)使用特性。

參數(shù)化程序設(shè)計技術(shù)語言APDL(ANSYS Parametric Design Language)以更方便的方式進(jìn)行程序編輯,ANSYS參數(shù)化程序設(shè)計技術(shù)語言APDL是一種解釋性語言,可以用來自動完成一些通用性很強(qiáng)的任務(wù),也可以根據(jù)參數(shù)建立與修改模型。此外,APDL還包括其他許多特性,如重復(fù)某條命令宏、條件語句、DO循環(huán)以及標(biāo)量、矢量和矩陣運(yùn)算等。其中特別值得一提的是用APDL作為命令式語言創(chuàng)建宏給用戶帶來了極大的方便。

2 利用APDL對加載梁模擬以及具體步驟[5-6]

有限元建模中,加載梁與試件之間接觸關(guān)系用彈簧或桿件單元來模擬(本文用COMBIN14單元)。由于計算結(jié)果中接觸單元會出現(xiàn)受拉的桿件,與事實有矛盾。所以在建模計算需要剔除接觸單元中受拉的單元。具體做法有兩種:①是在APDL中編寫循環(huán)命令流。②把接觸單元的軸向應(yīng)力和單元號導(dǎo)出來,人為剔除(edele)受拉的單元。本文采用第二種方法。具體APDL的命令流和計算流程如圖2。

圖2 編程流程

3 二次開發(fā)的應(yīng)用算例

如圖3所標(biāo)示的尺寸,應(yīng)用APDL對其進(jìn)行模擬仿真。采用ANSYS11.0建模計算,模型的各構(gòu)件都用板殼元shell63單元模擬,模型采用的鋼材的彈性模量E=210 GPa,泊松比 μ=0.3。試件試驗時,試件兩端鉸支,蓋板中間垂直U肋方向放一根600 mm×200 mm×200 mm加載梁。加載到加載梁上的荷載為250 kN(面積為200 mm×200 mm)。

圖3 試件尺寸(單位:mm)

圖4 有限元模型

圖5 豎向位移

圖6 應(yīng)力云圖

圖4為有限元模型、圖5為豎向撓度圖、圖6為主拉應(yīng)力云圖。其中(a)是考慮加載梁影響,(b)是沒有考慮加載梁的影響。從上述幾個圖中可以得到:加載梁對試驗的結(jié)果影響很大,如果沒有考慮加載梁的影響,有限元建模計算不能得到合理的答案的,從而影響有限元模型計算結(jié)果的可靠性和真實性。同時文獻(xiàn)[7]的類似的試驗也證明了本文提出的有限元模型應(yīng)該考慮加載梁的影響以及所編寫的APDL程序的正確性和實用性。

4 結(jié) 語

在試驗中,往往出現(xiàn)加載梁的剛度大于或局部大于試件的剛度,為此,有限元建模應(yīng)該考慮加載梁對試件的影響。本文編寫相關(guān)APDL的命令流,并通過兩個算例(有考慮加載梁和沒有考慮加載梁)的比較,發(fā)現(xiàn)加載梁確實對試件有明顯的影響。同時,通過試驗證明了本文提出的有限元模型時應(yīng)該考慮加載梁的影響,也證明了所編寫的程序的正確性和實用性,對解決類似邊界問題具有較好的通用性。

[1] 博弈創(chuàng)作室.APDL參數(shù)化有限元分析技術(shù)及其應(yīng)用實例[M].北京:中國水利水電出版社,2004.

[2] 尚曉江,邱峰,趙海峰.ANSYS結(jié)構(gòu)有限元高級分析方法與范例應(yīng)用[M].北京:中國水利水電出版社,2006.

[3] 龔曙光,黃云清.有限元分析與ANSYS APDL編程及高級應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[4] 葛俊穎.基于ANSYS的橋梁結(jié)構(gòu)分析[M].北京:中國鐵道出版社,2007.

[5] 劉明.土木工程結(jié)構(gòu)試驗與檢測[M].北京:高等教育出版社,2008.

[6] 姚謙峰.土木工程結(jié)構(gòu)試驗[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.

[7] 張敏.南京大勝關(guān)長江大橋受力特性、計算方法、橋面疲勞和防腐問題研究[D].長沙:中南大學(xué),2010.