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ANSYS 入门教程 (4) - 结构分析与结构建模，概述 1.4 ANSYS 结构分析与结构建模 有限元分析是对真实物理系统的数值近似。其物理解释为以一组离散的单元集合体近似 代替原连续结构，通过各单元分析获得单元组合体结构的特性，在给定的荷载与边界条件 下，求得单元组合体各节点的位移，进而求得各单元应力等。 采用何种单元集合体来近似代替真实的求解问题呢？即在实际工程结构仿真分析中，采 用何种单元模拟实际结构呢？在模拟实际结构中要考虑哪些细节呢？本节就这些问题进行 阐述和讨论。 1.4.1 结构分类及仿真单元 在结构分析中，“结构”一般指结构分析的力学模型。 按几何特征和单元种类，结构可分为杆系结构、板壳结构和实体结构。 a. 杆系结构： 杆件的特征是一个方向的尺度远大于其它两个方向的尺度，例如长度远大于截面高度和 宽度的梁。 单元类型有杆、梁和管单元 （一般称为线单元）。 b. 板壳结构： 是一个方向的尺度远小于其它两个方向尺度的结构，如平板结构和壳结构。单元为壳单 元实体结构：则是指三个方向的尺度约为同量级的结构，例如挡土墙、堤坝、基础等。单 元为 3D 实体单元和 2D 实体单元。 c. 杆系结构： ① 当构件 15L/h≥4 时，采用考虑剪切变形的梁单元。 ② 当构件 L/h≥15 时, 采用不考虑剪切变形的梁单元。 ③ BEAM18X 系列可不必考虑上述限制，但在使用时必须达到一定程度的网格密度。 对于薄壁杆件结构，由于剪切变形影响很大，所以必须考虑剪切变形的影响。 d. 板壳结构： ① 当 L/h5～8 时为厚板，应采用实体单元。 ② 当 5～8L/h80～100 时为薄板，选 2D 体元或壳元 ③ 当 L/h80～100 时,采用薄膜单元。 对于壳类结构，一般 R/h≥20 为薄壳结构，可选择薄壳单元，否则选择中厚壳单元。 对于既非梁亦非板壳结构，可选择 3D 实体单元。 1.4.2 平面模型和空间模型 原则：根据不同的设计阶段而采用不同的计算模型，以便取得较高的计算效率。 在方案设计过程中，一般可采用平面模型进行结构的计算分析。此阶段主要研究结构总 体的力学行为，如结构设计参数等，以便得到理想的结构布置，而对结构内力和变形精度 要求不高。 在技术设计过程中，一般宜采用空间模型进行结构的计算分析。此阶段对结构的各种荷 载效应要求有较高的精度和可靠性，以便对各个构件进行设计。过去采用简化 方法计算， 如荷载横向分布系数或偏载系数等。现在则可以直接建立空间力学模型进行各种效应分 析。而除此之外，许多结构按平面模型分析存在许多困难，如城市 中的宽桥、斜交桥、弯 梁桥及异形桥等，单拱面的拱桥或单索面的斜拉桥等。 1.4.3 模型深度与单元选择 建立何种“深度” 的模型才能较好的模拟工程实际，是模型规划要解决的问题。采用何种 单元模拟结构或构件，是保证计算结果合理的前提，甚至是计算结果正确与否的关键。 (1) 选择单元类型的原则 ★ 力学行为原则 杆系结构、板壳结构和实体结构划分，分别采用与之力学行为相符的线单元、板壳单元 和实体单元。 ★ 单元维数原则 在保证一定精度的前提下，采用的单元维数越低越好。因此，建议优先选择梁杆单元， 其次是板壳单元，最后是实体单元。 ★ 单元阶数原则 在保证计算精度的情况下，优先选择低阶单元，但一般而言，高阶单元具有较好的计算 结果。当没有足够的经验时，建议采用高阶单元以获得较好的计算结果。 ★ 建模方便原则 当确定了单元类型后，应选择该类单元建模方便者。例如对于梁单元，采用 BEAM4 、 BEAM188/189 均可行时，应该选择 BEAM188/189 单元。 (2) 模型深度 ★ 杆系级：主要采用杆单元和梁单元建立模型，以便获得结构总体的力学行为。平面模 型的计算结果可用于方案设计，空间模型的计算结果可用于技术设计。 ★ 板壳级：主要采用板壳单元或与杆梁单元结合建立模型，以便获得结构构件的力学行 为。例如桥梁的主梁或主拱、主墩等可采用板壳单元模拟，其它构件可采用杆梁单元模 拟