諸莉 尹麒麟

摘 要：針對(duì)有限元建模過(guò)程中通常會(huì)遇到同種型鋼偏移方向不同、同種單元面所受載荷方向不同等問(wèn)題，本文通過(guò)大量操作試驗(yàn)提出了點(diǎn)、線、面的相互間的耦合關(guān)系，總結(jié)出相應(yīng)的建模分析方法，并運(yùn)用相應(yīng)方法在APDL語(yǔ)言下完成白鶴灘水電站導(dǎo)流隧洞鋼模臺(tái)車(chē)的建模分析，使計(jì)算結(jié)果更加精確可靠。本文旨在為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建模的過(guò)程提供參考，為類(lèi)似工程提供有效借鑒。

關(guān)鍵詞：有限元建模；方向性；單元偏移；設(shè)計(jì)應(yīng)用；白鶴灘水電站

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

ANSYS經(jīng)典界面中，我們通常采用實(shí)體建模的方法來(lái)進(jìn)行建模，程序給我們提供了兩種建模思想：自底向上建模和自頂向下建模[1-2]。對(duì)于一般結(jié)構(gòu)研究中，通常采用自底向上建模方法。建模的過(guò)程中會(huì)總是會(huì)遇到同種型鋼方向偏移不同、面所受載荷不統(tǒng)一等問(wèn)題。因此本文對(duì)點(diǎn)、線、面和做出了形象系統(tǒng)性的分析，給出了相互之間的耦合關(guān)系，并以白鶴灘水電站導(dǎo)流隧洞鋼模臺(tái)車(chē)分析為例詮釋?zhuān)瑢?duì)于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工程實(shí)體建模等的借鑒意義尤為重要。

1 線面生成規(guī)律

1.1 線和面的方向性

幾何中線段是沒(méi)有方向的，線段AB和線段BA是一條同性質(zhì)的線條，ANSYS軟件中線段則是有方向的。如圖1.2所示，連接關(guān)鍵點(diǎn)3，4和連接關(guān)鍵點(diǎn)5，4，就會(huì)產(chǎn)生兩條長(zhǎng)度相同，方向相反的線型。同理建立的面也是有方向的，面的方向的選擇對(duì)于模型的完善和后期調(diào)整非常關(guān)鍵，當(dāng)面的方向不確定時(shí)，調(diào)整模型會(huì)出現(xiàn)面單元紊亂的情況如圖1.1所示。以笛卡爾坐標(biāo)系為例，將面定義為朝向坐標(biāo)正方向的一側(cè)為正面，負(fù)方向?yàn)樨?fù)面。

1.2 面方向性的確定

建點(diǎn)連線，再由線產(chǎn)生面，線的方向決定面的方向。為了能夠直觀的在經(jīng)典界面內(nèi)看到面的方向性，采取在面上加載面載荷[3]，根據(jù)載荷的方向來(lái)判斷面的方向性。由圖1.2可知，建立了沿線9-5-8，9-10-1，2-11-6-10，3-4-12-7-11所圍成的四個(gè)面，向面分別施加統(tǒng)一的正負(fù)面載荷后，所產(chǎn)生的的效果圖如1.3，1.4所示：

分析結(jié)果圖示可知，當(dāng)載荷為正值時(shí)如圖1.2，1.3，沿著初始線條的方向路徑為逆時(shí)針時(shí)，面的方向和載荷的方向相同，如線9-5-8所成面A1；沿著初始線條方向路徑為順時(shí)針時(shí)，面的方向和載荷的方向相反，如線9-10-1所成面A2。當(dāng)載荷為負(fù)值時(shí)，面則相反，如圖1.4。由于面的方向性規(guī)律與右手法則高度適用性，因此我們總結(jié)出面的方向規(guī)則：當(dāng)所施加載荷為正值時(shí)，右手四指指向初始線條的方向，向路徑閉合方向合攏，此時(shí)大拇指所指示方向?yàn)槊娴恼?；所施加載荷為負(fù)值時(shí)，左手四指指向初始線條的方向，向路徑閉合方向合攏，大拇指所指示方向?yàn)槊娴恼妫娴恼较蚣纯梢曌鳛榱Φ姆较颍?/p>

2 賦截面建模

2.1 常用截面參考點(diǎn)

在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中通常會(huì)用到槽鋼、角鋼、工字鋼、T型鋼等，在ANSYS經(jīng)典界面通過(guò)線賦截面[4]時(shí)，經(jīng)常遇到型鋼的布置方向不是我們需求的方向。這與截面的參考點(diǎn)有關(guān)，常用截面參考點(diǎn)分布總結(jié)如下表1所示：

2.2 線條賦截面分布方式

由1.1所述可知，線條在ANSYS中是有方向性的，同樣線的方向性也影響著型鋼的位置和移動(dòng)方向。如圖2.1所示為需要賦截面的線條及其方向。賦截面時(shí)L0參考點(diǎn)選擇點(diǎn)1；線條L1、L1不選擇參考點(diǎn)；線條L2、L2參考點(diǎn)選擇點(diǎn)0；線條L3、L3參考點(diǎn)分別選擇點(diǎn)1、2；線條L4、L4參考點(diǎn)分別選擇點(diǎn)3、4，賦截面得到如圖2.2所示的型鋼立體分布圖、截面分布圖和型鋼移動(dòng)分布圖，比較參考點(diǎn)不相同的線條截面L1、L2、 L3、和L4、四組截面分布，可知位置存在明顯的差別；比較參考點(diǎn)相同的線條截面L1、L1、L2、L2、 L3、L3和L4、L4四組截面分布，觀察到?jīng)]有明顯的位置差別；當(dāng)將線條所附截面通過(guò)Beam Tool—offsetZ移動(dòng)相同距離時(shí)，截面分布發(fā)生了不同的變化方式2.2中移動(dòng)分布圖所示。由圖2可知，ANSYS建模過(guò)程中所賦截面的分布與線的方向和參考點(diǎn)的選擇有關(guān)。

2.3 截面偏移建模規(guī)律

ANSYS建模完成后需要將型鋼和筋板進(jìn)行偏移，使其處在最佳的受力狀態(tài)。ANSYS提供了Beam Tool中offset to的偏移模塊。單元的偏移有相對(duì)于質(zhì)心（centroid）、剪切中心（shear cen）、圓心（origin）、指定點(diǎn)（location）四種設(shè)置方式。只有選擇指定點(diǎn)（location）選項(xiàng)時(shí)，offset-Y和offset-Z才有效，用來(lái)指定節(jié)點(diǎn)偏移圓心值。

通過(guò)2.2所述方法總結(jié)出了單元偏移規(guī)則（以槽鋼為例）如下表2。當(dāng)所建模型所選參考點(diǎn)選擇與上述相反，單元偏移數(shù)值不變時(shí)，模型移動(dòng)方向與上述相反，如表3。

注：+號(hào)代表坐標(biāo)正方向，—代表坐標(biāo)負(fù)方向

上述總結(jié)是在所賦截面直線平行于Z軸時(shí)所得?，F(xiàn)得出普遍適用規(guī)則如下：（1）當(dāng)直線與某個(gè)坐標(biāo)軸所成夾角最小時(shí)，那么此坐標(biāo)軸方向不會(huì)發(fā)生單元移動(dòng)；（2）當(dāng)所賦截面直線與Z軸夾角最小時(shí)，模型移動(dòng)方向如上表格所述；當(dāng)所賦截面直線于X軸夾角最小時(shí)，用上述表2、表3模型移動(dòng)方向X換成Z方向；當(dāng)所賦截面直線于Y軸夾角最小時(shí)，用上述表2、表3模型移動(dòng)方向Y換成Z方向。

3 工程算例

3.1 工程簡(jiǎn)介

白鶴灘水電站位于四川省寧南縣和云南省巧家縣境內(nèi)，是金沙江下游干流河段梯級(jí)開(kāi)發(fā)的第二個(gè)梯級(jí)電站。白鶴灘水電站具有5條導(dǎo)流隧洞，均采用安全性和效率較高的鋼模臺(tái)車(chē)來(lái)進(jìn)行混泥土澆筑，因此需要對(duì)鋼模臺(tái)車(chē)進(jìn)行建模校核，得到較精準(zhǔn)的應(yīng)力以及應(yīng)變?cè)茍D，在以安全施工的前提下又能節(jié)約型材，減少成本，此時(shí)精準(zhǔn)建模和施加約束與載荷就尤為重要。鋼模臺(tái)車(chē)結(jié)構(gòu)形式如圖3.1所示。

3.2 有限元建模

利用有限元軟件ANSYS，依據(jù)設(shè)計(jì)要求定義三種單元類(lèi)型，采用殼單元SHELL 181對(duì)鋼模臺(tái)車(chē)的模板進(jìn)行模擬，采用梁?jiǎn)卧狟EAM188對(duì)其中的門(mén)架、以及模板背面的筋板進(jìn)行模擬，采用桿單元LINK180對(duì)其中頂升絲桿進(jìn)行模擬[5-7]。建模過(guò)程中忽略節(jié)點(diǎn)板、連接法蘭等結(jié)構(gòu)，采用建點(diǎn)連線附截面的方法建立鋼模臺(tái)車(chē)的整體有限元模型，如圖3.2所示。

鋼模臺(tái)車(chē)整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜且尺寸較大，同時(shí)需要注意型材的擺放位置，當(dāng)型材位置發(fā)生偏差時(shí)，會(huì)對(duì)應(yīng)力以及應(yīng)變產(chǎn)生影響，因此在建模的時(shí)候采用了上述方法，注意線面以及型材的方向，當(dāng)模型建立后還需要對(duì)其中的型材進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠疲褂邢拊Ｐ捅M可能與實(shí)際模型相一致。以模型中的澆筑模板為例，當(dāng)不進(jìn)行偏移和進(jìn)行偏移時(shí)候的模型圖如圖3.3所示，會(huì)發(fā)現(xiàn)模板不偏移時(shí)候，模板會(huì)位于筋板與圍檁內(nèi)側(cè)，與實(shí)際情況不相符，會(huì)對(duì)鋼模整體應(yīng)力或者應(yīng)變產(chǎn)生較大影響[8-10]。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

在相同的約束與加載情況下，對(duì)模板偏移與不偏移的兩種工況進(jìn)行計(jì)算得到圖3.4的結(jié)果，分析如下。

（1）模板不偏移時(shí)候整體最大應(yīng)力為85.80MPa，發(fā)生在門(mén)架的中間立柱上；模板偏移時(shí)候，最大應(yīng)力為102.18 Mpa，發(fā)生在模板處。最大應(yīng)力發(fā)生在模板處是與實(shí)際工況相符合的。模板不偏移的時(shí)候，加載在模板上的面載荷直接通過(guò)絲桿傳到門(mén)架上，導(dǎo)致最大應(yīng)力在門(mén)架上，而實(shí)際情況面載荷是通過(guò)圍檁和筋板傳到門(mén)架上的，因此當(dāng)建模過(guò)程中模板不偏移，會(huì)對(duì)計(jì)算的工作人員產(chǎn)生誤導(dǎo)，不能正確加強(qiáng)薄弱部位。

（2）模板不偏移時(shí)整體最大變形量為6.16mm，發(fā)生在模板處；模板偏移時(shí)整體最大變形量為6.24mm，也發(fā)生在模板處。兩者也有區(qū)別。

4 結(jié)論

本文以ANSYS建模中的線、面和自定義截面為研究對(duì)象，分析了點(diǎn)、線、面和自定義截面之間的關(guān)系，并通過(guò)實(shí)例作了簡(jiǎn)要的介紹。得到了以下主要結(jié)論：

（1）ANSYS建模中，點(diǎn)的連接先后順序?qū)€條的方向性有關(guān)；由線生成面的過(guò)程中，所選首條線的方向?qū)γ娴姆较蚱饹Q定性作用。

（2）通過(guò)對(duì)一些實(shí)例的分析，得出面的方向性可由左右手法則來(lái)判斷。

（3）由線條賦截面后模型的變化，得出單元截面偏移建模規(guī)則。

（4）運(yùn)用相應(yīng)方法在APDL語(yǔ)言下完成白鶴灘水電站導(dǎo)流隧洞鋼模臺(tái)車(chē)的建模分析，并對(duì)模板不偏移和偏移之后的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了上述方法的正確性。

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作者簡(jiǎn)介：諸莉（1982-），女，湖北宜昌人，碩士研究生，主要從事思想政治教育。