(一)單元選取
在實(shí)際工程中,由于節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造形式?jīng)Q定了節(jié)點(diǎn)往往處于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài),一般不可能處于薄膜應(yīng)力狀態(tài)或簡單的拉壓狀態(tài),所以在單元選擇時(shí)應(yīng)根據(jù)節(jié)點(diǎn)的形狀、與節(jié)點(diǎn)相連桿件的截面形式、壁厚的變化程度等采用殼單元或?qū)嶓w單元。通常,當(dāng)節(jié)點(diǎn)形式比較規(guī)則,而且與節(jié)點(diǎn)連接的桿件壁厚為常數(shù)時(shí),可以采用殼單元。比如圓管或箱形截面桿件構(gòu)成的相貫節(jié)點(diǎn);如果節(jié)點(diǎn)形式較為復(fù)雜,明顯成實(shí)體形式,或者,雖然節(jié)點(diǎn)形式比較簡單,但是構(gòu)成節(jié)點(diǎn)的部件為非等壁厚,這種情況下需要選擇實(shí)體單元進(jìn)行模擬。
在殼單元中,通常采用的有三角形殼單元和四邊形殼單元。四邊形殼單元通常應(yīng)用于節(jié)點(diǎn)拓?fù)漭^為規(guī)則的情況,在使用中受到一定的限制,因?yàn)閷?duì)于拓?fù)漭^為復(fù)雜的情況,如果采用四邊形單元可能需要較細(xì)的單元剖分。相對(duì)而言,三角形殼單元的適用性則較強(qiáng),可應(yīng)用于結(jié)構(gòu)拓?fù)漭^為復(fù)雜的情況。在很多情況下,根據(jù)需要可以采用四邊形為主三邊形為輔的方法進(jìn)行單元剖分。在實(shí)際使用中,根據(jù)所選擇的有限元軟件的不同,殼單元對(duì)建模的要求也有所不同。比如在ANSYS軟件中,采用殼單元進(jìn)行剖分的幾何必須是面(AREA),而不能是具有厚度的實(shí)體,然后在實(shí)常數(shù)里面再進(jìn)行定義殼單元的厚度,這樣才能真實(shí)的模擬所分析對(duì)象的幾何厚度特征。但是對(duì)于一些有限元軟件,比如ABAQUS、COSMOS等,它們除了提供常規(guī)的殼單元類型之外,還提供一種實(shí)體殼單元類型,這種實(shí)體殼單元的特點(diǎn)是可以應(yīng)用于實(shí)體面。即,利用實(shí)體建模方法建立的板、殼等幾何,可以采用殼單元進(jìn)行剖分,而且軟件可以自動(dòng)檢測殼單元的厚度。
對(duì)于三角形殼單元,在有限元軟件中常提供的有3節(jié)點(diǎn)和6節(jié)點(diǎn)兩種。而四邊形殼單元常提供的有4節(jié)點(diǎn)和8節(jié)點(diǎn)兩種。其中,3節(jié)點(diǎn)和4節(jié)點(diǎn)殼單元為線性單元,6節(jié)點(diǎn)和8節(jié)點(diǎn)為高階非線性單元,具有較高的精度。在使用中,可以根據(jù)問題的實(shí)際情況進(jìn)行軟件及單元類型的選擇。
圖3為幾個(gè)典型的殼單元剖分實(shí)例。圖4為某節(jié)點(diǎn)分析中采用的實(shí)體殼單元。
正如上文所述,在構(gòu)造較為復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)分析中,殼單元?jiǎng)t無法進(jìn)行合理的剖分與計(jì)算,必須采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬。實(shí)體單元的優(yōu)點(diǎn)是可適用于幾乎任意幾何拓?fù)涞哪P头治?,而且,隨著單元剖分的加密,分析精度相對(duì)較高。
與平面單元類似,實(shí)體單元也有兩種主要的形式,即四面體單元和六面體單元。根據(jù)積分點(diǎn)的不同,四面體單元分為4節(jié)點(diǎn)單元和10節(jié)點(diǎn)單元;六面體單元又為8節(jié)點(diǎn)單元和20節(jié)點(diǎn)單元。四面體單元擁有較好的適應(yīng)性,適合于任意幾何拓?fù)涞膶?shí)體模型;而六面體單元?jiǎng)t適合于幾何拓?fù)湎鄬?duì)較為規(guī)則的情況,而且,對(duì)于不同曲面相交等特殊的復(fù)雜情況,六面體可能是無法實(shí)現(xiàn)的。通常,對(duì)于較為復(fù)雜的實(shí)體分析一般采用六面體與四面體相結(jié)合的方法,在大部分區(qū)域采用六面體單元而局部過渡區(qū)域則采用四面體單元。
在使用中必須注意實(shí)體單元容易形成應(yīng)力集中現(xiàn)象,所以,在施加荷載和邊界約束的時(shí)候必須避免施加較大的節(jié)點(diǎn)力以及不當(dāng)?shù)倪吔鐥l件。另外,為了真實(shí)的模擬欲分析的受力特征,必須讓邊界和施加荷載的位置離分析目標(biāo)中心具有一定的距離,這是根據(jù)圣維南原理消除應(yīng)力集中的影響。
圖7是圖6中幾何模型采用實(shí)體單元剖分的情況;圖8-10是典型的必須采用實(shí)體單元進(jìn)行剖分的情況;
(二)單元剖分
確定了主單元類型后,接下來的問題就是單元剖分。在單元剖分的過程中,主要應(yīng)該注意三個(gè)問題,一是整體單元剖分密度的選擇;二是特殊部位的網(wǎng)格加密;三是過渡區(qū)的單元剖分。
(1)整體單元剖分密度的選擇。單元剖分密度的控制包括兩個(gè)層面,一是模型整體的單元剖分密度控制;二是局部單元剖分的密度控制。理論上,單元剖分的密度越大,有限元越接近無限元,相對(duì)分析精度越高。但是在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中單元剖分密度不可能無限的增加,事實(shí)上,隨著單元剖分密度的增加,分析模型的自由度成倍增加,相對(duì)應(yīng)的計(jì)算機(jī)內(nèi)存用量也是成倍增加,分析所需要的時(shí)間也是成倍增加。但是,如果單元剖分的密度太小,則可能導(dǎo)致分析精度太低,從而達(dá)不到工程誤差精度的要求。所以,往往要在分析精度與占用機(jī)時(shí)之間選取平衡點(diǎn)。事實(shí)上,當(dāng)單元剖分的密度達(dá)到一定程度后,分析精度已經(jīng)可以達(dá)到工程要求,再增加單元剖分密度,對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響可以忽略。因此,過分增加單元剖分的密度是沒有必要的。
對(duì)于提供單元剖分控制評(píng)估的有限元軟件,在進(jìn)行網(wǎng)格剖分時(shí),軟件會(huì)自動(dòng)提供一個(gè)建議的整體剖分控制參數(shù),但是按照此參數(shù)進(jìn)行網(wǎng)格剖分往往比期望的要稍粗,因此,可以按照比建議參數(shù)稍細(xì)的剖分控制進(jìn)行單元剖分。對(duì)于沒有提供建議剖分密度控制參數(shù)的有限元軟件,只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行單元剖分密度的選取,可以根據(jù)不同的網(wǎng)格密度試算幾次,前后計(jì)算結(jié)果的差別在分析控制誤差要求范圍內(nèi)即可認(rèn)為單元剖分密度合理。
(2)特殊部位的網(wǎng)格加密。多數(shù)情況下,按照整體單元剖分密度進(jìn)行單元剖分得到的結(jié)果并達(dá)不到我們的要求。因?yàn)榉治瞿P椭型鶗?huì)存在一些特殊區(qū)域需要加密網(wǎng)格進(jìn)行有效的過渡,而按照整體剖分密度得到的網(wǎng)格是過于粗糙的。需要網(wǎng)格加密的區(qū)域往往有以下幾種:
(a)邊界處。邊界是分析模型承受一切外荷載的部位,因此此處具有應(yīng)力大,受力復(fù)雜的特點(diǎn)。而且,往往邊界處的支座反力是分析目標(biāo)的重點(diǎn)之一。因此,在邊界處一定要進(jìn)行單元細(xì)分,從而實(shí)現(xiàn)較高的分析精度。邊界處的單元密度宜為整體密度的2-3倍以上。
(b)施加荷載處。施加荷載處是可能產(chǎn)生應(yīng)力集中的主要部位之一,而增加單元剖分密度可以有效的防止應(yīng)力集中。而且,如果單元過于粗糙,則有可能導(dǎo)致分析模型的傳力方式與真實(shí)情況不符。施加荷載處的單元密度宜為整體密度的2-3倍以上,有時(shí)候可能需要根據(jù)荷載形式的不同而定。
(c)曲面過渡區(qū)。曲面過渡區(qū)是很多分析模型中必須要細(xì)分的區(qū)域,因?yàn)榍孢^渡區(qū)往往是傳力路徑發(fā)生改變的部位,因此加密網(wǎng)格可以有效地真實(shí)模擬分析對(duì)象的傳力路徑和受力特征。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),曲面過渡區(qū)域的網(wǎng)格密度宜達(dá)到整體單元密度的3倍以上。
(d)圓管。圓管的壁較為光滑,受力對(duì)稱、均勻,因此,在進(jìn)行單元剖分時(shí)一定要注意環(huán)向單元數(shù)量,只有剖分的足夠細(xì)才能較為準(zhǔn)確的模擬出管件的圓形特征。隨著圓管直徑大小的不同,環(huán)向所需單元數(shù)量也不同,因此,可以根據(jù)剖分后圓弧的光滑程度,確定是否需要繼續(xù)增加單元剖分密度。
(e)沿板厚方向。對(duì)于構(gòu)成節(jié)點(diǎn)的板件,因?yàn)槠浜穸瘸叽巛^小,所以對(duì)于實(shí)體單元而言,整體單元剖分密度控制參數(shù)往往對(duì)其起不到控制作用,因此,需要操作者沿厚度方向重新定義單元剖分密度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),沿板的厚度方向至少需要2-3個(gè)單元層方能得到較好的分析結(jié)果。
(3)過渡區(qū)的單元剖分。所謂過渡區(qū)是指分析模型幾何的過渡區(qū)與內(nèi)力傳遞的過渡區(qū),往往是曲率變化較大處和構(gòu)件交接處。過渡區(qū)域的單元剖分需要注意兩個(gè)問題,一是單元密度的控制,前文已經(jīng)做了闡述,此處不再贅述;二是單元類型的過渡,這個(gè)問題主要存在于采用四邊形和六面體單元的模型中。對(duì)于大部分分析模型,總有存在曲率變化較大的區(qū)域,在大多數(shù)有限元軟件中這種區(qū)域無法使用四邊形或六面體單元進(jìn)行有效的剖分。因此,必須采用三角形或四面體單元進(jìn)行過渡,在大部分區(qū)域采用四邊形或六面體單元進(jìn)行剖分,而在某些特殊區(qū)域采用四角形或四面體單元進(jìn)行銜接。不過,近年來出現(xiàn)了一些專門進(jìn)行網(wǎng)格剖分的軟件,可以對(duì)幾乎任意形狀的幾何進(jìn)行六面體單元剖分,比如Truegrid就是典型的六面體網(wǎng)格剖分軟件。圖13是利用Truegrid得到的六面體網(wǎng)格。
在這些特殊區(qū)域除了網(wǎng)格加密外,加密的范圍也應(yīng)該控制在一定的范圍內(nèi),如果加密的范圍太小,可能體現(xiàn)不出網(wǎng)格加密對(duì)分析結(jié)果的影響。
有限元的單元剖分是一項(xiàng)值得深入研究的課題,對(duì)于一些復(fù)雜、高精度的問題,單元剖分的優(yōu)劣將直接影響到分析結(jié)果的精度和可信度。雖然建筑工程中遇到的問題不像機(jī)械、航空等領(lǐng)域的那樣復(fù)雜、精細(xì),但是高質(zhì)量的分析結(jié)果應(yīng)該是每個(gè)結(jié)構(gòu)工程師追求的目標(biāo)。
不過,對(duì)于模型不是很大,而構(gòu)造又極其復(fù)雜的情況,因?yàn)榫植烤W(wǎng)格控制不容易實(shí)現(xiàn),所以可以使用簡單的單元類型(三角形、四面體),而采用較細(xì)的整體網(wǎng)格控制參數(shù)進(jìn)行單元剖分,也能得到較為準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。
圖11-圖12是兩個(gè)節(jié)點(diǎn)分析中網(wǎng)格細(xì)分的工程實(shí)例。
在結(jié)構(gòu)分析中,邊界與荷載是影響模型真實(shí)性與分析結(jié)果精度最主要的兩個(gè)因素。在結(jié)構(gòu)整體分析中如此,節(jié)點(diǎn)等細(xì)部分析中亦是如此。不同的是,結(jié)構(gòu)整體分析中,邊界條件和荷載比較明確,容易確定,而在節(jié)點(diǎn)分析中,邊界條件需要從整體模型中的各種假定中推演出來,而荷載則包含作用在節(jié)點(diǎn)上的外荷載以及與其相連桿件的內(nèi)力分量。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)分析是針對(duì)某一特殊部件的細(xì)部分析,需要更真實(shí)的分析模型和更高的精度要求。因此,在節(jié)點(diǎn)分析中邊界與荷載的確定就更需要引起我們的注意。
節(jié)點(diǎn)分析中,邊界有兩種情況:(1)真實(shí)邊界。如果分析的是支座節(jié)點(diǎn),則分析模型中與基礎(chǔ)相連的邊界就是真實(shí)邊界。這時(shí),像整體分析中一樣,根據(jù)實(shí)際的約束情況,施加在作用面、點(diǎn)、線上即可。不過,在實(shí)體單元分析中,每個(gè)幾何面都被剖分成多個(gè)小單元體,所以構(gòu)造上的點(diǎn)可能包含了幾個(gè)甚至幾十個(gè)有限元的點(diǎn),因此,需要把構(gòu)造點(diǎn)上的所有有限元節(jié)點(diǎn)都施加相應(yīng)的約束。(2)相對(duì)邊界。有時(shí)候分析的節(jié)點(diǎn)并不靠近結(jié)構(gòu)的支承點(diǎn),因此,它周圍并不存在真實(shí)的邊界約束。但是有限單元法要求分析模型必須提供一定的邊界約束使其不可發(fā)生剛體位移,此時(shí)就必須根據(jù)與節(jié)點(diǎn)相連各構(gòu)件的構(gòu)造情況假定一個(gè)約束條件。比如可以把與節(jié)點(diǎn)相連的梁單元端部設(shè)置成剛性支承。在實(shí)際應(yīng)用中,往往把與節(jié)點(diǎn)相連的剛度較大的那些桿件端部設(shè)置成約束,或?qū)⒋我獦?gòu)件的端部設(shè)置成邊界。
因?yàn)楣?jié)點(diǎn)分析是細(xì)部分析,而且一般都是采用shell單元或solid單元,因此,為了得到可靠的分析結(jié)果,需要采用數(shù)目較大的單元剖分,這又導(dǎo)致了非??捎^的計(jì)算機(jī)用時(shí)。因此,在實(shí)際分析中往往選取的分析范圍較小。這樣導(dǎo)致了所設(shè)置的邊界與欲分析的區(qū)域非常接近,根據(jù)圣維南原理,邊界約束會(huì)影響到分析的精度。所以通常希望將邊界設(shè)置在遠(yuǎn)離分析區(qū)域,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),邊界與分析區(qū)域的距離大于2倍于節(jié)點(diǎn)構(gòu)造尺寸為宜。另外,分了分析節(jié)點(diǎn)區(qū)域的各個(gè)部位,可以調(diào)換邊界的位置。
與邊界條件一樣,節(jié)點(diǎn)上的荷載也存在兩種情況:(1)真實(shí)荷載。即作用在節(jié)點(diǎn)上的實(shí)際外荷載,比如玻璃幕墻對(duì)結(jié)構(gòu)的作用、設(shè)備懸吊荷載、自重荷載等。值得注意的是均布荷載需要轉(zhuǎn)換為節(jié)點(diǎn)力施加在相應(yīng)有限元的節(jié)點(diǎn)上。(2)是相對(duì)荷載,即與節(jié)點(diǎn)相連構(gòu)件的內(nèi)力。與節(jié)點(diǎn)相連的各構(gòu)件中,有些可能會(huì)被設(shè)置成約束,而有些則可能需要將其內(nèi)力模擬成外荷載施加在模型上。
同樣,被設(shè)置成內(nèi)力的構(gòu)件需要保留一定的長度以消除應(yīng)力集中對(duì)目標(biāo)區(qū)域的影響。有時(shí)候?yàn)榱讼┘油夂奢d部位的應(yīng)力集中對(duì)分析區(qū)域的影響,會(huì)在模型中人為地增加一塊“墊板”。
在目前市場上使用的諸多商業(yè)有限元軟件中,不同軟件提供不同的邊界和荷載施加方法。比如ANSYS、COSMOS等軟件可以把約束和荷載施加在幾何面、線上,而有些軟件則只能把約束和荷載施加在有限元的單元和節(jié)點(diǎn)上。
在實(shí)際應(yīng)用中,相對(duì)邊界與相對(duì)荷載的位置選取是相互聯(lián)系的,但總的選擇原則是方便荷載或約束的施加,在真實(shí)模擬節(jié)點(diǎn)受力特征的條件下使問題簡單化,利于分析的順利進(jìn)行。
對(duì)于一些構(gòu)造復(fù)雜、受力特殊的節(jié)點(diǎn),在分析中除了注意單元選取、剖分以及邊界、荷載的設(shè)置外,還必須注意以下幾個(gè)問題:
(1)節(jié)點(diǎn)分析時(shí)宜采用非線性彈塑性分析模型。雖然節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度一般控制在屈服階段之前,但非線性彈塑性分析模型可以較正確地描述出節(jié)點(diǎn)中的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,同時(shí)也可以分析出一旦材料屈服,節(jié)點(diǎn)區(qū)域的塑性發(fā)展以及極限承載力。
(2)通過有限元法分析,得到變形和應(yīng)力變化規(guī)律后,再次修正設(shè)計(jì),尤其是應(yīng)該避免應(yīng)力集中區(qū)域的出現(xiàn)。
(3)在某些節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造中,分析時(shí)宜考慮接觸,甚至摩擦的影響。圖14所示抗拉螺栓連接節(jié)點(diǎn)在分析時(shí)必須考慮兩塊連接板之間的接觸問題;圖15是抗剪螺栓連接節(jié)點(diǎn),在分析時(shí)不但需要考慮接觸問題,還必須考慮連接板之間、螺栓與連接板之間的摩擦。
(4)對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元細(xì)部分析后,應(yīng)該非常全面地了解所分析模型的假定條件和其適用范圍,以便與可能進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行印證。這里應(yīng)注意到,按照常規(guī)試驗(yàn)檢測的方法得到的應(yīng)力與有限元分析得到的應(yīng)力是有區(qū)別的,應(yīng)該進(jìn)行適當(dāng)?shù)膿Q算。譬如,在有限元分析中得到的一般是Von Mises應(yīng)力,而試驗(yàn)得到的往往是單向應(yīng)力或者雙向應(yīng)力。
利用有限單元法對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行三維建模分析,是目前較為有效的方法,但是邊界與荷載的設(shè)置、單元的選取及剖分等需要操作者具有一定的使用經(jīng)驗(yàn)。操作者需要根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)假定、有限單元法基本原理、分析任務(wù)的目的及特殊性、所采用軟件的特點(diǎn)以及自己的工程經(jīng)驗(yàn)等進(jìn)行綜合判斷,每一步驟都應(yīng)仔細(xì)、準(zhǔn)確的模擬節(jié)點(diǎn)實(shí)際受力特征。
目前,市場上可供選擇的商業(yè)有限元軟件有:ANSYS、ABAQUS、ADINA、ALGOR、COSMOS、NASTRAN、MARC、SAP2000、MIDAS等,其中ANSYS、ABAQUS、ADINA、ALGOR、COSMOS、NASTRAN、MARC屬于通用有限元軟件,可以進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)計(jì)算和細(xì)部實(shí)體分析,但是細(xì)部實(shí)體分析往往是其優(yōu)勢所在;而SAP2000、MIDAS則屬于專業(yè)結(jié)構(gòu)軟件,可以進(jìn)行一些節(jié)點(diǎn)分析,但是其優(yōu)勢在于整體結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)。因此,在進(jìn)行有限元軟件的選擇時(shí)應(yīng)根據(jù)其優(yōu)勢和功能,合理選擇,在一定程度上可以使問題得到簡化而方便分析的順利進(jìn)行。
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