浅谈ANSYS在大型工程中的应用技巧与心得

　　摘要：本文总结了ANSYS通用有限元软件在大型工程建模中的应用技巧与经验，包括单元的选用、选择命令与编组的技巧、各种命令流的使用以及需要注意的问题。
　　关键词：ANSYS，建模，单元，APDL命令流
　　1．合理选择单元
　　要正确模拟工程结构的真实情况，得到较为精确的结果，那么选用合适的单元类型是ANSYS建模的首要步骤。ANSYS提供的单元类型有很多，就土木工程（Structure）方面应用的主要有这么几种：
　　（1）mass单元：集中质量单元，可以进行集中质量点的模拟。在做简化动力计算时常常用到，例如在做网壳的动力分析时，需要将网壳的质量等效到各个节点上时常常采用这个单元。
　　（2）link单元，常用于模拟轴向受力构件，如桁架、链杆、弹簧、钢筋、缆索等等，这种单元是铰接结构，故不能承受弯矩作用。这种单元有个很好的优点，可以模拟只受压或只受拉的构件，例如悬索、弹性地基等。
　　（3）beam单元，在钢结构分析中最常用的单元，具有拉，压，弯性能。ANSYS提供了不同类型的beam单元，这时就需要针对不同的情况进行选择，例如只需考虑二维问题的时候就可以用beam3单元，当考虑薄壁梁的时候就可以采用beam24单元，而beam188、beam189单元则基于timoshenko梁理论，包括剪应变，适用于分析短粗梁结构。
　　（4）plane单元，当考虑二维平面问题的时候，如建立不考虑厚度方向应力的薄钢板、薄橡胶板、厚度方向不能压缩的弹性材料、地铁隧道建模中只需考虑二维问题的土体等情况下都可以采用plane单元。
　　（5）solid单元，当需要考虑三维问题的时候，可以采用这种实体单元。同样也需要根据不同的情况选择不同的solid单元。如模拟钢筋混凝土上常用的、solid65三维实体单元，这种单元可以模拟钢筋，可以模拟混凝土的压碎与开裂，而solid46单元可以用来模拟分层壳或实体，solid64用于模拟各向异性的材料。而用于模拟钢材常用的有solid45和它的高次形式solid95。
　　（6）shell单元，用于模拟曲面的壳体结构。有用于模拟薄膜壳的shell41，用于模拟中厚度壳的shell43，模拟shell51的轴对称壳，还有用于模拟多层壳的shell99等。本文模型中用的shell63壳体单元来模拟各层的混凝土板，shell63是弹性壳，具有弯矩和薄膜特性，可承受与平面同方向及法线方向的荷载有应力强化和大变形能力，这是最常用的壳体单元。
　　（7）combine单元，可用于模拟一维、二维或三维空间在纵向或扭转的弹性或阻尼。当考虑为纵向弹簧或阻尼时，该元素受单轴向拉压。
　　此外，ANSYS还提供了contact接触单元，pipe二、三维管单元等等，这里就不再细述。这里要注意的是，选择单元的时候要注意几个原则：
　　（1）尽量选择最能准确模拟实际结构的单元。
　　（2）在满足原则一的前提下尽量低级别的单元，减小计算量，而且计算精度会较高。
　　（3）在大规模建模中，在单元精度相差不多的情况下尽量选择建模方便、节点数量少的单元，可以使建模更高效，并减小计算量。
　　2．巧用各种选择方式以及编组技巧
　　在大型工程ANSYS分析中，经常需要对局部进行必要的操作，如需要对某一层的线进行划分网格，或是提取某一种截面的构件提取数据。ANSYS提供了许多选择的方式。
　　2.1对几何元素的选择。
　　几何元素就是点、线、面、体，那么ANSYS中常用的选择这些几何元素的方式有：①通过点鼠标选择，包括了点选、矩形窗口选择、多边形选择、圆周选择等；②通过位置选择，可能根据几何元素的坐标范围进行选择，这个坐标可以是笛卡尔坐标系、柱坐标系、球坐标系，还可以是用户自己设定的局部坐标系；③根据相互关系选择，例如可以选择连接在已选择点上的线，选择连接在已选择线上的面等；④根据几何元素上的性质来选择，例如选择某一种单元类型的体，某一种材料类型的面或是某一种截面类型的线等。
　　2.2对单元、节点的选择
　　那么对单元、节点的选择常用的方法是：①先选择几何元素，再选择属于已选择的几何元素上的单元、节点；②通过单元性质来选择，同样包括单元类型、材料类型、实常数、截面类型等进行选择；③通过相互关系来选择，例如选择已选择单元上的节点，连接在已选择节点上的单元等。
　　2.3对编组的选择及对编组的技巧
　　ANSYS中还提供了编组的命令，这个命令就像CAD中的块命令一样，使用者可以根据自己的要求对同一类实体进行编组，需要时再选择相应的组。下面谈一些高层建筑的ANSYS建模中的编组的技巧。
　　（1）构件按照同层进行编组。很多设计软件都有层的概念，如etabs、PKPM等，但ANSYS只有坐标的概念而没有层，那么就可以人为的将同一层的各构件编入同一组，组名可以按层数进行，如floor01代表第一层，以此类推。
　　（2）同层构件再按照构件类型进行编组，如同一层中的柱，主梁，次梁，支撑等，组名可以结合层数与类型，如floor01_coloum代表同一层的柱子，而构件的截面的编号也可以这样，如第一层构件的截面就可以将所有的编号以1开头，如115就代表第一层的15号截面，第二层就以2开头，以此类推，这样便于检查和后处理中结果的输出。
　　（3）同层构件按不同的荷载进行编组。荷载有楼面的恒载与活载，还有梁上的恒载与活载，还有楼梯间的荷载。各个荷载根据建筑功能的需要而分布不均匀，这样，可以将同一个荷载值下的楼板，梁进行编组。组名可以结合层数与荷载值，如可以把第5层加恒载6000N/m2的楼面编组名设为fl05_dl6000，以此类推。同时ANSYS还提供了通过APDL命令流的方式进行操作，这样，就可以将各种荷载和组名写成命令流的方式，这样在写加载命令流的时候就不容易出错，也便于核查，和不同工况下的荷载组合。
　　通过这样的编组方式，就可以将建模、加载和后处理变得更加高效，更有可操作性。
　　在运用这么多种选择方式时还要注意ANSYS中按照选择集分类的四个选择方式，从全部集合体中选择、从当前集合体中选择、在当前选择集中添加新的选择、从当前选择集中去除某选择。
　　3．其他注意的问题
　　3.1在建模型时，按照统一的方向来建模型，这样后续的处理才会更加方便。
　　在ANSYS中，所用的线、面都是有方向（法向）的，而在划分网格时，线面的方向将会直接影响到单元的方向（法向）。例如，对beam单元划分网格的时候，单元的方向（i-j）是由单元所在的线的方向来控制的，又例如shell单元的法向同样是由其所在面的法向来决定的。这样，在整体建模中，可以将所有的线按照同一方向来控制，例如建模中，可以将所有的环向的线按照逆时针方向建立，所有径向的线按照从内到外来建立，所有竖向的线按照从下向上建立，所有的面按照其所组成的线的逆时针方向来建立。那么所有的线面都遵循同一个方向，这样在后续的处理中，例如设定某些梁的i节点为铰接，或是对某个面进行加载时，可以沿着其法线方向进行等等，就不会混乱，而变得更加方便。
　　3.2处理好同层各梁截面的偏心，使建模更与实际相符
　　在ANSYS中，梁单元默认的对齐方式是将其所在的线做为自己的轴心线来处理。这样就有这样的问题，所有同层的线都在同一个平面上，而各梁的截面的大小不一，那么各梁就只以其中心线对齐，而实际的情况则是所有的梁顶对齐。这样就需要对同层的各个梁做偏心处理，主要的做法是取这层的主框架梁为基准，调整其它所有梁与之顶面平齐，各梁偏心的距离就是其梁高度的一半，这样的建模更加与实际相符合。对比偏心处理前与偏心处理后的计算结果，相差在10%左右。所以还是很有必要进行这样的处理的。
　　               
　　                图5.3偏心处理前（中心线对齐）                                          图5.4偏心处理后（顶面对齐）
　　4．总结
　　本文总结了ANSYS通用有限元软件在大型工程建模中的应用技巧与心得，包括单元的选用、选择命令与编组的技巧、各种命令流的使用以及详细介绍了线面的方向，梁偏心对齐等需要注意的问题。
　　
　　参考文献：
　　[1]郝文化等,ANSYS土木工程应用实例[M].中国水利水电出版社,2005.
　　[2]龚曙光,谢桂兰,ANSYS操作命令与参数化编程[M].机械工业出版社,2004.