surf154单元的应用.docVIP

Ansys是一个大型通用的有限元软件，集结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元软件，在实际结构计算中有很多的用途，可以进行静力、屈曲、反应谱和时程分析。尤其是Ansys可以进行方便的二次开发，这使的我们结构设计工作者可以将其用于结构设计。但是要正确的使用Ansys需要一定的有限元知识，否则计算的结果可能就会出现错误。。 在进行Ansys分析的时候，为了能够方便地在结构上施加如风荷载等均布荷载，在结构上加了面，考虑用shell63来划分。由于shell63单元结点有6个自由度，能够传递力（force）和弯矩（moment），为了使得面的刚度对结构计算结果的影响达到最小，一般的做法是把面的材料的弹性模量调到一个很小的值,但是这样处理的计算结果到底是不是正确的呢？我们通过两个例子来说明。 我们取十分简单的模型来讨论这个问题，模型如下图，我们取一个10X10m大小的、由四根钢梁围成的结构，为了能方面的施加2KN/m2均布荷载,我们建模的时候加上了面，约束情况是四个角点施加固定约束。单元划分情况如下图，梁单元用beam188，面单元用shell63,梁截面是0.2X0.3m，我们按下列两种情况:（1）板的弹性模量取2e7Pa (2) 板的弹性模量取为2e4Pa。比较计算结果我们发现：四根梁都出现了扭矩，扭矩分布情况是中间小，两端大，而且（2）情况比（1）情况的扭矩要大,也就是说，面单元shell63传递给梁的并不只是力（force）而且还有弯矩（moment）,而且（2）情况传递的弯矩要比（1）要大，为什么会出现这样的情况呢？ 我们知道，有限元的基本过程就是把对象细分成一个很小的单元，然后通过形成刚度矩阵和结点荷载矩阵求解。我们来考虑一个简单的单元： 我们知道单元的结点荷载矩阵是{FXi,FYi,FZi,MXi,MYi,Mzi, FXj,FYj,FZj,MXj,MYj,MZj,FXm,FYm,FZm,MXm,MYm,MZm,FXp,FYp,FZp,MXp,Myp，MZp}.如果是一个单元的话，就可以直接求解方程组：= 对于一个形状大小和材料确定的单元来说，其刚度矩阵是确定的。而且与材料有关，材料的弹性模量越大 ，单元发生单位位移的时候，产生的结点力就越大，即单元的刚度越大。考虑上述例子，面单元和梁单元要发生协调的变形，面单元上的面荷载产生的结点荷载矩阵是确定的，即在一个结点处梁单元和shell63单元所受的力和弯矩之和是确定的。我们知道，当面单元的刚度越小时，在结点处分担的弯矩就越小，也就是说梁单元所受的弯矩就越大。因此在结构结点处，对于梁单元来说，所受的不只是面单元上的均布荷载产生的力（force），而且还有面单元所传递的弯矩或者扭矩，而且所受的弯矩或者扭矩随面材料的弹性模量减小而增大。 在ansys中，我们调整面弹性模量的本来目的就是减小面单元的刚度对结构计算结果的影响，但是引起了面单元导荷载上的错误。我们是想让结构只传递力（force）而不传递弯矩（moment），因此计算结果还是不正确的，甚至比不调整面单元的刚度的计算结果误差还要大。在计算某体育馆的初始阶段，就是用shell63单元，想当然的就认为应该对shell63单元的刚度进行调整，减小其弹性模量，可是其计算结是不能让人满意的，到后来才发现原来是结构的面单元的导荷机理是错误的。如何才能找到合适的荷载传递方式呢？ 既然我们加面单元的目的是可以方便地施加荷载，并且让它能够按照合适的导载方式分配荷载，那么我们就要寻找一种能够达到我们加载目的单元。 在ansys中有一种surf154单元，它提供了一种与shell63单元完全不同的导荷方式。尤其是在ansys中计算钢结构时，它是一种非常好的单元。因为它传递力而不是传递弯矩，这就给我们计算大型结构时解决加载问题提供了好的方法。同时surf154还有很多优点: （1） 我们可以对surf154单元上的面荷载任意地指定方向。 在ansys中一般shell单元上施加面荷载的方向都是和面垂直的，但是在实际工程中有许多荷载的方向并不是与面垂直的，而用surf154单元则可以解决这个问题。在对surf154加载的时候，我们可以把load case设置为5，这时就可以设置面荷载的方向向量。 （2） 我们还可以通过设置surf154单元的基本选项，对surf154上的面荷载指定受荷载的算法，比如，有一个面与水平面成450，面积是10m2上面的作用荷载是1kN/m2,如果我们指定是按投影面积计算的话，则作用于面上的合力就是，10xx1=5kN,当然也可以不指定，默认的计算方法合力就是10kN。而在其它有限元程序（比如sap2000）中，这一点是做不到的，它们总是以面的实际面积来计算荷载的合力。 在计算该体育馆的过程中，由于要模拟雪荷载，而雪