基于ANSYSWorkbench的玻璃面板结构分析

基于ANSYSWorkbench的玻璃面板承载力分析【摘要】本文采用ANSYSWorkbench有限元分析软件对玻璃面板的结构承载力进行了数值模拟，分别采用SHELL和SOLID等单元对给定模型进行计算，并将模拟结果和实际检测数据进行了对比分析。本文还对适合玻璃承载力分析的几种常用单元进行了讨论。关键字：有限元玻璃承载力1前言玻璃面板结构承载力设计玻璃面板是建筑幕墙的主要结构构件，一方面起到围护结构的作用，另一方面承担传递风荷载和其它荷载的作用。近年来频繁反生玻璃坠落伤人事故，因此对其进行可靠的数值模拟计算至关重要。我国现行规范［4］对玻璃的计算提出了数值计算方法，并通过折减系数修正小挠度理论与实际工程的偏差。但弯曲应力和挠度采用相同的折减系数与客观实际存在误差，因此对于较大工程或重要工程需采用更为精确的方法进行计算，本文以四边简支矩形板为例，探讨ANSYS有限元方法对玻璃承载力的数值模拟技术。关于任意三角形等异形玻璃面板的承载力计算，可参照文献［1,5］进行。ANSYS软件进行有限元分析的方法计算机辅助工程技术（CAE）已经得到越来越广泛的使用，CAE的技术种类有很多，其中包括有限元法（FEM）、边界元法（BEM）和有限差分法（FDM）等。每一种方法各有其应用的领域，而其中有限元法应用的领域越来越广，现已应用于结构静力学、结构动力学、热力学、流体力学、电路学、电磁学等领域。目前常用的分析软件有ANSYS、SAP2000、ETABS、STAAD、MIDAS和MIDAS等，国产软件主要有PKPM、3D3S和MTS等。在ANSYS的高版本中，提供多种建模分析手段，比较常用的方法有：GUI可视化方法、APDL语言方法和通过Workbench的DesignModeler建模分析方法。GUI可视化分析方法比较传统,有很多资料可供参考⑵，对有限元分析的控制比较细致，但学起来比较复杂，可视化效果也不够理想。APDL语言分析方法是由类似于FORTRAN77的程序设计语言部分和1000多条ANSYS命令组成。具有参数、数组表达式、函数、流程控制（循环与分支）、重复执行命令、缩写、宏及用户程序等。通过APDL命令流将ANSYS命令组织起来，编写出参数化的用户程序，进行参数化建模，并能实现有限元分析的全过程。该方法很复杂，但能够对有限元分析各个环节的细节进行控制，是具有专业水准的分析方法。ANSYSWorkbench及其组成模块分析方法是近些年发展起来的可视化有限元分析技术，能够用来解决复杂的实际工程问题。它的主界面引入了工程流程图的概念，通过各个分析系统间的连接，将数值模拟过程结合在一起，每个相对独立分析系统的数值模拟过程一般是采用简化假定或者真实的物理模型，将CAD模型构造成有限元网格模型，再通过施加载荷和边界条件后运行求解得到分析结果，分析系统之间通过共同变量建立关联。ANSYSWorkbench分析方法的特点（1）AnsysWorkbench是一个CAE开发平台。是一种全新的人性化界面操作系统，建模与网格划分比经典方法方便，比较适合工程设计人员，而经典分析方法更适合专业FEA人员。Workbench中网格划分只能是自由划分，不宜对其细节进行控制。计算结果有小的差别，Workbench和经典默认的算法有所不同，Workbench默认的PCG算法,而经典分析方法是消元法。Workbench包括CAE建模工具DesignModeler，静力分析工具Mechanical，优化工具DesignXplorer等，且能够方便的切换到经典环境。玻璃幕墙结构分析用单元在建筑幕墙行业，分析面板承载力时一般选择Shel1单元或Solid单元，分析杆件和索结构时采用Link单元，但在Ansys的高版本中，对这些单元不再支持⑵，应采用代用单元。表1列出与幕墙分析相关的单元代用方法。表1结构静力分析常用单元代用表不再支持的单兀推荐代用的单元适用分析类型Shell单元Shell41Shell181玻璃、金属、陶瓷等面板Shell43Shell63Shell91Shell281多层壳Shell93Shell99Beam单兀Beam3、Beam4Beam188空间2节点梁Beam23Beam54Link单元Link8Link180分析索杆结构Link102玻璃面板结构建模ANSYSWorkbench有限元分析的一般过程23]ANSYSWorkbench通常被称为“傻瓜”版有限元分析系统，能够容易地解决不同分析类型的工程问题，比如静力分析、动力分析、自由振动等。其主要流程：选择工程问题的分析类型，将分析系统加入工程流程图。定义材料属性。可利用提供的工程材料库导入，也可以自定义材料属性，比如玻璃的属性。采用DesignModeler建立几何模型或CAD接口导入几何模型。目前Ansys支持的CAD系统有Catia、ProE、Solidwork、UG、SolidEdge和AutoCAD等。在进行有限元分析时，可以把符合要求的CAD模型直接导入ANSYS进行分析。施加载荷、边界条件，设置结果处理要求。求解并出具限元数值模拟分析报告。玻璃面板建模数据玻璃尺寸2000x1000x6mm,泊松比0.2,弹性模量7.2E10Pa,风荷载分别为：0.5,1.0，1.5,2.0,2.5,3.0,3.5,4.0,4.5,5.0kPa。计算方法采用小挠度理论和大挠度理论分别进行分析。分析云图见图1和图2。

图1位移分析云图图2应力分析PATH显示3计算结果及ANSYS不同单元的比较本文采用ANSYSWorkbenchV14.0对玻璃面板进行建模，分别采用Shell63、Shell181和Solid186单元进行模拟计算，并考虑了非线性的影响，试验及计算结果见表2和表3。不难看出：（1）考虑几何非线性的计算结果与试验值比较接近，能够比较准确地反应客观实际。（2）线性解随荷载的进一步加大，与试验值的偏差也逐步加大。（3）三类单元Shell63、Shell181和Solid186的结果相差不大，均能满足工程设计要求，因此可以采用系统默认单元设置进行有限元分析。表2玻璃中心点弯曲应力（MPa）荷载（kPa）0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0试验值9.619.025.029.833.836.639.241.443.845.4586845475SHELL638.316.625.033.341.649.958.366.674.983.23702470369SHELL638.114.920.625.329.332.835.838.540.943.2非0226847675SHELL188.316.624.933.341.649.958.366.674.983.313692581481SHELL188.114.920.625.329.332.835.838.541.043.11非0226959807SOLID188.216.424.732.941.249.457.665.974.182.464837159382SOLID188.015.020.825.729.933.536.839.742.344.76非3342160045表3玻璃中心点最大位移（mm）荷载（kPa）0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0试验值4.17.710.713.015.016.718.319.620.922.09928934449SHELL633.77.511.215.018.722.526.230.033.737.55050505050SHELL633.76.99.6712.014.115.917.519.120.521.9非003039013SHELL183.77.511.215.018.822.526.230.033.737.5