玻璃面板有限元靜力仿真分析

　　1 前言
　　1.1 玻璃面板結(jié)構(gòu)承載力設計
　　玻璃面板是建筑幕墻的主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件，一方面起到圍護結(jié)構(gòu)的作用，另一方面承擔傳遞風荷載和其它荷載的作用。近年來頻繁反生玻璃墜落傷人事故，因此對其進行可靠的數(shù)值模擬計算至關重要。我國現(xiàn)行規(guī)范[4]對玻璃的計算提出了數(shù)值計算方法，并通過折減系數(shù)修正小撓度理論與實際工程的偏差。但彎曲應力和撓度采用相同的折減系數(shù)與客觀實際存在誤差，因此對于較大工程或重要工程需采用更為精確的方法進行計算，本文以四邊簡支矩形板為例，探討ANSYS有限元方法對玻璃承載力的數(shù)值模擬技術。

關于任意三角形等異形玻璃面板的承載力計算，可參照文獻[1,5]進行。

　　1.2 ANSYS軟件進行有限元分析的方法
　　計算機輔助工程技術（CAE）已經(jīng)得到越來越廣泛的使用，CAE的技術種類有很多，其中包括有限元法（FEM）、邊界元法（BEM）和有限差分法（FDM）等。每一種方法各有其應用的領域，而其中有限元法應用的領域越來越廣，現(xiàn)已應用于結(jié)構(gòu)靜力學、結(jié)構(gòu)動力學、熱力學、流體力學、電路學、電磁學等領域。目前常用的分析軟件有ANSYS、SAP2000、ETABS、STAAD、MIDAS和MIDAS等，國產(chǎn)軟件主要有PKPM、3D3S和MTS等。

　　在ANSYS的高版本中，提供多種建模分析手段，比較常用的方法有：GUI可視化方法、APDL語言方法和通過Workbench的DesignModeler建模分析方法。

　　GUI可視化分析方法比較傳統(tǒng)，有很多資料可供參考[2]，對有限元分析的控制比較細致，但學起來比較復雜，可視化效果也不夠理想。

　　APDL語言分析方法是由類似于FORTRAN 77 的程序設計語言部分和1000多條ANSYS命令組成。具有參數(shù)、數(shù)組表達式、函數(shù)、流程控制（循環(huán)與分支）、重復執(zhí)行命令、縮寫、宏及用戶程序等。通過APDL命令流將ANSYS 命令組織起來，編寫出參數(shù)化的用戶程序，進行參數(shù)化建模，并能實現(xiàn)有限元分析的全過程。該方法很復雜，但能夠?qū)τ邢拊�分析各個環(huán)節(jié)的細節(jié)進行控制，是具有專業(yè)水準的分析方法。

　　ANSYS Workbench及其組成模塊分析方法是近些年發(fā)展起來的可視化有限元分析技術，能夠用來解決復雜的實際工程問題。它的主界面引入了工程流程圖的概念，通過各個分析系統(tǒng)間的連接，將數(shù)值模擬過程結(jié)合在一起，每個相對獨立分析系統(tǒng)的數(shù)值模擬過程一般是采用簡化假定或者真實的物理模型，將CAD模型構(gòu)造成有限元網(wǎng)格模型，再通過施加載荷和邊界條件后運行求解得到分析結(jié)果，分析系統(tǒng)之間通過共同變量建立關聯(lián)。

　　1.3 ANSYS Workbench分析方法的特點
　　（1）Ansys Workbench 是一個CAE開發(fā)平臺。是一種全新的人性化界面操作系統(tǒng)，建模與網(wǎng)格劃分比經(jīng)典方法方便，比較適合工程設計人員，而經(jīng)典分析方法更適合專業(yè)FEA人員。

　�。�2）Workbench中網(wǎng)格劃分只能是自由劃分，不宜對其細節(jié)進行控制。

　�。�3）計算結(jié)果有小的差別，Workbench和經(jīng)典默認的算法有所不同，Workbench默認的PCG算法,而經(jīng)典分析方法是消元法。

　�。�4）Workbench包括CAE建模工具DesignModeler，靜力分析工具Mechanical，優(yōu)化工具DesignXplorer等，且能夠方便的切換到經(jīng)典環(huán)境。

　　1.4 玻璃幕墻結(jié)構(gòu)分析用單元
　　在建筑幕墻行業(yè)，分析面板承載力時一般選擇Shell單元或Solid單元，分析桿件和索結(jié)構(gòu)時采用Link單元，但在Ansys的高版本中，對這些單元不再支持[2]，應采用代用單元。表1列出與幕墻分析相關的單元代用方法。

　　不再支持的單元 推薦代用的單元 適用分析類型
　　Shell單元 Shell41
　　Shell181
　　玻璃、金屬、陶瓷等面板
　　Shell43
　　Shell63
　　Shell91 Shell281 多層殼
　　Shell93
　　Shell99
　　Beam單元 Beam3、Beam4 Beam188 空間2節(jié)點梁
　　Beam23
　　Beam54
　　Link單元 Link8 Link180 分析索桿結(jié)構(gòu)
　　Link10

　　2 玻璃面板結(jié)構(gòu)建模
　　2.1 ANSYS Workbench有限元分析的一般過程[2,3]
ANSYS Workbench通常被稱為“傻瓜”版有限元分析系統(tǒng)，能夠容易地解決不同分析類型的工程問題，比如靜力分析、動力分析、自由振動等。其主要流程：

　　（1）選擇工程問題的分析類型，將分析系統(tǒng)加入工程流程圖。

　�。�2）定義材料屬性�？衫�用提供的工程材料庫導入，也可以自定義材料屬性，比如玻璃的屬性。

　�。�3）采用DesignModeler建立幾何模型或CAD接口導入幾何模型。目前Ansys支持的CAD系統(tǒng)有Catia、ProE、Solidwork、UG、SolidEdge和AutoCAD等。在進行有限元分析時，可以把符合要求的CAD模型直接導入ANSYS 進行分析。

　�。�4）施加載荷、邊界條件，設置結(jié)果處理要求。

　　（5）求解并出具限元數(shù)值模擬分析報告。

　　2.2 玻璃面板建模數(shù)據(jù)
　　玻璃尺寸2000x1000x6mm，泊松比0.2，彈性模量7.2E10Pa，風荷載分別為：0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，4.5，5.0kPa。計算方法采用小撓度理論和大撓度理論分別進行分析。

　　3 計算結(jié)果及ANSYS不同單元的比較
　　本文采用ANSYS Workbench V14.0對玻璃面板進行建模，分別采用Shell63、Shell181和Solid186單元進行模擬計算，并考慮了非線性的影響，試驗及計算結(jié)果見表2和表3。不難看出：　　　　　�。�1）考慮幾何非線性的計算結(jié)果與試驗值比較接近，能夠比較準確地反應客觀實際。（2）線性解隨荷載的進一步加大，與試驗值的偏差也逐步加大。（3）三類單元Shell63、Shell181和Solid186的結(jié)果相差不大，均能滿足工程設計要求，因此可以采用系統(tǒng)默認單元設置進行有限元分析。

　　4 ANSYS Workbench結(jié)構(gòu)分析實用技術
　　4.1 玻璃面板計算分析單元的選擇
　　在對幾何模型網(wǎng)格劃分時，需要指定單元類型，通常玻璃的厚度與短邊長度的比值小于0.1 時，應采用SHELL單元。使用SHELL單元模擬薄的實體結(jié)構(gòu)，可以降低模型的計算規(guī)模，而且精度滿足要求，因此習慣上采用SHELL63單元（4節(jié)點）進行玻璃面板的有限元分析。SOLID單元功能比較強大（SOLID187是10節(jié)點六面體，SOLID186是20節(jié)點六面體），也可以被采用，尤其是在計算技術的提高和計算計硬件的升級支持下，采用SOLID單元，更能體現(xiàn)有限元分析的優(yōu)越性。

　　4.2 插入APDL命令流
　　APDL命令流是ANSYS軟件系統(tǒng)的精華，在Geometry，Contact，Environment和Solution下均可進行插入。能將APDL的靈活高效和Mechanicl的快捷相結(jié)合，是熟悉APDL開發(fā)者的高效接口。能夠完成的有用功能有:替換系統(tǒng)缺省的單元、控制計算結(jié)果的讀取、進行附加的計算等。

　　4.3 通過PATH監(jiān)視計算結(jié)果
　　對起重要作用的計算結(jié)果，可以指定路徑PATH，用來表征結(jié)果的變化，并提取其最大值和最小值，實現(xiàn)顯示及打印。

　　4.4 變量參數(shù)集的使用
　　在ANSYS Workbench中，設置了變量參數(shù)集，可以在Workbench中進行設定，在分析時自動采用，不用對其MODEL的設置進行修改，這樣保證建模數(shù)據(jù)比較固定。通過變量參數(shù)集，還可以將模型中的數(shù)據(jù)進行輸出，便于調(diào)試和參數(shù)化設計。

　　4.5 安全系數(shù)工具的使用
　　在后處理中，Tools提供了Stress Tool，能夠?qū)?a href='../../zsk/ct.asp?id=6237' target='_blank' style='font-size:1em; border-bottom:1px dotted blue;'>應力以安全系數(shù)的形式進行云圖顯示，很容易檢查到玻璃應力分布的薄弱部位。

　　4.6 充分利用CAD圖形接口
　　Ansys提供很多CAD軟件的圖形導入功能，如果不能直接導入，可在宿主CAD中將模型轉(zhuǎn)存為通用文件，如IEGS、DWG文件等。比如Rhino模型的3dm文件，即可采用IEGS格式進行導入。

　　5 結(jié)論
　　5.1 采用線性有限元分析方法，得到的結(jié)果較實際保守，因此可以考慮玻璃面板的幾何非線性影響。規(guī)范[4]中規(guī)定的折減系數(shù)是必要的。

　　5.2 Shell單元和Solid單元分析結(jié)果比較接近。在工程應用過程中可以采用Ansys系統(tǒng)默認的單元進行分析。

　　5.3 ANSYS Workbench適合于工程分析，與ANSYS經(jīng)典分析方法相比，更為簡單，求解效率更高，但相對來講功能比較簡單，因此采用插入APDL命令流的方法，實現(xiàn)能夠有效擴充分析功能，進行細節(jié)控制，滿足不同工程的需要。

　　【參考文獻】
　　1姜仁，任意三角形玻璃面板彎曲問題研究，2009年全國門窗幕墻年會論文集，2009.3
　　2 張朝輝，ANSYS 12.0結(jié)構(gòu)分析工程應用實例解析（第3版），機械工業(yè)出版社，2010.1
　　3 浦廣益等，ANSYS Workbench 12 基礎教程與實例詳解，中國水利水電出版社，2010.10
　　4 JGJ102-2003《玻璃幕墻工程技術規(guī)范》，中國建筑工業(yè)出版社，2003.10
　　5 劉正權(quán) 姜仁，APDL參數(shù)化有限元分析技術在點支式玻璃幕墻設計中的應用，建筑科學，2006,22(1)