索網(wǎng)找形ANSYS分析

2017-08-25 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

索網(wǎng)找形分析的經(jīng)典案例其實(shí)有很多,但是最近就做找形分析時(shí)的確也遇到了一些問題,因此這里僅以一個(gè)簡單的例子對某些問題進(jìn)行說明,希望對有需要的伙伴有幫助。使用模型參照期刊:《考慮索自重作用下找形的一種方法》-晏景通。

1.算例

設(shè)有支撐再剛性邊界的菱形索網(wǎng),初始幾何尺寸如圖a所示(橫豎索之間的間距均為9.15m),弾性模型2.1e11Pa,泊松比0.3,截面積為0.0014m2,預(yù)拉伸力大小為800KN。安裝時(shí),左右兩支點(diǎn)比水平位置高3.66m,上下兩支點(diǎn)比水平位置矮3.66m,其形態(tài)如圖b所示,在索心處施加一沿法線100KN的集中力,試分析最終索網(wǎng)形態(tài)。

2.分析

首先,在對懸索進(jìn)行模擬的時(shí)候,我們首先會(huì)遇到第一個(gè)問題:使用什么單元來模擬索比較合適?

要回答該問題,首先需要清楚索結(jié)構(gòu)的兩個(gè)重要假定:

①索之間的交叉節(jié)點(diǎn)為無摩擦的理想鉸接

②索單元認(rèn)為是只拉單元,既不能承受任何彎矩,也不能承受任何壓力

由此可以看出,使用link單元來模擬繩索會(huì)比使用beam單元更加合適。

其次,由于大部分文章仍使用link10進(jìn)行懸索分析,因此這里特別說明下,link180作為原來幾種單元的代替進(jìn)行使用,說明其功能更加強(qiáng)大,也能進(jìn)行索結(jié)構(gòu)的分析。至于會(huì)遇到如何施加初應(yīng)力或者初應(yīng)變的問題,再后面分析中會(huì)具體說明如何設(shè)置。故而本例采用設(shè)置了僅受拉的link180單元進(jìn)行分析。

最后,要重點(diǎn)說明一下這個(gè)形為什么要找。需要說明的是,如果能直接確定索網(wǎng)的初始狀態(tài)(受載荷之前),這個(gè)形是不需要找的。但是我們面臨的問題是,一般索網(wǎng)成馬鞍面之類的負(fù)高斯曲面,初始構(gòu)型很難直接由普通建模得到。因此,我們需要先用一些特殊的手段初次找形,得到安裝時(shí)的大致形狀,然后再施加真實(shí)的預(yù)應(yīng)力和材料參數(shù)第二次找形,最終獲取纜索形態(tài),才能進(jìn)行后續(xù)的外載荷分析,否則直接分析將會(huì)動(dòng)不動(dòng)就報(bào)位移量超出的錯(cuò)誤,也即整個(gè)結(jié)構(gòu)難以平衡。

3.幾何模型

Ansys中進(jìn)行幾何模型的建立其實(shí)相當(dāng)不便,因此這里使用sw建立好索網(wǎng)的平面圖,導(dǎo)入ansys中進(jìn)行后續(xù)分析。這里建模過程我得細(xì)說一下,因?yàn)榇嬖谝欢ǖ募记伞?

A.在sw的草圖模塊中通過多邊形、直線偏移以及剪裁命令快速創(chuàng)建二維草圖如下(圖中圓是多邊形工具的內(nèi)切圓)

B.將建立好的二維草圖導(dǎo)出為igs格式,但是要進(jìn)行如下設(shè)置,也即勾選上輸出草圖實(shí)體,否則草圖將不被導(dǎo)出。

C.ansys導(dǎo)入剛才另存的igs格式文件,會(huì)得到下述幾何模型

可以看到,導(dǎo)入的草圖有兩個(gè)問題:①多了構(gòu)造多邊形的圓線②每根線是單獨(dú)的,沒有相互關(guān)聯(lián)起來(通過線的顏色判斷)。對于第一個(gè)問題我們直接刪除草圖上多余的線即可。對于第二個(gè)問題,直接使用線搭接命令(默認(rèn)導(dǎo)入時(shí)重合關(guān)鍵點(diǎn)合并,因此不用線粘結(jié))。然后我們可以得到如圖b的幾何模型。

4.有限元模型

按照第二部分的分析,選擇link180來離散幾何模型。使用section設(shè)定link180的如下截面參數(shù):

將每根索劃分為三段,以便找形分析所得曲面更加貼近,劃分網(wǎng)格,最終得到下述有限元模型(平面狀態(tài)):

5.第一次找形

第一次找形是為了獲取施加準(zhǔn)確預(yù)應(yīng)力前的索網(wǎng)大致形狀。其中需要注意的是,本次找形會(huì)設(shè)定虛擬的材料參數(shù),也就是不真實(shí)的材料參數(shù),這里主要指彈性模量,會(huì)設(shè)定為原來的千分之一到萬分之一(這里設(shè)置成千分之一)。至于為什么這樣設(shè)置,在王新敏的《ansys工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析》有如下說明:

形狀確定問題簡稱“找形”,其基本原理是減小彈性剛度的影響,利用結(jié)構(gòu)的應(yīng)力剛度求得滿足邊界條件的平衡曲面,當(dāng)完全不計(jì)彈性剛度時(shí)獲得索網(wǎng)的最小曲面。因此,在找形分析時(shí)應(yīng)采用較小的彈性模量,且不施加外載荷和自重載荷。

清楚了這個(gè)以后,我們開始最關(guān)鍵的一步:設(shè)定link180的預(yù)應(yīng)力。由于link10直接使用實(shí)常數(shù)定義初應(yīng)變,因此當(dāng)link10被淘汰以后,很多人剛接觸找形分析不清楚怎么對link180設(shè)置這個(gè)。這里需要用到命令inistate。