鋼結(jié)構(gòu)有限元分析,鋼結(jié)構(gòu),有限元分析 1 前 言 1.1有限元分析方法介紹 有限元分析的基本概念是用較簡(jiǎn)單的問(wèn)題代替復(fù)雜問(wèn)題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對(duì)每一單元假定一個(gè)合適的(較簡(jiǎn)單的）近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問(wèn)題的解。這個(gè)解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因?yàn)閷?shí)際問(wèn)題被較簡(jiǎn)單的問(wèn)題所代替。由于大多數(shù)實(shí)際問(wèn)題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。 有限元是那些集合在一起能夠表示實(shí)際連續(xù)域的離散單元。有限元的概念早在幾個(gè)世紀(jì)前就已產(chǎn)生并得到了應(yīng)用，例如用多邊形（有限個(gè)直線單元）逼近圓來(lái)求得圓的周長(zhǎng)，但作為一種方法而被提出，則是最近的事。有限元法最初被稱為矩陣近似方法，應(yīng)用于航空器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，并由于其方便性、實(shí)用性和有效性而引起從事力學(xué)研究的科學(xué)家的濃厚興趣。經(jīng)過(guò)短短數(shù)十年的努力，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和普及，有限元方法迅速?gòu)慕Y(jié)構(gòu)工程強(qiáng)度分析計(jì)算擴(kuò)展到幾乎所有的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，成為一種豐富多彩、應(yīng)用廣泛并且實(shí)用高效的數(shù)值分析方法。 有限元方法與其它求解邊值問(wèn)題近似方法的根本區(qū)別在于它的近似性僅限于相對(duì)小的子域中。20世紀(jì)60年代初首次提出結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算有限元概念的克拉夫（Clough）教授形象地將其描繪為：“有限元法=Rayleigh Ritz法＋分片函數(shù)”，即有限元法是Rayleigh Ritz法的一種局部化情況。不同于求解（往往是困難的）滿足整個(gè)定義域邊界條件的允許函數(shù)的Rayleigh Ritz法，有限元法將函數(shù)定義在簡(jiǎn)單幾何形狀（如二維問(wèn)題中的三角形或任意四邊形）的單元域上（分片函數(shù)），且不考慮整個(gè)定義域的復(fù)雜邊界條件，這是有限元法優(yōu)于其他近似方法的原因之一。 對(duì)于不同物理性質(zhì)和數(shù)學(xué)模型的問(wèn)題，有限元求解法的基本步驟是相同的，只是具體公式推導(dǎo)和運(yùn)算求解不同。簡(jiǎn)言之，有限元分析可分成三個(gè)階段，前處理、處理和后處理。前處理是建立有限元模型，完成單元網(wǎng)格劃分；后處理則是采集處理分析結(jié)果，使用戶能簡(jiǎn)便提取信息，了解計(jì)算結(jié)果。 1.2大型有限元分析軟件ANSYS介紹 成立于1970年的美國(guó)ANSYS公司，是目前世界上最著名的CAE（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）軟件和服務(wù)的提供商之一。34年來(lái)，ANSYS公司一直致力于分析設(shè)計(jì)軟件的開(kāi)發(fā)及分析咨詢服務(wù)，為全球工業(yè)界所廣泛接受，并擁有了全球最大的用戶群體：近13000家正式商業(yè)用戶（總裝機(jī)超過(guò)70000臺(tái)套）和超過(guò)100000家大學(xué)用戶；在美國(guó)《財(cái)富》雜志評(píng)選出的全球財(cái)富前100企業(yè)中；有73個(gè)是ANSYS的“集團(tuán)”用戶；許多國(guó)際化大公司以ANSYS軟件作為其設(shè)計(jì)分析標(biāo)準(zhǔn)。這些用戶群體涵蓋了機(jī)械制造、能源、石油化工、電子、土木建筑、汽車、鐵道、軍工、核技術(shù)、航空航天、造船、地礦、水利、生物醫(yī)學(xué)、日用家電等諸多工業(yè)領(lǐng)域，ANSYS是這些工業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行國(guó)際國(guó)內(nèi)優(yōu)化設(shè)計(jì)、技術(shù)交流的主要平臺(tái)。 ANSYS軟件的最新發(fā)展總是領(lǐng)先于CAE領(lǐng)域的變革趨勢(shì)。它融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁于一體的多物理場(chǎng)耦合仿真的功能，集中代表了用于“虛擬樣機(jī)”最先進(jìn)的CAE技術(shù)；高度非線性分析功能是20世紀(jì)90年代大型通用CAE程序的標(biāo)志；與CAD軟件無(wú)縫的幾何模型雙向參數(shù)互動(dòng)是CAD/CAE整體化協(xié)同仿真的基礎(chǔ)……。 近年來(lái)，ANSYS公司在CFD領(lǐng)域的發(fā)展更是令世人矚目：2000年ANSYS收購(gòu)了CFD業(yè)界最著名的前處理工具ICEMCFD；同年收購(gòu)了美國(guó)NASA研究中心的快速氣動(dòng)選型工具CART3D;2003年收購(gòu)了世界三大CFD軟件巨頭之一CFX。至此，ANSYS已經(jīng)在結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁各個(gè)物理場(chǎng)都擁有了最先進(jìn)的分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了ANSYS的宏大夢(mèng)想：強(qiáng)大的多物理場(chǎng)耦合分析，領(lǐng)先的多學(xué)科協(xié)同仿真。ANSYS在CFD領(lǐng)域的最新進(jìn)展，即 SYSCFD各具特色的“三劍客”：ICEMCFD、CART3D、CFX。ANSYS此次在CFD領(lǐng)域的最新進(jìn)展是ANSYS發(fā)展史上又一個(gè)重要的里程碑。嶄新的ANSYS產(chǎn)品體系將更好地滿足人們對(duì)CAE的期望和要求，推動(dòng)并加強(qiáng)我國(guó)企業(yè)的研發(fā)實(shí)力。 ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。有限元分析軟件，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，Pro/Engineer NASTRAN、 Alogor、I－DEAS、AutoCAD等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAD工具之一。軟件提供了100種以上的單元類型，用來(lái)模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。該軟件有多種不同版本，可以運(yùn)行在從個(gè)人機(jī)到大型機(jī)的多種計(jì)算機(jī)設(shè)備上，如PC、SGI、HP、SUN、DEC、IBM、CRAY等。目前版本為ANSYS9.0版，其微機(jī)版本要求的操作系統(tǒng)為Windows 2000或Windows XP,也可運(yùn)行于UNIX系統(tǒng)下。 1.3主要工作 首先，是要熟悉有限元軟件和材料力學(xué)的相關(guān)知識(shí)。所以，對(duì)材料力學(xué)書的典型習(xí)題，先用材料力學(xué)求解一遍，然后再用有限元軟件進(jìn)行求解。通過(guò)兩方面的結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題。在鞏固材料力學(xué)基本知識(shí)的同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)并解決在有限元分析過(guò)程中出現(xiàn)的實(shí)際問(wèn)題。 其次，要熟悉畢業(yè)設(shè)計(jì)的鋼結(jié)構(gòu)。不但要弄清實(shí)際空間布置，而且要構(gòu)思好建模方案。對(duì)于大型的鋼結(jié)構(gòu)，優(yōu)化的方案會(huì)取得事半功倍的效果。建模的過(guò)程必須邊建模，邊檢查出現(xiàn)的錯(cuò)誤，邊進(jìn)行修改工作。局部的錯(cuò)誤，要在局部來(lái)解決，要是所有的錯(cuò)誤混在一起，會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤太多查不出來(lái)的后果。 設(shè)計(jì)的過(guò)程和平時(shí)的學(xué)習(xí)過(guò)程是截然不同的。平時(shí)學(xué)習(xí)可以用先解決簡(jiǎn)單的問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)難的問(wèn)題可以回避，等到水平提高以后在解決。可是設(shè)計(jì)的過(guò)程必須以最快的速度解決發(fā)現(xiàn)的新問(wèn)題。例如，我在建立破碎平臺(tái)與控制室模型的最后階段，發(fā)現(xiàn)破碎平臺(tái)和控制室是鉸接，鉸接是具有相同的線位移，而其角位移不同。這個(gè)問(wèn)題要是不及時(shí)的解決，就無(wú)法進(jìn)行下一步的求解的工作，并且會(huì)影響工作進(jìn)度。在安教授的指導(dǎo)下，查找相關(guān)的書籍，研究必要的相關(guān)知識(shí)，并作一定數(shù)量的相關(guān)試題。用最快的速度解決這個(gè)具體的問(wèn)題。采用兩重復(fù)節(jié)點(diǎn)自由度耦合的方法，使相互重復(fù)的節(jié)點(diǎn)只具有相同的線位移，而其角位移不同。 對(duì)于載荷的等效計(jì)算也是非常重要的。不但弄清楚實(shí)際載荷的位置、數(shù)值、方向，而且要查閱相關(guān)的載荷等效公式，載荷系數(shù)。計(jì)算工作要求保證不出錯(cuò)誤，而且需要計(jì)算多邊并對(duì)比結(jié)果。確定準(zhǔn)確無(wú)誤后，才能進(jìn)行下一部分的工作。 有限元計(jì)算出的結(jié)果，要進(jìn)行必要的保存。用有限元軟件圖形保存的命令保存圖片結(jié)果；用動(dòng)畫的形式保存模態(tài)分析的結(jié)果；用有限元列表的命令保存重要的數(shù)據(jù)結(jié)果。對(duì)于這些結(jié)果要結(jié)合自己結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的分析，這樣不僅能驗(yàn)證結(jié)果的正確性，還能提高自己的分析實(shí)際結(jié)構(gòu)的能力。 3