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采用刚臂和ANSYS梁单元截面偏置,均可实现杆件连接异轴的模拟

4年前浏览3634

在创建复杂结构时,因连接的几何位置或构件质心位置等原因,很多情况下要借助“刚臂”予以处理。如铁路桥梁承轨部分的纵横梁连接、单主梁模拟悬吊结构时的吊点、杆件不相交于一点时的节点等,都可能需要刚臂连接。所谓刚臂就是“刚度很大”的构件,在理论上可以对模型进行简化,实际结构中不存在所谓“刚臂”。ANSYS中可采用提高刚度的普通单元(简称人工刚臂),也可采用MPC184(K1=1)梁单元,MPC184单元可用于静力、动力、屈曲和模态分析,还可采用梁单元的截面偏置等方法实现。

人工刚臂就是采用普通单元,赋予其很大的刚度,可采用提高弹性模量方法,如提高1E3~1E9倍(如图1例)。既然是刚臂,不是刚度越大越接近“刚臂”吗?如提高1E20倍岂不更好?事实上,在1E3~1E9时结果可能没有任何变化,但一旦再继续提高,结果会有不正确的趋势,达到一定数值(如1E15)程序不再求解,原因是极大主元造成了病态刚度矩阵。

以图1a)所示结构为例,图1b)为人工刚臂示意,图1c)为网分后的单元示意。在该例中,系数为1E15时程序不再求解(可更换求解器试试),且系数在1E10之后,位移和应力结果趋势不正确。因此,提高系数不能无限大(当然也不能太小,否则不成刚臂)。通常,刚度提高系数在1E3~1E5之间较合理。

图1d)为采用梁截面偏置时的单元示意,图1e)和图1f)为截面偏置时的位移和应力云图,采用人工刚臂提高1E3~1E9时,计算结果均与截面偏置计算结果一致。

刚臂优点是比较简单直观,几何位置更容易调整。而且人工刚臂不仅仅用于梁单元,提高刚度系数可用于板壳或实体单元,形成“刚壳臂”或“刚体臂”。

!人工刚臂单元命令流

FINISH$/CLEAR$/PREP7

!BC为刚度长度,保持两个工字钢各自的质心轴。LINE的创建全部在质心轴。

BC=0.15$K,1$K,2,1.5$K,3,3

K,4,1.5,BC$K,5,1.5,BC,1.6

L,1,2$L,2,3$L,2,4$L,4,5

ET,1,BEAM189$MP,EX,1,2.1E11

MP,PRXY,1,0.3

!刚度系数-提高弹性模量

GDXS=1E14

MP,EX,2,2.1E11*GDXS$MP,PRXY,2,0.3

SECTYPE,1,BEAM,I!

SECDATA,0.4,0.4,0.7,0.03,0.03,0.024

SECTYPE,2,BEAM,I!

SECDATA,0.4,0.4,0.4,0.02,0.02,0.012

LSEL,S,LOC,Y,0$LATT,1,,1,,,4,1

LSEL,S,LOC,Y,BC$LATT,1,,1,,,2,2

LSEL,S,LOC,Y,BC/2$LATT,2,,1,,,5,1

LSEL,ALL$ESIZE,0.2$LMESH,ALL

DK,1,ALL$DK,3,ALL$DK,5,UZ

DK,5,ROTX$FK,5,FY,-4E5

/SOLU$SOLVE

/POST1$PLNSOL,U,Y

/ESHAPE,1$PLNSOL,S,X

!截面偏置命令流

!创建的LINE全部位于同一平面内

FINISH$/CLEAR$/PREP7$K,1

K,2,1.5$K,3,3$K,4,1.5,,1.6

K,5,1.5,1,0$L,1,2$L,2,3$L,2,4

ET,1,BEAM189

MP,EX,1,2.1E11$MP,PRXY,1,0.3

SECTYPE,1,BEAM,I

SECDATA,0.40,0.40,0.7,0.03,0.03,0.024

!截面2设置偏置,即不在缺省的质心位置

SECTYPE,2,BEAM,I

SECOFFST,USER,0,0.05

SECDATA,0.40,0.40,0.4,0.02,0.02,0.012

LSEL,S,LOC,Z,0$LATT,1,,1,,,5,1

LSEL,INVE$LATT,1,,1,,,5,2

LSEL,ALL$ESIZE,0.20$LMESH,ALL

DK,1,ALL$DK,3,ALL$DK,4,UZ

DK,4,ROTX$FK,4,FY,-4E5

/SOLU$SOLVE$FINISH

/POST1$PLNSOL,U,Y!

/ESHAPE,1$PLNSOL,S,X!

某些情况下采用梁截面偏置难以实现,必须借助刚臂予以处理,例如悬吊主梁且主梁采用梁单元模拟时,就只好借助刚臂实现了,形成所谓“鱼骨梁模型”,此时采用人工刚臂单元或MPC184单元都可。

在计算手段不强的早期,鱼骨梁模型获得大量应用;随着计算手段和方法的发展,这种模型可以采用“子结构”取代(另文介绍),即主梁按多个子结构创建,在子结构主自由度的位置连接其他构件,可以更加细致的模拟结构的力学行为。

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首次发布时间:2020-11-16
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王新敏
硕士 | 教授 好好学习,天天快乐
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