基于ANSYS体育馆屋面网壳结构有限元分析

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本文摘要（由AI生成）：

本文介绍了使用3D3S软件建模分析网壳结构，并通过ANSYS进行静力计算复核、模态计算及非线性稳定性分析的方法。首先，通过3D3S建模并导出Mac格式文件至ANSYS进行导入。其次，确保ANSYS模型在静力和模态计算上与设计软件结果一致，并解决了节点自重和荷载转质量的问题。最后，通过ANSYS进行稳定性分析，考虑了材料非线性、几何非线性和初始缺陷，得到了满跨和半跨活载下的荷载位移曲线，证明了结构满足稳定性要求。此外，提供了系列教程和课程优惠信息，旨在帮助工程师掌握网壳结构有限元分析的技术。

一、写在前面

网壳是一种与平板网架类似的空间杆系结构，系以杆件为基础，按一定规律组成网格，按壳体结构布置的空间构架，它兼具杆系和壳体的性质。其传力特点主要是通过壳内两个方向的拉力、压力或剪力逐点传力。网壳结构具有结构形式多样、造型美观等诸多优点，是一种一种国内外颇受关注、有广阔发展前景的空间结构。

网壳结构又包括单层网壳结构、双层网壳结构、预应力网壳结构、板锥网壳结构、肋环型索承网壳结构、单层叉筒网壳结构等。

采用双层空腹椭球壳的国家大剧院

网壳结构设计常用软件有Midas、SFCAD、3D3S等，常用有限元软件有ANSYS、ABAQUS等。针对大型网壳结构，除了按常规设计软件进行外，还需要采用三方软件进行相互校核，本文以某县体育馆屋壳为例，阐述如何利用ANSYS进行网壳结构有限元分析。

二、模型的建立与导入

网壳的建模一般采用设计软件导入的方法，主要原因有三：

1、网壳结构形式复杂多样，利用外部软件导入的方法能很好的节约建模时间，同时若方案进行调整，能快速的重新建模分析。

2、网壳结构通常截面形式多样，若采用有限元软件单独建模，后期杆件截面赋值将花费不少时间。同时，构件截面在赋值之前应能保证所选截面能满足规范对杆件稳定比、应力比等的要求。

3、若采用ANSYS进行建模，荷载的输入则比较麻烦，例如常见的附加恒载、活载输入，一般情况下是按照投影荷载计算，又比如风荷载的输入，尤其是对大型网壳，常常需要做风洞试验确定其风载体型系数。

ANSYS在网壳结构分析中扮演着校核复核的角色，故而在实际设计中，一般采用设计软件进行建模分析，然后导出模型到ANSYS中进行计算。

本例首先采用3D3S进行建模分析，调整杆件截面，直至杆件稳定、应力比等参数满足规范要求后导出模型文件。

3D3S导出文件格式为Mac，将导出的文件放入ANSYS工作目录下，然后在ANSYS命令流窗口输入相应文件名即可导入模型。

3D3S模型

ANSYS模型

三、网壳结构静力计算复核与模态计算

在采用ANSYS进行其他计算之前，首先应保证模型的正确性，这里所谓的正确性也即模型在基本结果层面上的一致性，具体来讲，结构在静力计算工况下应保证位移、杆件应力、杆件轴力基本一致，结构模态计算中，应保证设计软件与有限元软件周期相差不大，且结构模态变化趋势一致，在这过程中，面临如下问题：

1、针对有杆件节点的情况，杆件节点自重如何考虑。

2、模态计算中如何按规范考虑1.0恒+0.5活对结构质量的影响。

解决方法如下：

1、节点自重可通过放大重力考虑，一般来讲，节点自重占结构杆件20~30%，在具体设计时，可先假定一个比例，后续在设计软件中进行节点设计，最后统计节点自重，然后返回建模适当调整即可。本例节点自重按杆件20%自重考虑。

2、在模态计算时，除了考虑网壳本身杆件的质量外，还应考虑节点重量、1.0恒+0.5活对结构总质量的影响。解决思路为将荷载转为质量，然后采用Mass21单元在节点处建立集中质量单元。

限于篇幅，本文仅列出结构在恒载作用下3D3S软件与ANSYS的位移云图、轴力图对比。

3D3S结构位移总图（mm）

ANSYS结构位移总图（m）

3D3S杆件轴力图（KN）

ANSYS杆件轴力图（N）

从上面云图可见，两种软件在位移、轴力结果层面上基本一致，下表为结构周期对比：

3D3S与ANSYS结构周期对比

从上表可见，经过处理过后的ANSYS模型周期与设计软件模型周期基本一致，符合工程要求。

四、网壳结构非线性稳定性分析

相比于静力分析，网壳稳定性分析为重中之重，网壳失稳为整体性行为，其带来的后果远比局部杆件截面不足带来的后果要严重！因而，在网壳结构方案阶段就应牢牢把控住结构稳定性表现行为。

《空间网格规程》里面对需要进行稳定性的情况做了规定，其中单层网壳以及厚跨比小于1/50的双层网壳需要稳定性分析（强条）。本强条是针对形状规则的网壳来讲，而对于形状不规则的情况，也需做稳定性分析。

采用ANSYS进行稳定性分析时，应考虑材料非线性以及几何非线性，并考虑将一阶弹性屈曲模态作为初始缺陷。具体分析时，应考虑如下问题：

1、应根据具体使用工况做稳定性分析，例如满跨活载、半跨活载；

2、附加荷载和节点自重在做稳定性分析应考虑，可参考模态分析时的折算方法，将荷载折算为集中质量考虑。

对于出现负刚度的情况，应采用弧长法进行求解分析，求解时采用力的收敛准则，本例分别按照满跨活载、半跨活载，且考虑结构材料非线性以及几何非线性，得到了结构荷载位移曲线如下所示：

半跨活载荷载位移曲线

满跨活载荷载位移曲线

对比两者，可见满跨作用下更不利，综合可取稳定性系数为6.4，满足规范要求。以上内容是笔者基于ANSYS网壳结构有限元分析，希望对学习型仿真秀工程师有所帮助。2020年4月，笔者在仿真秀官网和APP发布一套原创《ANSYS 网壳结构有限元分析系列教程》。目前已经更新完结。

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首次发布时间：2020-05-28