目前工程领域内常用的数值模拟方法有:有限元法!边界元法!离散单元法和有限插分法,应用最为广泛的是有限元法"曼型煤气柜结构及荷载比较复杂,所以本文采用弹性状态下的有限元法进行分析,该方法包括三个重要步骤:离散化一单元分析一整体分析,首先将连续结构离散成有限个单元,并在每一个单元中设定有限个节点,将连续体看作是只在节点处相连续的一组单元的集合体,由单元刚度矩阵形成总体刚度矩阵,然后引入荷载条件和边界条件,并在第一单元中假设一插值函数以表示单元中场函数的分布规律,进而利用力学中的某些变分原理去建立用以
求解节点未知量的线性方程组,从而将一个连续域中的无限自由度问题转化为离散域中的有限自由度问题,求解该方程组得到节点位移,利用设定的插值函数就能计算单元或节点上的弯矩和应力等。
本文采用美国ANSYS公司开发的通用有限元软件ANSYS对曼型气柜进行整体分析计算"ANSYS软件具有强大的前处理!求解和后处理功能,能够方便地构造实体模型和网格划分,进行线性!非线性的结构静力!动力分析以及结构非线性屈曲分析。
在实际工程仿真中,首先要做的是单元选取,合理的单元选取不仅有助于简化分析,更有助于结果的正确性,选择单元时一般遵循下列原则158]:
(l)!所选单元类型,应对实际结构的几何形状有良好的逼近程度;
(2)!要真实地反映结构的受力状态;
(3)!根据计算精度要求,并考虑计算工作量大小,恰当地用线性元或高阶元"
目前,ANSYS己经开发了175种单元,常用的有Link单元!Beam单元!Shen单元!Plane单元!Mass单元!Pipe单元等,这些单元提供了丰富的单元特性,能使用户方便而准确地构建出反应实际结构的仿真计算模型。
对于本文的正多边形棱柱壳体气柜,侧板仅6rnrn厚,远小于气柜的内径和高度,因此不必建立三维实体模型,可将问题部分简化为板壳问题"考虑到各构件的截面形式和受力特点,本文模型中分别使用到Links杆单元!Beam188梁单元和Shell63壳单元,这样模型在满足精度要求的情况下将得到很大简化。
Links单元是有广泛工程应用的杆单元,可用来模拟析架!连杆等,单元通过两个节点!横截面面积及材料属性来定义,每个节点有三个自由度,分别为沿整体坐标X!Y和Z轴的平动位移,这种两节点三维杆单元可承受轴向的拉!压力作用"如同在铰接结构中的表现一样,Links单元不承受弯矩,同时单元具有塑性!蠕变!膨胀!应力刚化!大变形!大应变等功能"本模型中柜顶精架的竖腹杆!斜腹杆!水平支撑和立撑都用Links单元模拟,为建模方便截面积均取2460m耐"
Beam188单元是基于Timoshenk"梁理论!并考虑剪切变形的三维线性有限应变二节点梁单元,如图2.11所示,每个节点有6个或7个(考虑壳曲)自由度,非常适合线性!大角度转动和非线性大应变问题"用SECTYPE!SECDATA!SECWRJTE等命令来定义梁的横截面,其中SECTYPE命令可定义截面形状为矩形!工字型!T
型或任意截面等"根据气柜构件的实际截面情况,立柱!加劲肋!抗风环!柜顶环梁和析架上下弦截面均用该单元拟"柜顶环梁用矩形截面,截面尺寸为300~x400~,析架上!下弦用T型截面,截面尺寸如图2.13(b)所示"立柱!加劲肋和抗风环都是组合截面(图2.1!2.6!2.7所示),考虑到建模方便,按截面面积!抗弯刚度和截面抵抗矩相等的原则,将组合截面用工字型截面等效,相应截面如图2.13所示.
把侧板的板肋和板分开后,板部分是一正交异性矩形板,可以选取具有正交各向异性材料特性的壳单元来模拟,常用的有Shell43和Shell63单元"Shell43单元是四节点塑性大应变单元,适合模拟线性的适当厚度的壳体结构"对于薄壳结构,选用弹性的Shell63单元更加合适"SHELL63单元既有弯曲能力又有膜力,可以承受平面内荷载和法向荷载,单元每个节点具有6个自由度,应力刚化和大变形能力己经考虑在其中,在大变形分析(有限转动)中可以采用不变的切向刚度矩阵"图2.12显示了SHELL63的几何形状!节点位置及坐标系,单元定义需要四个节点!四个厚度!一个弹性地基刚度和正交各向异性的材料,正交各向异性的材料参数EX!EY!EZ等的方向依据单元坐标系"对于SHELL63单元的单元坐标系,其X方向为由节点I到节点J连线的方向,Z轴垂直于由I到J节点按右手法则确定的平面,Y轴垂直于XZ平面"取Ex=2#06x10,N/mm,,E,=0.17x10,N/mm,,NUXY一0.25,认,二0.8!10sN/mm,"由于板肋有效截面中考虑了板的部分截面,为使板和板肋总的环向轴压刚度和实际L型钢的环向轴压刚度相等,在确定板部分的厚度时应扣除重复计算的部分,此时板厚不是6mm,而是4.6mm。
本文采用弹性状态下的有限元法进行分析,由于涉及大位移,计算中需要考虑构件的几何非线性,在求解中打开大变形开关,使用ANSYS的自动荷载增量技术和弧长法平衡迭代进行荷载增量设计和平衡迭代控制"在后处理时,主要从强度和刚度两个方面评定选择的截面是否合理,选择ANSYS提供的Mises屈服准则判定材料是否屈服;提取立柱!抗风环!侧板等的位移,分析其最大位移是否在限值内。
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