威金斯气柜有限元模型的建立

根据上述理论分析，采用通用有限元软件 ANSYS，选取适当的单元类型，建立威金斯气柜有限元模型。图 2－3 为威金斯气柜外壁壳的有限元模型图。图 2－4为去掉外壁壳的威金斯气柜竖向肋、抗风回廊、顶壳环向梁、径向梁构件模型图。在有限元数值模型中，2－3 图中的外壁壳和 2－4 图中的加劲肋和梁式杆件通过共用节点，成为整体受力结构。

（1） 数值模型的参数化

APDL 即 ANSYS 参数化设计语言（ANSYS Parametric Design Language），利用 APDL 程序语言与宏技术组织管理 ANSYS 的有限元分析命令，就可以实现参数化建模、施加参数化荷载与求解以及参数化后处理结果显示，从而实现参数化有限元分析的全过程，同时这也是 ANSYS 批处理分析的最高技术。

应用壳体单元建立威金斯气柜有限元模型时，将威金斯气柜的形状和构件截面尺寸以及荷载值均设为可变参数，利用 APDL 语言自行编制了参数化建模加载求解流程，实现了各种荷载工况组合问题的处理。

（2） 数值模型中的单元类型

采用 ANSYS 中的平面 4 节点弹性壳单元 shell63 对气柜的柱壳和顶壳进行离散。shell63 壳单元具有薄膜和弯曲特性，能够承受平行、垂直法线方向的载荷。该单元具有四个节点，每个节点具有沿x、y 、z 轴平动自由度 UX、UY、UZ 及绕x、y 、 z 轴的转动自由度 ROTX、ROTY、ROTZ。此单元符合前文所提到的平板壳体理论。

抗风回廊、柱壳的环向加劲肋和竖向加劲肋及其它构件可采用与壳体单元有相同自由度的梁单元 beam188 来模拟。beam188 梁单元是一种可用于承受拉、压、弯、扭的单轴受力单元。该单元在每个节点有六个节点自由度：沿x、 y 、 z 三个方向的平动自由度和绕x、 y 、 z 三个方向的转动自由度。由于单元的结点自由度数目相同，因此 beam188 梁单元与 shell63 平板壳单元可以共用结点，以保证梁和壳体相交处有共同的变形。beam188 可以准确的模拟加劲肋的形状，偏心位置等构件特性，这样就可以准确的模拟结构的整体失稳和圆柱壳、顶壳、活塞局部失稳的真实情况。

活塞上混凝土块采用 mass21 质量单元。mass21 单元是一个具有六个自由度的点单元，和 shell63 的节点自由度相同。活塞上拉杆采用 link10 单元，实现杆件只能受拉不能受压的受力特性。

（3） 数值模型的边界处理

采用薄壳理论作为结构分析的理论依据，约束圆柱壳底端节点所有的自由度，建立上端自由下端为固定约束的三维加劲薄壳的数值计算模型。

（4） 活塞结构

活塞与气柜是相对独立的结构，活塞与圆柱壳没有直接的接触联系。活塞主要承受充气后气体的压力，受力形式是一种自平衡体系，活塞不会把力传给气柜圆柱壳。因此分析圆柱壳在荷载作用下的变形和内力时可以不考虑活塞，而又可以把活塞作为一个单独结构进行受力分析。