板壳单元模型中非均匀载荷的处理方法探讨 CAD、CAE培训

在ANSYS程序包中,用于结构计算分析的单元有很多,选取不同的单元类型,可能导致计算分析效率的很大不同.而采用何种单元类型,又必须视其分析的目的和是否满足力学简化条件而定.梁单元类型是有限元分析计算中效率最高的一类单元,而且梁单元的分析模型修改方便.但能否采用梁单元分析的前提条件之一,是构件的外形尺寸必须满足梁高和梁跨之比小于1/3的力学简化条件;其次分析的目的不在于结构的局部应力.
    随着焊接技术在结构制造领域中的广泛运用,为减轻结构重量,人们采用了大量的薄壁箱型结构.这类结构的采用,导致运用梁类单元分析该类结构无法揭示结构局部细节应力的缺陷.于是板壳单元分析模型在该类结构分析中就运用得越来越普遍.但由于板壳模型的创建繁杂、不利于修改等缺陷,致使该类模型的计算效率大大低于梁类单元的模型.所以在产品开发的设计前期,仍然较多的采用梁类单元进行初步的分析计算,只是在设计的后期才运用板壳模型进行验算.由于板壳模型的分析主要目的就是揭示结构局部区域的应力情况,因此该类模型的分析结果,对边界条件(载荷条件和位移条件)的敏感度,较梁类单元的模型高得多,处理不当常常出现局部虚假的高应力区.因此板壳单元的分析模型,边界条件的合理处理,是该模型分析成功的关键.本文的中心任务就是探讨板壳单元模型中非均匀分布载荷的合理处理方法.
1 非均匀载荷条件的传统处理
    由于结构传力中弯矩的存在,在很多的板壳模型中,常常遇到的一个问题就是非均匀分布的载荷处理.为简化换算过程,通常的简化处理方法是处理成节点载荷,即按照节点的位置及节点载荷呈线性分布的原理(图1),按照力矩等效的方法计算得出:
    确定出了Pmax后,按照各力之间的比例关系,就可以推算出各节点上的载荷值。
    笔者曾运用该方法处理DLQ25轮胎起重机底架的分析(2000年ANSYS年会论文集).很明显,该种简化处理方法的换算结果受模型在该区域节点划分的影响,而且由于该方法并非按照功的互等原理转化而来,因此在节点分布不规则时,可能出现局部结果失真的情况.
2 借助表功能的面载荷和线载荷处理方法
    在ANSYS软件包中提供了一种表类型的数组参量,ANSYS程序能够自动计算表数组中明确定义的元素之间的任意值(通过线性插值).运用表数据的这种特性,可以直接定义面上压力载荷的分布规律,通过solution模块中的pressure命令作用到模型中,而对于面力载荷的处理,ANSYS程序会自动按照功能互等的原理处理为等效的节点载荷.现在的问题就是确定压力载荷的具体数值.
    在面上的pressure命令,需要提供面力的集度,它的量纲是N/m2或N/mm2,这正好与应力的量纲一致.由此可见板壳模型中的面力载荷的集度,就等于梁单元模型在该截面处的应力,即
有了上列的计算公式,接下来就是将它们与节点的位置规律运用表数据的格式表示出来.下面通过DLQ50轮胎起重机底架板壳模型的具体例子,来说明该方法的具体运用
3 实例运用
    DLQ50起重机底架的板壳模型如图2所示
    起重机上部回转部分的载荷通过大回转轴承的连接法兰面传递到底架上,主要载荷有:垂直载荷N=872.42 kN;水平载荷H=56.67 kN;倾覆力矩M = 2628.4 kNm;法兰盘的外径D1=2220mm,内径D2=2020 mm.
水平载荷较小,简单的处理为节点载荷.倾覆力矩的方向,随臂架吊重的方向而变,以底架纵向对称轴线为基准,通常需验算。0°,45°和90°三方位的起吊状态.所以创建的三个对应的表数据如图3.三种工况下的计算结果如图4.
4 结论
    以上对非均匀分布载荷的处理方法,不仅较传统的节点载荷处理方法大大简化,而且结果也更合理,无论载荷规律多么复杂,都可以采用这种方法处理,所以笔者认为这是一种通用的非均匀分布载荷的处理方法.需要特别说明的是:
1)运用该方法在构建表数据时,表的索引数据必须是升序排列。
2)如是复杂的分布规律,可视计算精度需要增加表的描述数据。

 

返回Ansys文章专题列表>>>