玻璃面板有限元静力仿真分析

　　1 前言
　　1.1 玻璃面板结构承载力设计
　　玻璃面板是建筑幕墙的主要结构构件，一方面起到围护结构的作用，另一方面承担传递风荷载和其它荷载的作用。近年来频繁反生玻璃坠落伤人事故，因此对其进行可靠的数值模拟计算至关重要。我国现行规范[4]对玻璃的计算提出了数值计算方法，并通过折减系数修正小挠度理论与实际工程的偏差。但弯曲应力和挠度采用相同的折减系数与客观实际存在误差，因此对于较大工程或重要工程需采用更为精确的方法进行计算，本文以四边简支矩形板为例，探讨ANSYS有限元方法对玻璃承载力的数值模拟技术。

关于任意三角形等异形玻璃面板的承载力计算，可参照文献[1,5]进行。

　　1.2 ANSYS软件进行有限元分析的方法
　　计算机辅助工程技术（CAE）已经得到越来越广泛的使用，CAE的技术种类有很多，其中包括有限元法（FEM）、边界元法（BEM）和有限差分法（FDM）等。每一种方法各有其应用的领域，而其中有限元法应用的领域越来越广，现已应用于结构静力学、结构动力学、热力学、流体力学、电路学、电磁学等领域。目前常用的分析软件有ANSYS、SAP2000、ETABS、STAAD、MIDAS和MIDAS等，国产软件主要有PKPM、3D3S和MTS等。

　　在ANSYS的高版本中，提供多种建模分析手段，比较常用的方法有：GUI可视化方法、APDL语言方法和通过Workbench的DesignModeler建模分析方法。

　　GUI可视化分析方法比较传统，有很多资料可供参考[2]，对有限元分析的控制比较细致，但学起来比较复杂，可视化效果也不够理想。

　　APDL语言分析方法是由类似于FORTRAN 77 的程序设计语言部分和1000多条ANSYS命令组成。具有参数、数组表达式、函数、流程控制（循环与分支）、重复执行命令、缩写、宏及用户程序等。通过APDL命令流将ANSYS 命令组织起来，编写出参数化的用户程序，进行参数化建模，并能实现有限元分析的全过程。该方法很复杂，但能够对有限元分析各个环节的细节进行控制，是具有专业水准的分析方法。

　　ANSYS Workbench及其组成模块分析方法是近些年发展起来的可视化有限元分析技术，能够用来解决复杂的实际工程问题。它的主界面引入了工程流程图的概念，通过各个分析系统间的连接，将数值模拟过程结合在一起，每个相对独立分析系统的数值模拟过程一般是采用简化假定或者真实的物理模型，将CAD模型构造成有限元网格模型，再通过施加载荷和边界条件后运行求解得到分析结果，分析系统之间通过共同变量建立关联。

　　1.3 ANSYS Workbench分析方法的特点
　　（1）Ansys Workbench 是一个CAE开发平台。是一种全新的人性化界面操作系统，建模与网格划分比经典方法方便，比较适合工程设计人员，而经典分析方法更适合专业FEA人员。

　　（2）Workbench中网格划分只能是自由划分，不宜对其细节进行控制。

　　（3）计算结果有小的差别，Workbench和经典默认的算法有所不同，Workbench默认的PCG算法,而经典分析方法是消元法。

　　（4）Workbench包括CAE建模工具DesignModeler，静力分析工具Mechanical，优化工具DesignXplorer等，且能够方便的切换到经典环境。

　　1.4 玻璃幕墙结构分析用单元
　　在建筑幕墙行业，分析面板承载力时一般选择Shell单元或Solid单元，分析杆件和索结构时采用Link单元，但在Ansys的高版本中，对这些单元不再支持[2]，应采用代用单元。表1列出与幕墙分析相关的单元代用方法。

　　不再支持的单元 推荐代用的单元 适用分析类型
　　Shell单元 Shell41
　　Shell181
　　玻璃、金属、陶瓷等面板
　　Shell43
　　Shell63
　　Shell91 Shell281 多层壳
　　Shell93
　　Shell99
　　Beam单元 Beam3、Beam4 Beam188 空间2节点梁
　　Beam23
　　Beam54
　　Link单元 Link8 Link180 分析索杆结构
　　Link10

　　2 玻璃面板结构建模
　　2.1 ANSYS Workbench有限元分析的一般过程[2,3]
ANSYS Workbench通常被称为“傻瓜”版有限元分析系统，能够容易地解决不同分析类型的工程问题，比如静力分析、动力分析、自由振动等。其主要流程：

　　（1）选择工程问题的分析类型，将分析系统加入工程流程图。

　　（2）定义材料属性。可利用提供的工程材料库导入，也可以自定义材料属性，比如玻璃的属性。

　　（3）采用DesignModeler建立几何模型或CAD接口导入几何模型。目前Ansys支持的CAD系统有Catia、ProE、Solidwork、UG、SolidEdge和AutoCAD等。在进行有限元分析时，可以把符合要求的CAD模型直接导入ANSYS 进行分析。

　　（4）施加载荷、边界条件，设置结果处理要求。

　　（5）求解并出具限元数值模拟分析报告。

　　2.2 玻璃面板建模数据
　　玻璃尺寸2000x1000x6mm，泊松比0.2，弹性模量7.2E10Pa，风荷载分别为：0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，4.5，5.0kPa。计算方法采用小挠度理论和大挠度理论分别进行分析。

　　3 计算结果及ANSYS不同单元的比较
　　本文采用ANSYS Workbench V14.0对玻璃面板进行建模，分别采用Shell63、Shell181和Solid186单元进行模拟计算，并考虑了非线性的影响，试验及计算结果见表2和表3。不难看出：　　　　　　（1）考虑几何非线性的计算结果与试验值比较接近，能够比较准确地反应客观实际。（2）线性解随荷载的进一步加大，与试验值的偏差也逐步加大。（3）三类单元Shell63、Shell181和Solid186的结果相差不大，均能满足工程设计要求，因此可以采用系统默认单元设置进行有限元分析。

　　4 ANSYS Workbench结构分析实用技术
　　4.1 玻璃面板计算分析单元的选择
　　在对几何模型网格划分时，需要指定单元类型，通常玻璃的厚度与短边长度的比值小于0.1 时，应采用SHELL单元。使用SHELL单元模拟薄的实体结构，可以降低模型的计算规模，而且精度满足要求，因此习惯上采用SHELL63单元（4节点）进行玻璃面板的有限元分析。SOLID单元功能比较强大（SOLID187是10节点六面体，SOLID186是20节点六面体），也可以被采用，尤其是在计算技术的提高和计算计硬件的升级支持下，采用SOLID单元，更能体现有限元分析的优越性。

　　4.2 插入APDL命令流
　　APDL命令流是ANSYS软件系统的精华，在Geometry，Contact，Environment和Solution下均可进行插入。能将APDL的灵活高效和Mechanicl的快捷相结合，是熟悉APDL开发者的高效接口。能够完成的有用功能有:替换系统缺省的单元、控制计算结果的读取、进行附加的计算等。

　　4.3 通过PATH监视计算结果
　　对起重要作用的计算结果，可以指定路径PATH，用来表征结果的变化，并提取其最大值和最小值，实现显示及打印。

　　4.4 变量参数集的使用
　　在ANSYS Workbench中，设置了变量参数集，可以在Workbench中进行设定，在分析时自动采用，不用对其MODEL的设置进行修改，这样保证建模数据比较固定。通过变量参数集，还可以将模型中的数据进行输出，便于调试和参数化设计。

　　4.5 安全系数工具的使用
　　在后处理中，Tools提供了Stress Tool，能够将应力以安全系数的形式进行云图显示，很容易检查到玻璃应力分布的薄弱部位。

　　4.6 充分利用CAD图形接口
　　Ansys提供很多CAD软件的图形导入功能，如果不能直接导入，可在宿主CAD中将模型转存为通用文件，如IEGS、DWG文件等。比如Rhino模型的3dm文件，即可采用IEGS格式进行导入。

　　5 结论
　　5.1 采用线性有限元分析方法，得到的结果较实际保守，因此可以考虑玻璃面板的几何非线性影响。规范[4]中规定的折减系数是必要的。

　　5.2 Shell单元和Solid单元分析结果比较接近。在工程应用过程中可以采用Ansys系统默认的单元进行分析。

　　5.3 ANSYS Workbench适合于工程分析，与ANSYS经典分析方法相比，更为简单，求解效率更高，但相对来讲功能比较简单，因此采用插入APDL命令流的方法，实现能够有效扩充分析功能，进行细节控制，满足不同工程的需要。

　　【参考文献】
　　1姜仁，任意三角形玻璃面板弯曲问题研究，2009年全国门窗幕墙年会论文集，2009.3
　　2 张朝辉，ANSYS 12.0结构分析工程应用实例解析（第3版），机械工业出版社，2010.1
　　3 浦广益等，ANSYS Workbench 12 基础教程与实例详解，中国水利水电出版社，2010.10
　　4 JGJ102-2003《玻璃幕墙工程技术规范》，中国建筑工业出版社，2003.10
　　5 刘正权 姜仁，APDL参数化有限元分析技术在点支式玻璃幕墙设计中的应用，建筑科学，2006,22(1)