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初念浅转念深
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2021-12-01 08:45:57 | 分类:默认分类 | 标签:
导读: 近年来,随着有限元分析软件应用的普及,很多在过去仅仅局限于科研人员论文中的问题,逐步开始成为设计工程师的分析任务。但是另一方面,设计人员未必具备分析人员的知识储备,很多人对于结构分析缺乏有效的思路,甚至有的分析人员完全没有材料力学等相关的基本概念,在结构分析中往往会陷入各种误区,导致分析的效果大打折扣,甚至得出错误的结果。本文针对设计人员结构分析中常见的一些误区进行分析和讨论,希望引起结构分析人员的重视。本文讨论的问题仅限于建模思路和静力计算部分。
误区一:缺乏体系化的概念
很多人做结构分析,就连什么是结构都不清楚。结构是通过构件连接而构成的可承受荷载、起骨架作用的体系。一些人以为,只要会操作软件,就能够进行结构分析。殊不知,如果对于结构缺乏体系化的认知,就无法正确的计算分析,也不能起到验证设计思路的作用。
实际上,作为可承载的骨架体系,结构内部是存在荷载的传递路径的。
在竖向荷载(以自重为代表)作用下,框架结构的传力路径是荷载→楼板→次梁→框架梁→框架柱→基础。在水平荷载(以风荷载和水平地震作用为代表)作用下,框架结构的传力路径是各楼层节点(假设)→框架梁→框架柱→基础。 
在机械和电子产品中,结构的传力路径往往没有建筑结构那样明确,在设计这些产品的结构时,更需要有结构体系的概念,否则就无法形成有效的设计思路,也就无法正确建模并通过仿真计算来验证设计的意图了。
还有的分析人员不能正确区分主体结构和附属结果、不能区分结构构件和非结构构件,建模的时候眉毛胡子一把抓,甚至错误地把非结构件当做结构构件,不但效率低下,而且把握不到分析的重点。这种现象说到底也是由于缺乏结构体系化概念引起的。
误区二:认为建模细节越多越好
有些分析人员总是纠结于各种模型中的细节问题,导入的三维模型上的一些细节特征,他希望能够一个不落地保留,总担心简化了哪个地方会导致计算不准确,因此不敢对分析对象进行必要的简化。比如:下图所示的一些表面凸起属于非受力的装饰,在结构分析中应采用经过简化处理后的右边的模型。这一类的特征在实体模型中是很常见的。当然,简化都是有依据的,如果过度简化可能导致应力异常、刚度改变、截面削弱,那就不是正确的简化了。
还有人在整体结构分析中总是热衷于保留螺栓、焊缝、接触部位等连接细节,说到底,这些问题的根源在于不能分清主次、结构概念不清晰。一般情况下,只是在局部分析(如:节点分析、子模型分析)时才需要考虑这些连接部位的模型细节,整体分析时则不需要在模型中保留这些连接细节,只需要根据连接的设计意图简化为刚性连接、耦合或约束方程即可,这样不仅分析思路明确,而且可以显著地提高分析的效率。
误区三:对网格划分存在误解
有的分析人员,尤其是初学者,往往对于网格划分存在认识上的误区,这些问题的存在,通常会使得分析效率低下、事倍功半。
有人片面地认为计算规模越大、网格划分越细结果就越准确。实际上,对于静力分析,根据基本概念,只需要在高应力梯度范围划分较为精密的网格,而在其他部位划分粗细适宜的网格,就能够在相对合理的计算规模下得到问题的精确解答。
还有人一味地执着于划分所谓全六面体网格 ,在网格划分环节花费大量精力,甚至会因为无法划分成功而放弃计算。事实上,用带有中间节点的四面体网格,同样能够得到较高精度的解答。这一点通过六面体和四面体两种不同的网格,对同一问题分别计算就可以得到验证。计算结果准确是第一位的,网格漂亮与否并不那么重要,做分析的目标也不是追求网格好看。
误区四:认为实体单元比结构单元更精确
在选择单元类型时,有的分析人员认为实体单元更精确,而不愿意或不敢使用BEAM、SHELL等结构单元。实际上,并不是什么问题都适合于用SOLID单元来分析的,想象一下上海中心那种大型结构的整体分析场景,立刻就能够明白SOLID单元不是万能的。
梁、管、杆、壳、厚壳、弹簧等单元类型用来模拟特定结构类型,使用起来比实体单元更为有效。比如:使用BEAM单元分析框架结构、使用SHELL单元分析墙体、使用PIPE单元分析管道系统、使用LINK单元分析桁架,使用弹簧单元等效模拟连接刚度等。要正确地指定这些结构单元的特性,包括但不限于梁的横截面参数、主轴指向、截面偏移,壳的截面特性、外法线方向,弹簧刚度等。利用结构单元不仅提高了分析效率和精度,也能够很好反映实际结构受力特征。
很多人习惯于导入3D实体几何模型直接进行Mesh和计算,这也是一种认识误区。实际上,3D建模软件中建立的几何模型并不一定适合有限元分析。即便对于实体结构,也需要首先对几何模型进行清理、简化、创建印记面等准备操作,使之适合于有限元分析。对于包含梁、壳等结构单元的模型,还涉及到对薄壁实体进行抽中面、对细长实体抽梁等操作,形成表面体、线体等适合于划分为壳、梁单元的几何对象。
误区五:不重视边界条件的选取
有限元方法本身在假设单元位移模式时,要求满足完备性条件和协调性条件,因此其位移模式中必然包含刚体位移,由奇异的单元刚度矩阵组成的结构刚度矩阵也是奇异的,需要引入边界条件才能正确地解答。这个意义上来讲,有限元分析中边界条件对得到正确解答起到决定性的作用。
但是很多分析人员,尤其是初学者,往往在建模环节花费了大量精力,在施加边界条件时则较为随意。实际上,这种轻率的做法很可能导致分析结果不能反映实际情况。如下图所示的几个梁结构,其分析模型(刚度矩阵)在没有引入边界条件之前是完全相同的,但是不同的约束条件实际上对应了性质完全不同的问题。
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对于软件中的各种边界条件和荷载类型,需要弄清其实质并正确施加。比如:施加对称边界条件或反对称边界条件时,要清楚是哪些自由度受到了约束。对称条件作用于梁单元组成的结构时,对称面内的杆件刚度应根据实际情况取一半。其他约束条件类型的本质也是对节点位移自由度的约束,因此要仔细推敲所施加的边界约束,使其与实际结构受力状态相符合。由此可见,网格划分粗细引起的如果是误差,不恰当的边界约束则会直接导致分析的错误和失败。
误区六:不重视计算结果的分析
对于现在的分析软件而言,后处理操作都是非常直观的,掌握这些操作并不复杂。但是如果没有力学知识和工程背景,不了解有限元求解的原理和过程,很可能无法对计算结果的正确性做出评价,或者被一些数值计算的假象所蒙蔽,可能得到错误的认知。
有限元分析通常以位移作为基本未知量,因此后处理首先应当检查变形结果,而不是像很多人那样先看或只看应力结果。
支反力结果是根据位移结果直接导出的,可用于检查总体的平衡条件是否得到满足,也可以用来检验结构的载荷传递路径。
应变、应力结果是由节点位移导出的,且由于计算软件所采用的等参元和数值积分技术,这些结果通常只能得到积分点位置的数值。所以对于应力结果的探究,通常也有助于判断模型网格的精度。
要区分单元的应力解答和节点的应力解答,区分未平均的应力解答和平均的应力解答,区分应力集中和应力奇异。
在塑性分析的结果中,可能出现应力超出屈服应力的情况,这类情况也要进行具体的分析,比如下图所示的钢结构节点就存在显著超出屈服强度的区域。 
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总之,应力结果的后处理绝对不是简单地截取等值线图的Max值直接写入报告。


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