1 前言
1.1
玻璃面板結(jié)構(gòu)
承載力設(shè)計(jì)
玻璃
面板是
建筑幕墻的主要
結(jié)構(gòu)構(gòu)件，一方面起到
圍護(hù)結(jié)構(gòu)的作用，另一方面承擔(dān)傳遞
風(fēng)荷載和其它
荷載的作用。近年來(lái)頻繁反生玻璃墜落傷人事故，因此對(duì)其進(jìn)行可靠的數(shù)值模擬計(jì)算至關(guān)重要。我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范[4]對(duì)玻璃的計(jì)算提出了數(shù)值計(jì)算方法，并通過(guò)折減系數(shù)修正小
撓度理論與實(shí)際工程的偏差。但
彎曲應(yīng)力和撓度采用相同的折減系數(shù)與客觀實(shí)際存在誤差，因此對(duì)于較大工程或重要工程需采用更為精確的方法進(jìn)行計(jì)算，本文以四邊簡(jiǎn)支矩形板為例，探討ANSYS
有限元方法對(duì)玻璃承載力的數(shù)值模擬技術(shù)。
關(guān)于任意三角形等異形玻璃面板的承載力計(jì)算，可參照文獻(xiàn)[1,5]進(jìn)行。
1.2 ANSYS軟件進(jìn)行
有限元分析的方法
計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)（
CAE）已經(jīng)得到越來(lái)越廣泛的使用，CAE的技術(shù)種類有很多，其中包括
有限元法（FEM）、
邊界元法（BEM）和
有限差分法（FDM）等。每一種方法各有其應(yīng)用的領(lǐng)域，而其中有限元法應(yīng)用的領(lǐng)域越來(lái)越廣，現(xiàn)已應(yīng)用于結(jié)構(gòu)靜力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、流體力學(xué)、電路學(xué)、電磁學(xué)等領(lǐng)域。目前常用的分析軟件有ANSYS、SAP2000、ETABS、STAAD、MIDAS和MIDAS等，國(guó)產(chǎn)軟件主要有PKPM、3D3S和MTS等。
在ANSYS的高版本中，提供多種建模分析手段，比較常用的方法有：GUI可視化方法、APDL語(yǔ)言方法和通過(guò)Workbench的DesignModeler建模分析方法。
GUI可視化分析方法比較傳統(tǒng)，有很多資料可供參考[2]，對(duì)有限元分析的控制比較細(xì)致，但學(xué)起來(lái)比較復(fù)雜，可視化效果也不夠理想。
APDL語(yǔ)言分析方法是由類似于FORTRAN 77 的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言部分和1000多條ANSYS命令組成。具有參數(shù)、數(shù)組表達(dá)式、函數(shù)、流程控制（循環(huán)與分支）、重復(fù)執(zhí)行命令、縮寫、宏及用戶程序等。通過(guò)APDL命令流將ANSYS 命令組織起來(lái)，編寫出參數(shù)化的用戶程序，進(jìn)行參數(shù)化建模，并能實(shí)現(xiàn)有限元分析的全過(guò)程。該方法很復(fù)雜，但能夠?qū)τ邢拊治龈鱾�(gè)環(huán)節(jié)的細(xì)節(jié)進(jìn)行控制，是具有專業(yè)水準(zhǔn)的分析方法。
ANSYS Workbench及其組成模塊分析方法是近些年發(fā)展起來(lái)的可視化有限元分析技術(shù)，能夠用來(lái)解決復(fù)雜的實(shí)際工程問(wèn)題。它的主界面引入了工程流程圖的概念，通過(guò)各個(gè)分析系統(tǒng)間的連接，將數(shù)值模擬過(guò)程結(jié)合在一起，每個(gè)相對(duì)獨(dú)立分析系統(tǒng)的數(shù)值模擬過(guò)程一般是采用簡(jiǎn)化假定或者真實(shí)的物理模型，將
CAD模型構(gòu)造成有限元網(wǎng)格模型，再通過(guò)施加載荷和邊界條件后運(yùn)行求解得到分析結(jié)果，分析系統(tǒng)之間通過(guò)共同變量建立關(guān)聯(lián)。
1.3 ANSYS Workbench分析方法的特點(diǎn)
(1)Ansys Workbench 是一個(gè)CAE開(kāi)發(fā)平臺(tái)。是一種全新的人性化界面操作系統(tǒng)，建模與網(wǎng)格劃分比經(jīng)典方法方便，比較適合工程設(shè)計(jì)人員，而經(jīng)典分析方法更適合專業(yè)FEA人員。
(2)Workbench中網(wǎng)格劃分只能是自由劃分，不宜對(duì)其細(xì)節(jié)進(jìn)行控制。
(3)計(jì)算結(jié)果有小的差別，Workbench和經(jīng)典默認(rèn)的算法有所不同，Workbench默認(rèn)的PCG算法,而經(jīng)典分析方法是消元法。
(4)Workbench包括CAE建模工具DesignModeler，靜力分析工具M(jìn)echanical，優(yōu)化工具DesignXplorer等，且能夠方便的切換到經(jīng)典環(huán)境。
1.4
玻璃幕墻結(jié)構(gòu)分析用單元
在建筑幕墻行業(yè)，分析面板承載力時(shí)一般選擇Shell單元或Solid單元，分析
桿件和索結(jié)構(gòu)時(shí)采用Link單元，但在Ansys的高版本中，對(duì)這些單元不再支持[2]，應(yīng)采用代用單元。表1列出與幕墻分析相關(guān)的單元代用方法。
2 玻璃面板結(jié)構(gòu)建模
2.1 ANSYS Workbench有限元分析的一般過(guò)程[2,3]
ANSYS Workbench通常被稱為“傻瓜”版有限元分析系統(tǒng)，能夠容易地解決不同分析類型的工程問(wèn)題，比如靜力分析、動(dòng)力分析、自由振動(dòng)等。其主要流程：
(1)選擇工程問(wèn)題的分析類型，將分析系統(tǒng)加入工程流程圖。
(2)定義材料屬性。可利用提供的工程材料庫(kù)導(dǎo)入，也可以自定義材料屬性，比如玻璃的屬性。
(3)采用DesignModeler建立幾何模型或CAD接口導(dǎo)入幾何模型。目前Ansys支持的CAD系統(tǒng)有Catia、ProE、Solidwork、UG、SolidEdge和AutoCAD等。在進(jìn)行有限元分析時(shí)，可以把符合要求的CAD模型直接導(dǎo)入ANSYS 進(jìn)行分析。
(4)施加載荷、邊界條件，設(shè)置結(jié)果處理要求。
(5)求解并出具限元數(shù)值模擬分析報(bào)告。
2.2 玻璃面板建模數(shù)據(jù)
玻璃尺寸2000x1000x6mm，
泊松比0.2，
彈性模量7.2E10Pa，風(fēng)荷載分別為：0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，4.5，5.0kPa。計(jì)算方法采用小撓度理論和大撓度理論分別進(jìn)行分析。分析云圖見(jiàn)圖1和圖2。
3 計(jì)算結(jié)果及ANSYS不同單元的比較
本文采用ANSYS Workbench V14.0對(duì)玻璃面板進(jìn)行建模，分別采用Shell63、Shell181和Solid186單元進(jìn)行模擬計(jì)算，并考慮了
非線性的影響，試驗(yàn)及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2和表3。不難看出：
(1)考慮幾何非線性的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值比較接近，能夠比較準(zhǔn)確地反應(yīng)客觀實(shí)際。
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