基于Solidworks建模技術(shù)的工程有限元仿真分析

2013-06-26 by:廣州Solidworks培訓中心來源:仿真在線

有限元仿真分析的合理性很大程度上取決于模型建立的正確性,目前在有限元仿真分析中大多采用相近或者簡略模型,因此導致計算結(jié)果與實際情況存在較大差異。應用基于Solidworks等三維設(shè)計軟件超強的建模技術(shù),實現(xiàn)與通用有限元分析軟件之間數(shù)學模型和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與傳輸,完成有限元仿真模擬前復雜模型的建立工作,彌補有限元軟件建造復雜模型方面的不足,從而實現(xiàn)有限元仿真分析的快速、準確、有效性。筆者以復雜地形條件下某單洞隧道為例,應用Solidworks方便、快速地建立隧道三維仿真模型。并利用通用有限元分析軟件與CAD/CAM程序的數(shù)據(jù)接口功能,經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后將隧道模型導入ANSYS、FLAC3D、MIDAS/GTS、COMSOL Multiphysics等多個有限元分析軟件,完成隧道仿真模型的布爾代數(shù)運算和四面體單元劃分,驗證了Solidworks實體、參數(shù)化建模技術(shù)應用于有限元仿真分析計算是切實可行的。

1 建模與分析軟件介紹
      1.1 三維CAD建模軟件—Solidworks
       Solidworks是目前應用最為廣泛的機械設(shè)計自動化(Mechanical Design Automation)軟件之一,其構(gòu)造三維模型的思路和過程與設(shè)計人員的思維過程相似,其功能強大,容易掌握,尤其以具有真正的特征造型功能而深受用戶歡迎,并且利用插件形式提供了當今市場上幾乎所有CAD軟件的輸入/輸出格式轉(zhuǎn)換器,可以很方便地與其他三維CAD軟件如proe、UG、MDT等進行數(shù)據(jù)交換。
    1.2 大型有限元仿真分析軟件
     大型通用有限元程序,它們以功能強、用戶使用方便、計算結(jié)果可靠和效率高而逐漸形成新的技術(shù)商品,成為工程計算強有力的分析工具。目前,有限元法在現(xiàn)代結(jié)構(gòu)力學、熱力學、流體力學和電磁學等許多領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用。當前,在中國工程界比較流行,被廣泛使用的大型有限元分析軟件有ANSYS、ADINA、MSC/Nastran、ABAQUS、COSMOS、ALGOR、MARC、FLACAD、MIDAS等。
     ANSYS軟件將有限元分析、計算機圖形學和優(yōu)化設(shè)計相結(jié)合,形成了比較完善的有限元分析和處理軟件。它可進行靜力分析、動力分析、熱分析、電磁分析和耦合分析等多種分析,能與多數(shù)的CAD軟件接口,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換。FLAC3D是美國ItascaConsulting Group Inc開發(fā)的連續(xù)介質(zhì)三維快速拉格朗日法分析軟件。它廣泛應用于邊坡和路基的設(shè)計和穩(wěn)定性問題、淺基和深基工程、土石壩和混凝土壩設(shè)計、隧道圍巖穩(wěn)定性評價與支護、采礦工程設(shè)計等方面,是巖土工程中的一種重要研究工具。MIDAS/GTS代表了當前工程軟件發(fā)展的最新技術(shù),在隧道工程與特殊結(jié)構(gòu)領(lǐng)域為人們提供了一個嶄新的解決方案。MIDAS/GTS可以對復雜的幾何模型進行可視化的直觀建模。另外在后處理中,它能以表格、圖形、圖表形式自動輸出簡潔實用的計算書。

2 Solidworks模型的建立過程
2.1 Solidworks建模思路
現(xiàn)在的商品化有限元程序可分成3個階段(圖1),前處理、求解和后處理。前處理是建立有限元模型,完成單元網(wǎng)格劃分,前處理參數(shù)化建模利用CAD軟件的參數(shù)化建模功能把將要參與的數(shù)據(jù)(設(shè)計變量)定義為模型參數(shù),為以后軟件修正模型提供方便。

圖1 Solidworks建模程序圖

后處理則是采集處理分析結(jié)果,使用戶能簡便提取信息,了解計算結(jié)果。將計算結(jié)果以各種形式輸出,以便于了解結(jié)構(gòu)的狀態(tài),對結(jié)構(gòu)進行數(shù)值分析。利用后處理結(jié)果能夠反演模型的材料參數(shù)、調(diào)整模型的合理仿真程度。
前處理中,當模型局部尺寸根據(jù)計算需要修改成所需大小時,由于Solidworks進行所建模型采用智能尺寸,整體模型尺寸能隨局部尺寸變化而變化,不必為整個模型重建而擔心。

2.2 隧道計算模型選取
計算模型以單洞四車道隧道為例,隧道長度取500m,隧道橫斷面:初期支護厚度為26cm、二襯厚度70cm、錨桿長度5.5m(圖2)。

圖2 隧道橫斷面示意圖(單位:cm)

      隧道橫斷面圍巖則自上而下分兩層風化地層,地層厚度約為250、100m。地表曲面起伏、圍巖長度、高度都為500m。
      應用Solidworks按照隧道實際橫斷面形狀及尺寸,選取1:200比例分別對初期支護、二次襯砌、錨桿進行三維參數(shù)化建模。
     2.3 Solidworks三維模型的建立
    (1)、隧道實體與圍巖實體參數(shù)化建模
     考慮到實體模型布爾代數(shù)運算,Solidworks建立模型時,把模型分成隧道及圍巖兩個獨立的實體,然后進行裝配得到最終復雜模型。實體生成步驟如下:
1)、進入Solidworks平臺后,導入隧道橫斷面圖(*.DXF格式)作為基準面,描繪初襯、二襯外輪廓線,再縱向拉伸出隧道實體;
2)、畫直線后沿隧道輪廓線環(huán)狀陣列、等距復制得到錨桿;
3)、在水平基準面上畫250mm×250mm矩形,向上拉伸出矩形體,再使用實際地表標高生成曲面,曲面分割矩形體得到地層1與地層2;
4)、用隧道橫斷面輪廓線縱向拉伸切除出隧道裝配位置最終得到圍巖實體。兩實體以參數(shù)化智能標注各組成部分尺寸,并且分別保存,便于模型的修改。
     (2)、智能裝配三維模型
      利用Solidworks強大的智能裝配功能,經(jīng)過拖拽和配合等命令將隧道實體與圍巖實體遵循實際相對位置裝配成整體。裝配后三維參數(shù)化模型分為4個實體,方便在有限元軟件中的布爾運算和網(wǎng)格劃分。保存模型時選擇Parasolid類型文件,以*X_t為后綴名保存,Parasolid類型文件可以實現(xiàn)Solidworks與ANSYS等有限元軟件之間的數(shù)據(jù)交換。

3 建立有限元計算模型
      現(xiàn)在的專用或通用有限元仿真分析程序在前處理部分,都設(shè)有與CAD/CAM程序包的接口,可以直接讀取這些程序產(chǎn)生的幾何模型,并允許用戶快速生成所希望的單元網(wǎng)格模型,自動進行網(wǎng)格劃分,自動輸入結(jié)點信息和單元信息,并核實用戶所確定的網(wǎng)格。
     3.1 通用有限元軟件的數(shù)據(jù)導入
      (1)、啟動ANSYS,進入平臺后點擊“File-Import-Para”,按“ok”后導入模型。導入模型顯示為線框,再點擊“Plotstyl-style-solid style-Normal Face-ting”后,模型更改為實體顯示。
    (2)、FLAC3D數(shù)據(jù)導入較為復雜,其外部導人命令為Impgrid,僅可導入*.FLAC30文本文件。利用ANSYS劃分好模型網(wǎng)格后,保存模型節(jié)點文件和單元文件,再通過轉(zhuǎn)換軟件轉(zhuǎn)換為*.FLAC3D文本文件。啟動FLAC3D,選擇“File-Impgrid--*.FLAC3D”后,實體模型則導入FLAC3D。
     (3)、MIDAS/GTS提供很好的與CAD/CAM數(shù)據(jù)接口功能,與Solidworks存在很多通用的數(shù)據(jù)格式。啟動程序后,選擇“文件-導入-Parasolid文件”,導人實體模型。
      3.2 有限元網(wǎng)格的生成方式
      通過Solidworks與通用有限元仿真軟件之間通用的數(shù)據(jù)格式,各軟件強大的數(shù)據(jù)導入和輸出功能,順利地將Solidworks所建立的三維參數(shù)化模型導人到ANSYS、FLAC3D、MIDAS/GTS等有限元計算軟件,接下來發(fā)揮各個有限元軟件網(wǎng)格劃分方面的優(yōu)勢對模型進行網(wǎng)格劃分。
     (1)、隧道三維參數(shù)化模型導入ANSYS后分成4個實體,首先給實體賦予材料參數(shù),再選擇網(wǎng)格劃分中自由劃分命令根據(jù)需要逐個對實體進行劃分,網(wǎng)格生成后模型在連接面上的相應節(jié)點的耦合較好。
     (2)、FLAC3D網(wǎng)格和模型的建立同時完成,而且網(wǎng)格與模型的形狀相統(tǒng)一。由于模型經(jīng)過ANSYS劃分好模型網(wǎng)格再導入,所以其模型網(wǎng)格與ANSYS中模型網(wǎng)格類似。
    (3)、MIDAS/GTS具有強大自動網(wǎng)格劃分功能,可以根據(jù)不同實體選擇不同的網(wǎng)格大小。網(wǎng)格劃分時選擇“網(wǎng)格一自由劃分網(wǎng)格”命令,在彈出對話框中選擇網(wǎng)格尺寸及實體。

4 計算結(jié)果反饋
隧道模型經(jīng)過各通用有限元軟件網(wǎng)格劃分后,發(fā)揮各自強大的后處理分析功能,根據(jù)需要分析各類線性和非線性問題。在MIDAS/GTS中對隧道進行簡單分析,計算隧道在自重作用下的位移。首先設(shè)置模型各實體本構(gòu)關(guān)系與計算參數(shù),再定義邊界條件和分析類型。分析結(jié)束后,可選擇不同的模式查看計算結(jié)果。
圖3為沉降計算結(jié)果云圖,當計算結(jié)果偏離實際情況時,即可反饋到計算模型。首先調(diào)整計算參數(shù),其次也可修改實體模型尺寸。由于在Solidworks中建立了智能參數(shù)化模型,模型尺寸修改非常方便,可根據(jù)需要調(diào)整圍巖、初襯、二襯、錨桿等尺寸。

圖3 MIDAS/GTS計算結(jié)果云圖(單位:m)

5 結(jié)語
      (1)、復雜隧道所需的有限元仿真模擬模型可通過三維造型軟件Solidworks實體、參數(shù)化建模,智能裝配后實現(xiàn)。
     (2)、利用Solidworks與大部分商業(yè)化通用有限元軟件共享數(shù)據(jù)格式,通過CAD/CAM接口程序?qū)?可強化ANSYS、FLAC3D等有限元分析軟件前處理的建模功能。
     (3)、隧道數(shù)值仿真模擬計算結(jié)束后,將其結(jié)果信息反饋給Solidworks中參數(shù)化模型,調(diào)整模型后再導人分析軟件計算,可實現(xiàn)模型與結(jié)果之間的信息互饋。

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