1、基于 ANSYS 的工程结构仿真试验研究王建祥 苏枋 李双喜 于建军（新疆农业大学水利与土木工程学院 .新疆农业大学实验室与基地管理处 河北科技师范学院土木建筑系）摘 要：针对实验教学设备的不足，介绍了仿真试验的诸多优点：能够弥补实验室硬件条件的局限；具有可以节约大量的人力、物力和财力；同样的试验可以重复做多次，且缩尺模型试验不具有“失真”效应等。根据仿真试验的思路，利用 ANSYS 软件对 L 形短肢剪力墙进行了承载能力分析。仿真试验不仅拓宽了实验教学的空间，而且为学生创新能力和科研能力提供了有利的途径。关键词：ANSYS 工程结构 仿真试验 研究计算机仿真是对自然现象、系统工程、运动规律以
2、至人脑思维等客观世界进行逼真的模拟。这种仿真是数值模拟进一步发展的必然结果。随着计算机科学的发展，仿真技术已经广泛地应用于航天、航空系统、交通运输系统、库存系统、市场预测系统等各个领域中，并取得了明显的效果。现在钢筋混凝土有限元理论已广泛应用于土木工程领域，这方面发展越来越迅速，而大型的通用有限元软件也随之产生，如：ANSYS、SAP、NASTRAN 等 1。结构试验在“混凝土结构理论”的诞生和发展过程中起着不可估量的作用。目前世界各国的混凝土结构设计规范都是以大量的试验数据为基础而建立起来的。体型特殊、结构复杂的混凝土结构物往往还要通过整体结构的模型试验来验证设计理论、改进设计方法。在结构试
3、验教学中，仿真试验弥补实验设备的不足，使结构实验教学具有系统性、设计性和科学研究性，为培养学生动手能力和创新能力提供了一个好的平台 2,3。所以近年来，计算机仿真技术在结构工程中的应用日益普遍。一、计算机仿真试验的优点计算机仿真试验具有以下优点：1、模拟试验系统提供仿真的试验环境和设备条件，弥补实际实验室硬件条件的局限，减少试验设备投入，缓解了试验时间和空间的限制以及实验设备的矛盾，而且不会因操作失误而损坏仪器设备。2、计算机仿真是利用计算机模型进行试验，它具有利用模型进行试验的一系列优点，费用低、且易于进行真实系统难以实现的各种试验等。3、有些系统的模型难以用一般的数学形式表达；有的虽然能用
4、数学形式表达，但没有解析方法求解；有的虽然有解析解，但其数学过程过于复杂、计算量过大，往往需要耗费大量的人力、物力和财力，同样的试验很难重复做多次，且缩尺模型试验具有“失真”效应。用计算机仿真则不受这些限制，从而便于仿真技术的推广。正因为有以上一系列优点，计算机仿真已经成为科学研究的一个重要方法。二、结构仿真试验的基本思路仿真技术实质上就是建立仿真模型和进行仿真试验的技术。计算机仿真的过程一般有三个步骤（图 1）：第一步，建立仿真模型。第二步，在计算机上开发仿真系统。第三步，应用计算机仿真系统进行仿真实验。结构仿真分析必须有三个条件：（1）有关材料的本构关系，或物理模型，这可以由小尺寸试件的性
5、能得到。 （2）有效的数值方法，如差分法，有限元法。 （3）丰富的图形显示软件及各种视景系统。基于这三个条件的仿真分析思路，见图 2。2图 1 仿真试验的一般过程 图 2 仿真试验的基本思路对于有些宏观的结构分析，或对具有随机性、模糊性的事件或物理量，难以通过本构关系、微分方程等精细的数学方法去描述，这时可借助于更广义的数学模型。这种数学模型是在大量实验数据或调研数据的基础上，抓住了问题的基本规则而建立起来的。这些数学模型也常用于仿真分析。图形仿真并不是传统意义上的数值计算的图形后处理，后处理仅仅是把数值计算得到的数据用图形的方式表现出来。而由于在数值仿真中总是在不同程度上作了模型简化，特别是
6、对于大型复杂结构的分析而言，不可能对每一个构件作精细的模拟，因而数值仿真模型简化程度越高，可供描述现象的数据信息也就越少，仅仅依靠这些信息，在大多数情形下都难以满足现象描述的需要。图形仿真必须是很具体的，只有把结构各局部的变形、破坏过程描述出来，才能得到整体的变形、破坏过程。因此，与数值仿真相比，对于图形仿真而言，建模同样是必须的。由于图形仿真的对象（如构件开裂）大多不确定，且影响因素很多，因此图形仿真的建模方法更多地应采用专家系统、人工智能和模糊理论的建模方法，并与数值仿真的数学模型紧密结合，充分利用数值仿真的结果。混凝土结构荷载-变形关系的计算机仿真分析方法，按材料性能和变形特征可分为线性
7、分析方法和非线性分析方法。线性分析只适用于结构开裂前且为小变形时的情况；结构开裂后或为大变形时则应采用非线性的分析方法（非线性包括材料非线性和几何非线性） 。按加载方式又可分为静力分析方法和动力分析方法。破坏过程的计算机仿真可以反映结构的薄弱部位、破坏机理和破坏特征，为结构方案的比较、结构性能的评估、事故原因的分析、结构的修复和加固提供必要的理论依据。结构破坏过程的计算机仿真一般是通过数值分析和图形动画系统对结构损伤发展的过程进行模拟，因而它比荷载-变形关系的计算机仿真要复杂得多。近年来离散单元法已用于破损结构的数值分析，并已取得了一些应用成果。通用有限元软件 ANSYS，由于其编程简单，功能
8、强大，而且还具有可视化的图形用户界面开发环境，得到高校和科研单位广泛使用。为我们提供了具有推广价值的虚拟试验开发平台。本文以 L 形短肢剪力墙为例，应用 ANSYS 建立 L 形短肢剪力墙模型，并进行了承载力仿真试验。三、基于 ANSYS 的结构仿真试验设计（一） ANSYS 的主要组成及功能 4,5ANSYS 软件主要包括三个部分：前处理模块 PREP7、求解模块SOLUTION 及后处理模块 POST1 和 POST26。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型。该模块主要有实体建模和网格划分两部分内容。前处理阶段完成建模以后，用户可以在求解阶段获得分
9、析结果。ANSYS 软件的后处理过程包括两个部分：通用后处理模块 POST1 和时间历程后处理模块POST26。通过友好的用户界面，可以容易获得求解过程的计算结果并对其进行显示。（二）仿真试验模型采用 ANSYS 三维实体单元 SOLID656建立 L 形短肢剪力墙试件的有限元模型，墙肢及翼墙截面厚度均为 200mm，试件设计模型尺3寸见图 1。试件比例为 1:1，钢筋混凝土采用整体式模型。 在结构的试验模型中，为避免混凝土在加载时由于应力集中而发生压碎破坏，故在试件上方设置了与试件平面尺寸 图 3 试件模型相同的刚性梁。把竖向荷载和水平荷载均施加在刚性梁上，由刚性梁把力传给试件。并认为刚性梁
10、和试件在x、y 和 z 三个方向上位移协调，无相对滑移。即可视为一个物体，只是在物体的不同部分分别具有各自的材料特性。 （图 3） 。（三）材料性能 试验中的钢筋采用 HPB235（Q235）普通钢筋（表 1） ，采用 C30 混凝土，其材料性能由文献7确定。表 1 试验采用钢筋材料性能 钢筋种类 强度标准值（ ）2/mN强度设计值（ ）2/mN弹性模量( )25/10mNHPB235（Q235） 235 210 2.1（四）仿真试验采用的本构关系有限元方法的准确性受许多因素的影响，如单元形式、网格划分的大小、计算算法的选择和计算精度等影响。故采用空间单元形式对其进行有限元计算。在划分网格时，
11、把一个构件划分成了上千个单元，计算精度已经达到了准确性的要求。所以，在选择混凝土的应力应变关系时，采用文献7中的混凝土受压的本构关系（图 4） 。 （五）边界条件及加载方式在仿真试验时，就变形而言，在楼层范围内，短肢剪力墙的两个端截面由于受平面内刚度极大的上下层楼盖体系的约束，其变形主要为竖向压缩和端截面横向相对侧移，其中竖向荷载引起的压缩变形及应力 图 4 混凝土本构关系可视为均匀分布，属于简单静定问题。而构件两端截面相对侧移最能反映构件在实际结构体系中的横向工作状态，可将构件复杂的力学边界条件以简单的位移边界条件替代 8。剪力墙分析模型的底端被完全约束。仿真试验采用推覆分析方法。首先，在刚
12、性梁上施加轴向荷载，该数值大小由试验设计的轴压比大小确定。在整个试验过程中，保持轴向荷载数值不变。随后,在 Y 轴负方向，在剪力墙顶部的刚性梁上逐步加载水平荷载，直到试件最终破坏。四、仿真试验结果分析（一）仿真试验结果通过逐渐增大轴压比和配筋率，对试件分别进行仿真试验后，确定轴压比和截面配筋率对 L形短肢剪力墙开裂荷载和极限荷载的影响曲线，见图 5。(a) (b)图 5 轴压比和截面配筋率对 L 形短肢剪力墙开裂荷载、极限荷载的影响（二）试验结果分析试件开始时处于竖向轴压力和逐级增加水平集中力作用下，轴压力使试件截面处于受压状态。由于 L 形短肢剪力墙试件形状不对称，所以试件顶部在受到水平集中
13、力作用下会发生扭转，在试件横截面内产生转矩，使试件横截面产生转动；同时水平集中力在试件的纵截面内产生弯矩，使试o ucE4件一边受拉，一边受压,使试件处于复杂应力状态下。当试件横截面发生转动后，由于竖向轴压力的作用方向始终与试件顶面保持垂直，这样轴压力将产生附加弯矩，试件处于偏心受压状态；仿真试验表明试件在水平力作用下在横截面内产生顺时针方向的转矩，试件发生顺时针方向的转动，于是 图 6 破坏状态轴压力将使与作用外力垂直的墙体内侧受拉，外侧受压。而使与外力作用方向相同的此墙体外侧受拉，内侧受压。水平力产生的弯矩同时对试件也产生作用，它使与外力作用方向相同的墙体一侧受拉，一侧受压。随着水平力的增
14、加，这三种作用力对试件产生应力大小和方向都发生了改变，最终使试件横截面上出现了拉应力区和压应力区。混凝土极限的抗压强度比极限抗拉强度大得多，故当试件截面上拉应力大于混凝土的极限拉应力时，裂缝出现，开裂位置的混凝土失去作用，开裂处全部拉应力开始由钢筋承担。结果导致钢筋拉应力急剧上升，发生破坏（图6、7） 。 从上述结果分析表明，不同影响因素对试件承载能力影响程度存在差异。 图 7 破坏时截面应力状态1、轴压比对试件既产生压应力，也产生拉应力，其对试件开裂荷载和极限荷载的影响最终取决于这两种作用的强弱。试验表明，随着轴压比的增加，开裂荷载和极限荷载同时增加，但极限荷载增加趋势在减缓，见图 3（a）
15、 。说明轴压比的反作用产生的拉应力越来越强，开裂荷载的增加趋势保持相同，说明在没有出现裂缝前，轴压比对试件产生的拉应力很小，轴压比对试件产生的压应力可以使试件的开裂荷载增加。 2、试件的开裂荷载的大小主要由混凝土的极限抗拉强度决定，所以当增加截面配筋率时，开裂荷载变化不大，即要想只通过提高配筋率来提高开裂荷载是行不通的。钢筋受拉能力大小是影响试件极限荷载的重要因素，但随着钢筋的增加，试件极限荷载却不是一直增加，而是出现了下降段，见图 3（b） 。因为当水平作用力很大时，受拉区混凝土在完全丧失承担拉应力的能力后，全部拉应力突然由钢筋承担，造成钢筋拉应力急剧上升，钢筋出现塑性变形而迅速断裂，发生破
16、坏。五、结束语计算机仿真是利用计算机模型进行试验，它具有利用模型进行试验的一系列优点，提供仿真的试验环境和设备条件，弥补了实验室硬件条件的局限，减少试验设备投入，缓解了实验设备的矛盾。而且费用低、且易于进行真实系统难以实现的各种试验等。在结构试验中，尤其是大型结构的试验可以节约大量的人力、物力和财力，同样的试验还可以重复做多次，且缩尺模型试验不具有“失真”效应。因此随着高校、科研单位和工程界的日益重视和广泛使用，以及计算机技术的发展和软件语言处理水平的提高，仿真试验在处理实际工程和实验教学中将具有更为广阔的发展前景。参考文献：1 顾祥林,孙飞飞.混凝土结构的计算机仿真M.上海:同济大学出版社,
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