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(lèi)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(lèi)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(xiě)、宏及用戶(hù)程序等。通過(guò)APDL命令流將ANSYS 命令組織起來(lái)，編寫(xiě)出參數(shù)化的用戶(hù)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�分析各個(gè)環(huán)節(jié)的細(xì)節(jié)進(jìn)行控制，是具有專(zhuān)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(zhuān)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。

　　不再支持的單元 推薦代用的單元 適用分析類(lèi)型
　　Shell單元 Shell41
　　Shell181
　　玻璃、金屬、陶瓷等面板
　　Shell43
　　Shell63
　　Shell91 Shell281 多層殼
　　Shell93
　　Shell99
　　Beam單元 Beam3、Beam4 Beam188 空間2節(jié)點(diǎn)梁
　　Beam23
　　Beam54
　　Link單元 Link8 Link180 分析索桿結(jié)構(gòu)
　　Link10

　　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(chēng)為“傻瓜”版有限元分析系統(tǒng)，能夠容易地解決不同分析類(lèi)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(lèi)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。

　　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。（2）線性解隨荷載的進(jìn)一步加大，與試驗(yàn)值的偏差也逐步加大。（3）三類(lèi)單元Shell63、Shell181和Solid186的結(jié)果相差不大，均能滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)要求，因此可以采用系統(tǒng)默認(rèn)單元設(shè)置進(jìn)行有限元分析。

　　4 ANSYS Workbench結(jié)構(gòu)分析實(shí)用技術(shù)
　　4.1 玻璃面板計(jì)算分析單元的選擇
　　在對(duì)幾何模型網(wǎng)格劃分時(shí)，需要指定單元類(lèi)型，通常玻璃的厚度與短邊長(zhǎng)度的比值小于0.1 時(shí)，應(yīng)采用SHELL單元。使用SHELL單元模擬薄的實(shí)體結(jié)構(gòu)，可以降低模型的計(jì)算規(guī)模，而且精度滿(mǎn)足要求，因此習(xí)慣上采用SHELL63單元（4節(jié)點(diǎn)）進(jìn)行玻璃面板的有限元分析。SOLID單元功能比較強(qiáng)大（SOLID187是10節(jié)點(diǎn)六面體，SOLID186是20節(jié)點(diǎn)六面體），也可以被采用，尤其是在計(jì)算技術(shù)的提高和計(jì)算計(jì)硬件的升級(jí)支持下，采用SOLID單元，更能體現(xiàn)有限元分析的優(yōu)越性。

　　4.2 插入APDL命令流
　　APDL命令流是ANSYS軟件系統(tǒng)的精華，在Geometry，Contact，Environment和Solution下均可進(jìn)行插入。能將APDL的靈活高效和Mechanicl的快捷相結(jié)合，是熟悉APDL開(kāi)發(fā)者的高效接口。能夠完成的有用功能有:替換系統(tǒng)缺省的單元、控制計(jì)算結(jié)果的讀取、進(jìn)行附加的計(jì)算等。

　　4.3 通過(guò)PATH監(jiān)視計(jì)算結(jié)果
　　對(duì)起重要作用的計(jì)算結(jié)果，可以指定路徑PATH，用來(lái)表征結(jié)果的變化，并提取其最大值和最小值，實(shí)現(xiàn)顯示及打印。

　　4.4 變量參數(shù)集的使用
　　在ANSYS Workbench中，設(shè)置了變量參數(shù)集，可以在Workbench中進(jìn)行設(shè)定，在分析時(shí)自動(dòng)采用，不用對(duì)其MODEL的設(shè)置進(jìn)行修改，這樣保證建模數(shù)據(jù)比較固定。通過(guò)變量參數(shù)集，還可以將模型中的數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出，便于調(diào)試和參數(shù)化設(shè)計(jì)。

　　4.5 安全系數(shù)工具的使用
　　在后處理中，Tools提供了Stress Tool，能夠?qū)?a href='../../zsk/ct.asp?id=6237' target='_blank' style='font-size:1em; border-bottom:1px dotted blue;'>應(yīng)力以安全系數(shù)的形式進(jìn)行云圖顯示，很容易檢查到玻璃應(yīng)力分布的薄弱部位。

　　4.6 充分利用CAD圖形接口
　　Ansys提供很多CAD軟件的圖形導(dǎo)入功能，如果不能直接導(dǎo)入，可在宿主CAD中將模型轉(zhuǎn)存為通用文件，如IEGS、DWG文件等。比如Rhino模型的3dm文件，即可采用IEGS格式進(jìn)行導(dǎo)入。

　　5 結(jié)論
　　5.1 采用線性有限元分析方法，得到的結(jié)果較實(shí)際保守，因此可以考慮玻璃面板的幾何非線性影響。規(guī)范[4]中規(guī)定的折減系數(shù)是必要的。

　　5.2 Shell單元和Solid單元分析結(jié)果比較接近。在工程應(yīng)用過(guò)程中可以采用Ansys系統(tǒng)默認(rèn)的單元進(jìn)行分析。

　　5.3 ANSYS Workbench適合于工程分析，與ANSYS經(jīng)典分析方法相比，更為簡(jiǎn)單，求解效率更高，但相對(duì)來(lái)講功能比較簡(jiǎn)單，因此采用插入APDL命令流的方法，實(shí)現(xiàn)能夠有效擴(kuò)充分析功能，進(jìn)行細(xì)節(jié)控制，滿(mǎn)足不同工程的需要。

　　【參考文獻(xiàn)】
　　1姜仁，任意三角形玻璃面板彎曲問(wèn)題研究，2009年全國(guó)門(mén)窗幕墻年會(huì)論文集，2009.3
　　2 張朝輝，ANSYS 12.0結(jié)構(gòu)分析工程應(yīng)用實(shí)例解析（第3版），機(jī)械工業(yè)出版社，2010.1
　　3 浦廣益等，ANSYS Workbench 12 基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解，中國(guó)水利水電出版社，2010.10
　　4 JGJ102-2003《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》，中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003.10
　　5 劉正權(quán) 姜仁，APDL參數(shù)化有限元分析技術(shù)在點(diǎn)支式玻璃幕墻設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，建筑科學(xué)，2006,22(1)