1 前言
　　1.1 玻璃面板結構承載力設計
　　玻璃面板是建筑幕墻的主要結構構件，一方面起到圍護結構的作用，另一方面承擔傳遞風荷載和其它荷載的作用。近年來頻繁反生玻璃墜落傷人事故，因此對其進行可靠的數值模擬計算至關重要。我國現行規范[4]對玻璃的計算提出了數值計算方法，并通過折減系數修正小撓度理論與實際工程的偏差。但彎曲應力和撓度采用相同的折減系數與客觀實際存在誤差，因此對于較大工程或重要工程需采用更為精確的方法進行計算，本文以四邊簡支矩形板為例，探討ANSYS有限元方法對玻璃承載力的數值模擬技術。

關于任意三角形等異形玻璃面板的承載力計算，可參照文獻[1,5]進行。

　　1.2 ANSYS軟件進行有限元分析的方法
　　計算機輔助工程技術（CAE）已經得到越來越廣泛的使用，CAE的技術種類有很多，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用的領域，而其中有限元法應用的領域越來越廣，現已應用于結構靜力學、結構動力學、熱力學、流體力學、電路學、電磁學等領域。目前常用的分析軟件有ANSYS、SAP2000、ETABS、STAAD、MIDAS和MIDAS等，國產軟件主要有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語言方法和通過Workbench的DesignModeler建模分析方法。

　　GUI可視化分析方法比較傳統，有很多資料可供參考[2]，對有限元分析的控制比較細致，但學起來比較復雜，可視化效果也不夠理想。

　　APDL語言分析方法是由類似于FORTRAN 77 的程序設計語言部分和1000多條ANSYS命令組成。具有參數、數組表達式、函數、流程控制（循環與分支）、重復執行命令、縮寫、宏及用戶程序等。通過APDL命令流將ANSYS 命令組織起來，編寫出參數化的用戶程序，進行參數化建模，并能實現有限元分析的全過程。該方法很復雜，但能夠對有限元分析各個環節的細節進行控制，是具有專業水準的分析方法。

　　ANSYS Workbench及其組成模塊分析方法是近些年發展起來的可視化有限元分析技術，能夠用來解決復雜的實際工程問題。它的主界面引入了工程流程圖的概念，通過各個分析系統間的連接，將數值模擬過程結合在一起，每個相對獨立分析系統的數值模擬過程一般是采用簡化假定或者真實的物理模型，將CAD模型構造成有限元網格模型，再通過施加載荷和邊界條件后運行求解得到分析結果，分析系統之間通過共同變量建立關聯。

　　1.3 ANSYS Workbench分析方法的特點
　　（1）Ansys Workbench 是一個CAE開發平臺。是一種全新的人性化界面操作系統，建模與網格劃分比經典方法方便，比較適合工程設計人員，而經典分析方法更適合專業FEA人員。

　　（2）Workbench中網格劃分只能是自由劃分，不宜對其細節進行控制。

　　（3）計算結果有小的差別，Workbench和經典默認的算法有所不同，Workbench默認的PCG算法,而經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Mechanical，優化工具DesignXplorer等，且能夠方便的切換到經典環境。

　　1.4 玻璃幕墻結構分析用單元
　　在建筑幕墻行業，分析面板承載力時一般選擇Shell單元或Solid單元，分析桿件和索結構時采用Link單元，但在Ansys的高版本中，對這些單元不再支持[2]，應采用代用單元。表1列出與幕墻分析相關的單元代用方法。

　　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節點梁
　　Beam23
　　Beam54
　　Link單元 Link8 Link180 分析索桿結構
　　Link10

　　2 玻璃面板結構建模
　　2.1 ANSYS Workbench有限元分析的一般過程[2,3]
ANSYS Workbench通常被稱為“傻瓜”版有限元分析系統，能夠容易地解決不同分析類型的工程問題，比如靜力分析、動力分析、自由振動等。其主要流程：

　　（1）選擇工程問題的分析類型，將分析系統加入工程流程圖。

　　（2）定義材料屬性。可利用提供的工程材料庫導入，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接口導入幾何模型。目前Ansys支持的CAD系統有Catia、ProE、Solidwork、UG、SolidEdge和AutoCAD等。在進行有限元分析時，可以把符合要求的CAD模型直接導入ANSYS 進行分析。

　　（4）施加載荷、邊界條件，設置結果處理要求。

　　（5）求解并出具限元數值模擬分析報告。

　　2.2 玻璃面板建模數據
　　玻璃尺寸2000x1000x6mm，泊松比0.2，彈性模量7.2E10Pa，風荷載分別為：0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，4.5，5.0kPa。計算方法采用小撓度理論和大撓度理論分別進行分析。

　　3 計算結果及ANSYS不同單元的比較
　　本文采用ANSYS Workbench V14.0對玻璃面板進行建模，分別采用Shell63、Shell181和Solid186單元進行模擬計算，并考慮了非線性的影響，試驗及計算結果見表2和表3。不難看出：　　　　　　（1）考慮幾何非線性的計算結果與試驗值比較接近，能夠比較準確地反應客觀實際。（2）線性解隨荷載的進一步加大，與試驗值的偏差也逐步加大。（3）三類單元Shell63、Shell181和Solid186的結果相差不大，均能滿足工程設計要求，因此可以采用系統默認單元設置進行有限元分析。

　　4 ANSYS Workbench結構分析實用技術
　　4.1 玻璃面板計算分析單元的選擇
　　在對幾何模型網格劃分時，需要指定單元類型，通常玻璃的厚度與短邊長度的比值小于0.1 時，應采用SHELL單元。使用SHELL單元模擬薄的實體結構，可以降低模型的計算規模，而且精度滿足要求，因此習慣上采用SHELL63單元（4節點）進行玻璃面板的有限元分析。SOLID單元功能比較強大（SOLID187是10節點六面體，SOLID186是20節點六面體），也可以被采用，尤其是在計算技術的提高和計算計硬件的升級支持下，采用SOLID單元，更能體現有限元分析的優越性。

　　4.2 插入APDL命令流
　　APDL命令流是ANSYS軟件系統的精華，在Geometry，Contact，Environment和Solution下均可進行插入。能將APDL的靈活高效和Mechanicl的快捷相結合，是熟悉APDL開發者的高效接口。能夠完成的有用功能有:替換系統缺省的單元、控制計算結果的讀取、進行附加的計算等。

　　4.3 通過PATH監視計算結果
　　對起重要作用的計算結果，可以指定路徑PATH，用來表征結果的變化，并提取其最大值和最小值，實現顯示及打印。

　　4.4 變量參數集的使用
　　在ANSYS Workbench中，設置了變量參數集，可以在Workbench中進行設定，在分析時自動采用，不用對其MODEL的設置進行修改，這樣保證建模數據比較固定。通過變量參數集，還可以將模型中的數據進行輸出，便于調試和參數化設計。

　　4.5 安全系數工具的使用
　　在后處理中，Tools提供了Stress Tool，能夠將應力以安全系數的形式進行云圖顯示，很容易檢查到玻璃應力分布的薄弱部位。

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

　　5 結論
　　5.1 采用線性有限元分析方法，得到的結果較實際保守，因此可以考慮玻璃面板的幾何非線性影響。規范[4]中規定的折減系數是必要的。

　　5.2 Shell單元和Solid單元分析結果比較接近。在工程應用過程中可以采用Ansys系統默認的單元進行分析。

　　5.3 ANSYS Workbench適合于工程分析，與ANSYS經典分析方法相比，更為簡單，求解效率更高，但相對來講功能比較簡單，因此采用插入APDL命令流的方法，實現能夠有效擴充分析功能，進行細節控制，滿足不同工程的需要。

　　【參考文獻】
　　1姜仁，任意三角形玻璃面板彎曲問題研究，2009年全國門窗幕墻年會論文集，2009.3
　　2 張朝輝，ANSYS 12.0結構分析工程應用實例解析（第3版），機械工業出版社，2010.1
　　3 浦廣益等，ANSYS Workbench 12 基礎教程與實例詳解，中國水利水電出版社，2010.10
　　4 JGJ102-2003《玻璃幕墻工程技術規范》，中國建筑工業出版社，2003.10
　　5 劉正權 姜仁，APDL參數化有限元分析技術在點支式玻璃幕墻設計中的應用，建筑科學，2006,22(1)