ANSYS单元生死功能在某楼层浇筑过程模拟中的应用

        单元生死是大型通用有限元软件中一种较为常用的功能。在ANSYS中，单元生死功能是通过对单元刚度的重新赋值实现的。单元被“杀死”时,它不是从刚度矩阵删除了,而是它的刚度降为一个低值。杀死的单元的刚度乘以一个极小的减缩系数(缺省为 1e-6)。该功能在土木建筑中，通常用于施工过程的模拟。

        本文以某楼层浇筑为例，说明ANSYS单元生死功能在施工过程模拟中的应用以及在使用该功能过程中的一些注意事项。

        如图所示楼层，实际施工中为分块浇注。首先浇注中间部分（红色），然后浇注支撑处部分（白色）。 为考虑浇筑顺序对结构最终应力分布的影响，采用ANSYS模拟其浇筑过程，分别计算整体一次性浇筑与分批次浇筑。

        计算思路如下：

        模架采用梁单元模拟，混凝土采用板单元模拟，此处只是为了说明采用单元生死的一般步骤，故结构简单化处理。

        整体浇筑：第一步，首先计算结构模架在自重作用下的变形，并杀死所有板单元；第二步，激活所有板单元，模拟其在一次性浇筑情况下的应力反应。

        分批次浇筑：第一步，计算模架自重变形，杀死所有板单元；第二步，杀死支撑处单元（白色），计算结构在浇筑中间部分混凝土时的结构反应；第三步，激活支撑处单元，计算结构反应。

        命令流如下：       

finish

/clear

/prep7

ET,1,BEAM3 

ET,2,PLANE42 

R,1,0.25,1E-2,0.5 

MP,EX,1,210E9 

MP,NUXY,1,0.3 

MP,DENS,1,7800 

MP,EX,2,300E8 

MP,NUXY,2,0.2 

MP,DENS,2,2400 

!===========

!建模命令流

。。。

!===========

!整体浇筑

/SOLU 

ANTYPE,STATIC 

TIME,1 

NLGEOM,ON 

NROPT,FULL 

ESTIF,1E-8 

ESEL,S,TYPE,,2 

!杀死所有板单元

EKILL,ALL 

ESEL,S,LIVE 

NSLE,S 

NSEL,INVE 

D,ALL,ALL 

NSEL,ALL 

ACEL,,9.81 

NSEL,S,LOC,Y,-20 

D,ALL,ALL 

ALLSEL,ALL 

SOLVE 

 

TIME,2 

ESEL,S,TYPE,,2 

!激活所有板单元

EALIVE,ALL 

NSEL,S,LOC,Y,5,12 

DDELE,ALL 

ALLSEL,ALL 

SOLVE 

！==============

！分批次浇筑

/SOLU 

ANTYPE,STATIC 

TIME,1 

NLGEOM,ON 

NROPT,FULL 

ESTIF,1E-8 

ESEL,S,TYPE,,2 

EKILL,ALL 

ESEL,S,LIVE 

NSLE,S 

NSEL,INVE 

D,ALL,ALL 

NSEL,ALL 

ACEL,,9.81 

NSEL,S,LOC,Y,-20 

D,ALL,ALL 

ALLSEL,ALL 

SOLVE 

 

time,2

esel,s,,,5,6

esel,a,,,8,9

esel,a,,,17,18

esel,a,,,20,21

esel,a,,,29,30

esel,a,,,32,33

esel,a,,,41,42

esel,a,,,44,45

cm,AA,elem

ealive,all

nsel,s,loc,x,5,15

nsel,a,loc,x,25,35

nsel,a,loc,x,45,55

nsel,a,loc,x,65,75

nsel,r,loc,y,5,12

DDELE,ALL 

ALLSEL,ALL

ACEL,,9.81  

SOLVE 

time,3

esel,s,type,,2

cmsel,u,AA

ealive,all

NSEL,S,LOC,Y,5,12 

DDELE,ALL 

allsel,all

ACEL,,9.81 

solve

计算结果：

整体浇筑板的最终应力云图：

分批次浇筑板的各个时刻应力云图：

a.浇筑红色部分

b.浇筑白色部分

两者位移云图对比：

整体浇筑：

分批次浇筑：

a.浇筑红色部分

b.浇筑白色部分

        从应力以及位移云图可见，分批次浇筑对结构的最终应力状态影响非常大，整体浇筑板的最大应力由于应力集中的因素主要发生在梁板交接处，而分批次浇筑最大应力发生在跨中。两者的位移云最大值相差近3倍。

        通过以上分析，可以预见建筑浇筑顺序对结构最终的状态影响较大。从而也可以得到一次浇筑与分批次浇筑的优点与缺点，简要总结如下：

        （1）整体浇筑：一次性生成结构，然后分析结构在自重下的变形。优点：方便快捷。缺点：整体浇筑模拟方法纯粹是从结构分析的角度考虑，不考虑结构的施工过程对结构的影响。结果有一定误差，特别对土建结构，施工过程往往对最终结构的应力分布产生较大的影响。

        （2）分批次浇注：先生成支撑模架，然后再生成上层混凝土，然后分析结构在自重下的变形。优点：考虑了结构施工过程对结构最终内力分布的影响。结果较精确，建议采用。缺点：模拟过程复杂，对技术人员要求较高。

           PS：最后在说明下采用单元生死功能需要注意的一些事项：

        1）所有模型（单元），必须在前处理建立，包括所有后来浇注的部分及杀死的部分。
        2）分成两个载荷步进行求解计算，对应步骤相应进行单元的生死处理。各载荷步求解之间不能推出Solution求解器！
        3）求解过程中要打开大变形开关，应注意使用用牛顿-拉斐逊算法