基于SolidWorks建模技术的工程有限元仿真分析

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有限元仿真分析的合理性很大程度上取决于模型建立的正确性，目前在有限元仿真分析中大多采用相近或者简略模型，因此导致计算结果与实际情况存在较大差异。应用基于SolidWorks等三维设计软件超强的建模技术，实现与通用有限元分析软件之间数学模型和数据的转换与传输，完成有限元仿真模拟前复杂模型的建立工作，弥补有限元软件建造复杂模型方面的不足，从而实现有限元仿真分析的快速、准确、有效性。笔者以复杂地形条件下某单洞隧道为例，应用SolidWorks方便、快速地建立隧道三维仿真模型。并利用通用有限元分析软件与CAD／CAM程序的数据接口功能，经过数据转换后将隧道模型导入ANSYS、FLAC3D、MIDAS／GTS、COMSOL Multiphysics等多个有限元分析软件，完成隧道仿真模型的布尔代数运算和四面体单元划分，验证了SolidWorks实体、参数化建模技术应用于有限元仿真分析计算是切实可行的。 1 建模与分析软件介绍 1.1 三维CAD建模软件—SolidWorks SolidWorks是目前应用最为广泛的机械设计自动化(Mechanical Design Automation)软件之一，其构造三维模型的思路和过程与设计人员的思维过程相似，其功能强大，容易掌握，尤其以具有真正的特征造型功能而深受用户欢迎，并且利用插件形式提供了当今市场上几乎所有CAD软件的输入／输出格式转换器，可以很方便地与其他三维CAD软件如Pro／E、UG、MDT等进行数据交换。 1.2 大型有限元仿真分析软件 大型通用有限元程序，它们以功能强、用户使用方便、计算结果可靠和效率高而逐渐形成新的技术商品，成为工程计算强有力的分析工具。目前，有限元法在现代结构力学、热力学、流体力学和电磁学等许多领域都发挥着重要作用。当前，在中国工程界比较流行，被广泛使用的大型有限元分析软件有ANSYS、ADINA、MSC／Nastran、ABAQUS、Simulation、ALGOR、MARC、FLACAD、MIDAS等。 ANSYS软件将有限元分析、计算机图形学和优化设计相结合，形成了比较完善的有限元分析和处理软件。它可进行静力分析、动力分析、热分析、电磁分析和耦合分析等多种分析，能与多数的CAD软件接口，实现数据的共享和交换。FLAC3D是美国ItascaConsulting Group Inc开发的连续介质三维快速拉格朗日法分析软件。它广泛应用于边坡和路基的设计和稳定性问题、浅基和深基工程、土石坝和混凝土坝设计、隧道围岩稳定性评价与支护、采矿工程设计等方面，是岩土工程中的一种重要研究工具。MIDAS／GTS代表了当前工程软件发展的最新技术，在隧道工程与特殊结构领域为人们提供了一个崭新的解决方案。MIDAS／GTS可以对复杂的几何模型进行可视化的直观建模。另外在后处理中，它能以表格、图形、图表形式自动输出简洁实用的计算书。 2 SolidWorks模型的建立过程 2.1 SolidWorks建模思路 现在的商品化有限元程序可分成3个阶段(图1)，前处理、求解和后处理。前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分，前处理参数化建模利用CAD软件的参数化建模功能把将要参与的数据(设计变量)定义为模型参数，为以后软件修正模型提供方便。图1 SolidWorks建模程序图 后处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。将计算结果以各种形式输出，以便于了解结构的状态，对结构进行数值分析。利用后处理结果能够反演模型的材料参数、调整模型的合理仿真程度。 前处理中，当模型局部尺寸根据计算需要修改成所需大小时，由于SolidWorks进行所建模型采用智能尺寸，整体模型尺寸能随局部尺寸变化而变化，不必为整个模型重建而担心。分页2.2 隧道计算模型选取 计算模型以单洞四车道隧道为例，隧道长度取500m，隧道横断面：初期支护厚度为26cm、二衬厚度70cm、锚杆长度5.5m(图2)。图2 隧道横断面示意图(单位：cm) 隧道横断面围岩则自上而下分两层风化地层，地层厚度约为250、100m。地表曲面起伏、围岩长度、高度都为500m。 应用SolidWorks按照隧道实际横断面形状及尺寸，选取1：200比例分别对初期支护、二次衬砌、锚杆进行三维参数化建模。 2.3 SolidWorks三维模型的建立 (1)隧道实体与围岩实体参数化建模 考虑到实体模型布尔代数运算，SolidWorks建立模型时，把模型分成隧道及围岩两个独立的实体，然后进行装配得到最终复杂模型。实体生成步骤如下：1)进入SolidWorks平台后，导入隧道横断面图(*.DXF格式)作为基准面，描绘初衬、二衬外轮廓线，再纵向拉伸出隧道实体；2)画直线后沿隧道轮廓线环状阵列、等距复制得到锚杆；3)在水平基准面上画250mm×250mm矩形，向上拉伸出矩形体，再使用实际地表标高生成曲面，曲面分割矩形体得到地层1与地层2；4)用隧道横断面轮廓线纵向拉伸切除出隧道装配位置最终得到围岩实体。两实体以参数化智能标注各组成部分尺寸，并且分别保存，便于模型的修改。 (2)智能装配三维模型 利用SolidWorks强大的智能装配功能，经过拖拽和配合等命令将隧道实体与围岩实体遵循实际相对位置装配成整体。装配后三维参数化模型分为4个实体，方便在有限元软件中的布尔运算和网格划分。保存模型时选择Parasolid类型文件，以*X_t为后缀名保存，Parasolid类型文件可以实现SolidWorks与ANSYS等有限元软件之间的数据交换。3 建立有限元计算模型分页 现在的专用或通用有限元仿真分析程序在前处理部分，都设有与CAD／CAM程序包的接口，可以直接读取这些程序产生的几何模型，并允许用户快速生成所希望的单元网格模型，自动进行网格划分，自动输入结点信息和单元信息，并核实用户所确定的网格。 3.1 通用有限元软件的数据导入(1)启动ANSYS，进入平台后点击“File-Import-Para”，按“ok”后导入模型。导入模型显示为线框，再点击“Plotstyl-style-solid style-Normal Face-ting”后，模型更改为实体显示。(2)FLAC3D数据导入较为复杂，其外部导人命令为Impgrid，仅可导入*．FLAC30文本文件。利用ANSYS划分好模型网格后，保存模型节点文件和单元文件，再通过转换软件转换为*．FLAC3D文本文件。启动FLAC3D，选择“File-Impgrid--*．FLAC3D”后，实体模型则导入FLAC3D。(3)MIDAS／GTS提供很好的与CAD／CAM数据接口功能，与SolidWorks存在很多通用的数据格式。启动程序后，选择“文件-导入-Parasolid文件”，导人实体模型。 3.2 有限元网格的生成方式 通过SolidWorks与通用有限元仿真软件之间通用的数据格式，各软件强大的数据导入和输出功能，顺利地将SolidWorks所建立的三维参数化模型导人到ANSYS、FLAC3D、MIDAS／GTS等有限元计算软件，接下来发挥各个有限元软件网格划分方面的优势对模型进行网格划分。(1)隧道三维参数化模型导入ANSYS后分成4个实体，首先给实体赋予材料参数，再选择网格划分中自由划分命令根据需要逐个对实体进行划分，网格生成后模型在连接面上的相应节点的耦合较好。(2)FLAC3D网格和模型的建立同时完成，而且网格与模型的形状相统一。由于模型经过ANSYS划分好模型网格再导入，所以其模型网格与ANSYS中模型网格类似。(3)MIDAS／GTS具有强大自动网格划分功能，可以根据不同实体选择不同的网格大小。网格划分时选择“网格一自由划分网格”命令，在弹出对话框中选择网格尺寸及实体。 4 计算结果反馈 隧道模型经过各通用有限元软件网格划分后，发挥各自强大的后处理分析功能，根据需要分析各类线性和非线性问题。在MIDAS／GTS中对隧道进行简单分析，计算隧道在自重作用下的位移。首先设置模型各实体本构关系与计算参数，再定义边界条件和分析类型。分析结束后，可选择不同的模式查看计算结果。 图3为沉降计算结果云图，当计算结果偏离实际情况时，即可反馈到计算模型。首先调整计算参数，其次也可修改实体模型尺寸。由于在SolidWorks中建立了智能参数化模型，模型尺寸修改非常方便，可根据需要调整围岩、初衬、二衬、锚杆等尺寸。图3 MIDAS／GTS计算结果云图(单位：m) 5 结语(1)复杂隧道所需的有限元仿真模拟模型可通过三维造型软件SolidWorks实体、参数化建模，智能装配后实现。(2)利用SolidWorks与大部分商业化通用有限元软件共享数据格式，通过CAD／CAM接口程序导入，可强化ANSYS、FLAC3D等有限元分析软件前处理的建模功能。(3)隧道数值仿真模拟计算结束后，将其结果信息反馈给SolidWorks中参数化模型，调整模型后再导人分析软件计算，可实现模型与结果之间的信息互馈。