第6章　平臺結(jié)構(gòu)分析軟件及有限元導(dǎo)論

本章內(nèi)容：

?結(jié)構(gòu)分析程序

?有限元概念

?ANSYS常用模塊

6.1　結(jié)構(gòu)分析程序

我國和國外許多單位都已研制開發(fā)出有關(guān)的海洋平臺結(jié)構(gòu)分析程序。主要程序簡介如下。

1.SACS程序

SACS程序由Engineering Dynamics，INC.開發(fā)，是用于海洋平臺結(jié)構(gòu)分析的軟件。它被遍及世界的上百個(gè)與海洋工程有關(guān)的設(shè)計(jì)公司或油公司使用，并得到世界各個(gè)權(quán)威檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的認(rèn)可。該程序的另一個(gè)顯著特點(diǎn)是隨著海洋工程的不斷發(fā)展和新技術(shù)新經(jīng)驗(yàn)的不斷應(yīng)用特別是隨著每4年修訂一次的新規(guī)范、新標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用而不斷地更新，隨時(shí)適用于海洋工程發(fā)展的需要。

該程序由20多個(gè)相互自動連接的模塊組成，以便完成各種不同計(jì)算功能的要求。

SACS程序的廣泛應(yīng)用除了它的功能全、計(jì)算方法和結(jié)果滿足海洋工程的需要以外，該程序可以自動生成風(fēng)、波、流等荷載并對平臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析和動力分析，以便確定平臺甲板、導(dǎo)管架和樁的構(gòu)件大小。它的主要功能如下。

（1）自動生成結(jié)構(gòu)模型、構(gòu)件特性以及環(huán)境荷載，并能顯示兩維和三維立體圖形，使結(jié)構(gòu)模型的建立和修改極其簡便容易。

（2）生成風(fēng)、波、流、自重等荷載并可輸入集中、均布、非均布、面、位移、溫度等荷載。

（3）對結(jié)構(gòu)進(jìn)行求解并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行規(guī)范校核。

（4）對管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行沖剪力校核。

（5）結(jié)構(gòu)自振周期的計(jì)算。

（6）進(jìn)行地震、機(jī)械振動、冰激振動等計(jì)算。

（7）波浪動力響應(yīng)分析。

（8）樁和結(jié)構(gòu)與樁基相互作用非線性分析。

（9）對結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞校核。

（10）對結(jié)構(gòu)進(jìn)行拖航分析。

（11）對結(jié)構(gòu)進(jìn)行下水分析。

（12）對結(jié)構(gòu)進(jìn)行漂浮和扶正分析。

（13）對結(jié)構(gòu)進(jìn)行上（裝）船分析。

（14）對結(jié)構(gòu)進(jìn)行倒塌分析以便了解結(jié)構(gòu)的安全儲備和安全度。

（15）根據(jù)需要，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行各種工況的組合。

（16）自動生成結(jié)構(gòu)的繪圖文件。

2.MOSES程序

MOSES程序由Ultramarine，inc.開發(fā)，是用于海洋工程結(jié)構(gòu)分析等領(lǐng)域的軟件。其前身為1977年問世的Oscar程序（該程序至今仍然廣泛用于浮式結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計(jì)）。它的主要功能如下所述。

（1）浮式系統(tǒng)（包括系泊纜繩和連接器）的運(yùn)動狀態(tài)模擬和應(yīng)力分析。

（2）水動力分析（可分別應(yīng)用莫里森公式，二維繞射理論和三維繞射理論）。

（3）對結(jié)構(gòu)進(jìn)行下水分析。

（4）對結(jié)構(gòu)進(jìn)行扶正分析。

（5）對結(jié)構(gòu)進(jìn)行上（裝）船分析。

（6）張力腿平臺的時(shí)域和頻域分析。

（7）船載結(jié)構(gòu)物的時(shí)域和頻域分析。

（8）船體的壓載和穩(wěn)定性分析。

（9）鋪管船鋪管分析。

3.SESAM程序

SESAM程序由DNV開發(fā)，是用于海洋工程結(jié)構(gòu)分析等領(lǐng)域的軟件。適用范圍包括：導(dǎo)管架和上部設(shè)施；半潛式平臺；張力腿平臺；系泊系統(tǒng)；浮式系統(tǒng)和重力式平臺。它的主要功能如下所述。

（1）建立結(jié)構(gòu)和環(huán)境模型。

（2）確定作用在結(jié)構(gòu)上的荷載及其效應(yīng)。

（3）強(qiáng)度計(jì)算（包括靜態(tài)和動態(tài)有限元分析等）。

（4）評價(jià)分析結(jié)果是否滿足設(shè)計(jì)前提和質(zhì)量，安全要求。

4.ANSYS程序

ANSYS程序由ANSYS，Inc.開發(fā)，為第一個(gè)通過ISO9001質(zhì)量認(rèn)證的分析設(shè)計(jì)類軟件。是用于結(jié)構(gòu)分析（鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析）等領(lǐng)域的軟件。它的主要功能如下：靜力分析，動力分析，大位移非線性分析，抗震分析，疲勞分析，流體力學(xué)分析，熱分析等。

在海洋工程領(lǐng)域，ANSYS程序已用于導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)有限元分析，海底管線有限元分析，半潛式平臺及錨泊定位系統(tǒng)有限元分析。另外，ANSYS程序的Design Space等模塊曾經(jīng)用于深海探測器的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)，據(jù)應(yīng)用者反映該程序使工作進(jìn)度大大加快。

5.TNOWAVE（PDPWAVE）程序

TNOWAVE（PDPWAVE）程序由Profound B.V.開發(fā)，是用于樁基礎(chǔ)分析等領(lǐng)域的軟件。NOWAVE程序包括4部分：PDPWAVE，DLTWAVE，SITWAVE，VDPWAVE。其中PDPWAVE的主要功能如下：

沖擊錘打樁分析：可用于協(xié)助承包商，基礎(chǔ)工程師，咨詢師對于特殊的工程承包，荷載工況，位移，軸向摩擦力，能量和打樁深度等不同情況確定樁和錘的類型。

6.2　有限元概念

有限單元法最初作為結(jié)構(gòu)力學(xué)位移法的拓展，它的基本思路就是將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)看成由有限個(gè)單元僅在節(jié)點(diǎn)處連接的整體，首先對每一個(gè)單元分析其特性，建立單元的物理量之間的相關(guān)聯(lián)系。然后，依據(jù)單元之間的聯(lián)系，再將各單元組裝成整體，從而獲得整體性方程，再應(yīng)用方程相應(yīng)的解法，即可完成整個(gè)問題的分析。這種先“化整為零”，然后再“集零為整”和“化未知為已知”的研究方法是有普遍意義的。有限單元法作為一種近似的（除桿件體系結(jié)構(gòu)靜力分析外）數(shù)值分析方法，它借助于矩陣等數(shù)學(xué)工具，盡管計(jì)算工作量很大，但是整體分析是一致的，有限元的規(guī)律性和統(tǒng)一模式，因此特別適合于編制計(jì)算機(jī)程序來處理。一般來說，一定前提條件下的分析近似值，隨著離散化網(wǎng)絡(luò)的不斷細(xì)化，計(jì)算精度也隨之得到改善。所以，隨著計(jì)算機(jī)硬件、軟件技術(shù)的飛速發(fā)展，有限單元分析技術(shù)得到了越來越多的應(yīng)用，40多年來的發(fā)展幾乎涉及了各類科學(xué)、工程領(lǐng)域中的問題。

從應(yīng)用的深度和廣度來看，有限單元法的研究和應(yīng)用正繼續(xù)不斷地向前探索和推進(jìn)。有限元法是隨電子計(jì)算機(jī)應(yīng)用的日益普及和數(shù)值分析技術(shù)日益發(fā)展而迅速發(fā)展的一種新穎有效的數(shù)值方法。它在20世紀(jì)50年代起源于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的矩陣分析，60年代開始被推廣用來分析彈性力學(xué)平面問題。由于它所依據(jù)的理論的普遍性，很快就廣泛應(yīng)用于求解熱傳導(dǎo)、電磁場、流體力學(xué)等連續(xù)問題。目前已在各個(gè)工程技術(shù)領(lǐng)域中得到了十分廣泛的應(yīng)用。

1.有限元的發(fā)展概況

有限元是從經(jīng)典結(jié)構(gòu)力學(xué)派生的結(jié)構(gòu)矩陣分析方法，早就用于建筑工程的復(fù)雜鋼架等的分析。但這些結(jié)構(gòu)本身都是明顯地由桿件組成，桿件的特性可通過經(jīng)典的位移分析來建立。雖然矩陣位移法的整個(gè)分析方法和步驟都與有限單元法相似，也是用矩陣來表達(dá)、用計(jì)算機(jī)來求解，但它與目前廣泛應(yīng)用的單元法是有本質(zhì)區(qū)別的。前者只能用以分析具有已知單元結(jié)點(diǎn)力－單元結(jié)點(diǎn)位移關(guān)系的桿件體系結(jié)構(gòu)，而不能分析非桿件體系的連續(xù)體結(jié)構(gòu)。因?yàn)閷﹄x散所得的非桿件連續(xù)體單元，無法像矩陣位移法那樣用傳統(tǒng)方法建立起單元結(jié)點(diǎn)力和單元結(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系。有限單元法基本思想的提出，可以追溯到Courant在1943年的工作，他第一次假設(shè)翹曲函數(shù)在一個(gè)人為劃分的三角形單元集合體的每個(gè)單元上為簡單的線性函數(shù)，求得了St.Venant扭轉(zhuǎn)問題的近似解。一些應(yīng)用數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家和工程師賦予各種原因也都涉足過有限單元法的概念。但由于當(dāng)時(shí)計(jì)算技術(shù)的制約，不能用以解決工程實(shí)際問題。因而也就沒有引起科學(xué)及工程界的重視。到了20世紀(jì)60年代，隨著電子計(jì)算機(jī)硬件、軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，制約有限單元法發(fā)展的條件消除了，有限單元法開始飛速發(fā)展。Hrennikoff于1941年，MeHenry于1943年用線（一維）單元（桿和梁）網(wǎng)格求解連續(xù)體中的應(yīng)力，從而在20世紀(jì)40年代起開始有限元方法的現(xiàn)代發(fā)展。

Courant在1943年第一次嘗試應(yīng)用定義在三角形區(qū)域的分片連續(xù)函數(shù)和最小勢能原理求解圣維南（St.Venant）扭轉(zhuǎn)問題。但由于當(dāng)時(shí)沒有計(jì)算機(jī)這一工具，沒能用來分析工程實(shí)際問題，因而未得到重視和發(fā)展。Argy和Kelsey1954年利用能量原理建立了矩陣結(jié)構(gòu)分析方法，此原理在有限元中起著重要的作用。

從20世紀(jì)50年代早期到現(xiàn)在，應(yīng)用有限元方法解決復(fù)雜的工程問題已取得了巨大的進(jìn)展。工程師、應(yīng)用數(shù)學(xué)家和其他科學(xué)家建立起新的應(yīng)用領(lǐng)域。現(xiàn)代有限單元法的第一個(gè)成功嘗試，是Turner、Clough等人于1956年在分析飛機(jī)結(jié)構(gòu)時(shí)得到的。他們將矩陣位移法的原理、方法推廣應(yīng)用于彈性力學(xué)平面問題，將一個(gè)彈性連續(xù)體假想地劃分為一系列三角形的所謂單元，而不再像里茲法那樣在整個(gè)求解域內(nèi)構(gòu)造約束所允許的位移試函數(shù)，它是以三角形單元三個(gè)角頂結(jié)點(diǎn)的位移作為優(yōu)先解決的基本未知量，在滿足一定條件下對整個(gè)求解域構(gòu)造分片連續(xù)的位移場，這就使原來建立位移場的困難得到了解決。隨之又解決了單元結(jié)點(diǎn)力和結(jié)點(diǎn)位移之間單元特性關(guān)系（單元剛度方程），從而用三角形單元求得了平面應(yīng)力問題的近似解答。他們的這些研究工作開創(chuàng)了利用計(jì)算機(jī)求解復(fù)雜平面彈性問題的新局面。1960年Clough進(jìn)一步處理了平面彈性問題，并第一次正式提出了“有限單元法”的名稱。

早期的有限單元法是建立在虛位移原理或最小勢能原理基礎(chǔ)上的，這對人們理解有限單元法的物理概念是很有幫助的，但是它只能處理一些比較簡單的實(shí)際問題。1963—1964年，Besseling，Melosh，Jones，卞學(xué)璜等人的研究工作表明，基于各種變分原理可以建立起更為靈活、適應(yīng)性更強(qiáng)、計(jì)算精度更高的有限單元法。這些成果大大促進(jìn)了變分原理（包含廣義變分原理的新型有限單元模型，諸如各種混合元、雜交元、非協(xié)調(diào)元、廣義協(xié)調(diào)元等。

諸多變分原理都和相應(yīng)的數(shù)學(xué)物理方程相對應(yīng)，但也有一些問題可能建立了數(shù)學(xué)物理方程和定解條件，卻沒有對應(yīng)的變分泛函。從20世紀(jì)60年代后期開始，人們開始研究加權(quán)余量（也稱為加權(quán)殘值、加權(quán)殘數(shù)）法。它是按某種規(guī)則建立問題的試函數(shù)，根據(jù)其對控制方程、邊界條件的滿足程度，通過建立余量加權(quán)意義下的最小值來獲得問題的近似解答。

利用加權(quán)余量法中的伽遼金（Galerkin）法也可建立基于變分原理所得到的相應(yīng)方程，因此被稱為加權(quán)余量有限元。從有限單元法提出開始，如何建立更好的單元場變量（注意：因?yàn)檫@里已經(jīng)不僅僅局限于位移元，因此沒有稱為位移場而是改稱為場變量），從而在相同網(wǎng)格劃分下提高計(jì)算速度和效率，始終是計(jì)算力學(xué)工作者的一項(xiàng)研究任務(wù)?；跇訔l函數(shù)的各種優(yōu)良特點(diǎn)，人們開始將樣條函數(shù)引入單元場變量的建立和數(shù)值分析，并進(jìn)一步建立了樣條有限元。

隨著所分析問題的大型化、復(fù)雜化，除了需要進(jìn)一步研究各種高精度單元外，考慮到多年來力學(xué)研究的成果已經(jīng)取得部分“精確解”，人們開始利用這些成果，將有限元的離散思想和經(jīng)典解法的解析結(jié)果結(jié)合起來，以便獲得效率、精度更高的方法。研究的結(jié)果就產(chǎn)生了一類“半解析”的數(shù)值方法，如有限條法、組合條元、有限線法、邊界單元法等。

多年來，有限單元法的應(yīng)用范圍已由彈性力學(xué)平面問題擴(kuò)展到空間問題、板殼問題。由靜力平衡問題擴(kuò)展到穩(wěn)定問題、動力問題、波動問題和接觸問題。分析的對象從彈性材料擴(kuò)展到彈塑性、黏彈性、黏塑性和復(fù)合材料等問題。由小變形的幾何線性問題擴(kuò)展到各種大變形的幾何非線性和邊界非線性等的多重非線性問題。從單一介質(zhì)的分析，發(fā)展到多介質(zhì)耦合分析的問題。從固體力學(xué)擴(kuò)展到流體力學(xué)、傳熱學(xué)、電磁學(xué)等連續(xù)介質(zhì)力學(xué)領(lǐng)域。從確定性分析的有限單元法，發(fā)展到了隨機(jī)有限元分析。從已知系統(tǒng)和激勵求解系統(tǒng)響應(yīng)的“正分析”發(fā)展到了根據(jù)響應(yīng)和系統(tǒng)識別激勵，或者根據(jù)響應(yīng)和激勵識別系統(tǒng)的“反問題”。有限單元法在工程分析中的作用，從分析和校核已經(jīng)擴(kuò)展到優(yōu)化設(shè)計(jì)和智能計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)相結(jié)合的程度。有限單元法半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，幾乎滲透到了科學(xué)、工程的方方面面?？梢灶A(yù)計(jì)，隨著現(xiàn)代力學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等學(xué)科的發(fā)展，有限單元法作為一個(gè)具有鞏固理論基礎(chǔ)和廣泛應(yīng)用的數(shù)值分析工具，必將在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展中發(fā)揮更大的作用，其自身也將得到進(jìn)一步的完善和發(fā)展。

有限單元法的應(yīng)用離不開計(jì)算機(jī)和有限單元法應(yīng)用軟件，隨著有限單元法理論的發(fā)展與完善，已經(jīng)開發(fā)出了許多大型的通用有限元程序，如ANSYS，NASTRAN，ABAQUS，SAP，ADINA等。它們一般都具有結(jié)構(gòu)的靜動力分析、大變形和穩(wěn)定性分析、各種非線性分析，以及熱傳導(dǎo)、熱應(yīng)力、流體分析和多體耦合等功能，有比較成熟、齊全的單元庫，提供了二次開發(fā)的接口。利用通用程序，一般的工程問題均可獲得解決。

隨著有限單元法的發(fā)展和應(yīng)用，人們還在不斷探索效率更高、更可靠的新型單元，以解決實(shí)際應(yīng)用中遇到的新問題，并在這一過程中進(jìn)一步拓展有限單元法的應(yīng)用領(lǐng)域。

2.有限元法分析過程

木工程、巖土工程等學(xué)科中的彈塑性、黏彈性、黏塑性力學(xué)，水利、碼頭工程等的流體力學(xué)和流體－固體耦合作用，交通和橋梁隧道工程中的層狀介質(zhì)路面力學(xué)、大型橋梁結(jié)構(gòu)分析等都是力學(xué)學(xué)科的重要分支，其研究結(jié)果最終歸結(jié)為求解數(shù)學(xué)物理方程邊值或初值問題。但遺憾的是，這些學(xué)科傳統(tǒng)的研究成果只對較為簡單、規(guī)則的問題才能獲得解析解答，大量實(shí)際科學(xué)、工程計(jì)算問題，由于數(shù)學(xué)上的困難無法得到解決。有限單元法從正式提出至今已經(jīng)歷了半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，從理論上講，無論是簡單的一維桿件體系結(jié)構(gòu)，還是承受復(fù)雜荷載和不規(guī)則邊界情況的二維平面問題、軸對稱問題、三維空間塊體問題等的靜力、動力和穩(wěn)定性分析，考慮材料具有非線性力學(xué)行為和有限變形的分析，如溫度場、電磁場，流體、液－固、結(jié)構(gòu)與相互作用等工程復(fù)雜問題的分析，利用有限單元法都可得到滿意的解決，而且其基本思路和分析過程是基本相同的。

1）結(jié)構(gòu)離散化

應(yīng)用有限單元法來分析工程問題的第一步是將結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化。其過程就是將要分析的結(jié)構(gòu)對象（或更數(shù)學(xué)化一點(diǎn)也可稱為求解域）用一些假想的線或面進(jìn)行切割，使其成為具有選定切割開關(guān)的有限個(gè)單元體（element）（注意單元體和材料力學(xué)中的微元體是根本不同的，它是有限值而不是微量）。這些單元體被認(rèn)為僅僅在單元的一些指定點(diǎn)相互連接，這些單元上的點(diǎn)則稱為單元的結(jié)點(diǎn)（node）。這一步的實(shí)質(zhì)就是用單元的集合體來代替原來要分析的結(jié)構(gòu)。為便于理論推導(dǎo)和用計(jì)算程序進(jìn)行分析，一般來說結(jié)構(gòu)離散化的具體步驟是：建立單元和整體坐標(biāo)系，對單元和結(jié)點(diǎn)進(jìn)行合理編號，為后續(xù)有限元分析準(zhǔn)備出所必需的數(shù)據(jù)化信息。目前市面上有各種類型的有限元分析軟件，一般都具有友好的用戶圖形界面和直觀輸入、輸出計(jì)算信息的強(qiáng)大功能，使用或應(yīng)用這些軟件越來越方便。即便如此，使用這些大型軟件的第一步“建模”工作，實(shí)際上就是建立離散化模型和準(zhǔn)備所需的數(shù)據(jù)。

2）確定單元位移模式

結(jié)構(gòu)離散化后，接下來的工作就是對結(jié)構(gòu)離散化所得的任一典型單元進(jìn)行。

何謂單元特性分析。為此，必須對該單元中任意一點(diǎn)的位移分布做出假設(shè)，即在單元內(nèi)用只具有有限自由度的簡單位移代替真實(shí)位移。對位移元來說，就是將單元中任意一點(diǎn)的位移近似地表示成該單元結(jié)點(diǎn)位移的函數(shù)，該位移稱為單元的位移模式（displacement mode）或位移函數(shù)（displacement function）。

位移函數(shù)的假設(shè)合理與否，將直接影響有限元分析的計(jì)算精度、效率和可靠性。有限單元法發(fā)展初期常用的方法是以多項(xiàng)式作為位移模式，這主要是因?yàn)槎囗?xiàng)式的微積分去處比較簡單。而且從泰勒級數(shù)展開的意義來說，任何光滑函數(shù)都可以用無限項(xiàng)的泰勒級數(shù)多項(xiàng)式來展開，當(dāng)單元趨于微量時(shí)，多項(xiàng)式的位移模式趨于真實(shí)位移。位移模式的合理選擇，是有限單元法最重要的內(nèi)容之一，所謂創(chuàng)建一種新型的單元，確定位移模式是其核心內(nèi)容。

3）單元特性分析

確定了單元位移模式后，就可以對單元做如下三個(gè)方面的工作：

（1）利用和位移之間的關(guān)系，即幾何方程（geometrical equation），將單元中任意一點(diǎn)的應(yīng)變用待定的單元結(jié)點(diǎn)位移來表示。

（2）利用應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系，即物理方程（physical equation），推導(dǎo)出用單元結(jié)點(diǎn)位移。

（3）利用虛位移原理或最小勢能原理（對其他類型的一些有限元將應(yīng)用其他對應(yīng)的變分原理等）建立單元剛度方程。

在上述位移型有限元三個(gè)方面的工作中，從編制計(jì)算程序用計(jì)算機(jī)求解的角度來說，核心工作是建立單元剛度矩陣和單元等效結(jié)點(diǎn)荷載矩陣。正因如此，許多文獻(xiàn)資料在單元剛度方程中沒有這一項(xiàng)（因?yàn)樵谟蓡卧铣烧w時(shí)，不同單元所交匯結(jié)點(diǎn)的全部結(jié)點(diǎn)力是彼此抵消的，即結(jié)點(diǎn)是平衡的）。但是，從理論的完整性、科學(xué)性來要求的話，單元剛度方程應(yīng)該是式（1－4）形式。

有限元分析過程可以分為以下三個(gè)階段：

1）建模階段：建模階段是根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際形狀和實(shí)際工況條件建立有限元分析的計(jì)算模型——有限元模型，從而為有限元數(shù)值計(jì)算提供必要的輸入數(shù)據(jù)。有限元建模的中心任務(wù)是結(jié)構(gòu)離散，即劃分網(wǎng)格。但是還是要處理許多與之相關(guān)的工作：如結(jié)構(gòu)形式處理、集合模型建立、單元特性定義、單元質(zhì)量檢查、編號順序以及模型邊界條件的定義等。

2）計(jì)算階段：計(jì)算階段的任務(wù)是完成有限元方法有關(guān)的數(shù)值計(jì)算。由于這一步運(yùn)算量非常大，所以這部分工作由有限元分析軟件控制并在計(jì)算機(jī)上自動完成。

3）后處理階段：它的任務(wù)是對計(jì)算輸出的結(jié)果進(jìn)行必要的處理，并按一定方式顯示或打印出來，以便對結(jié)構(gòu)性能的好壞或設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行評估，并作為相應(yīng)的改進(jìn)或優(yōu)化，這是進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析的目的所在。

注意：在上述三個(gè)階段中，建立有限元模型是整個(gè)有限分析過程的關(guān)鍵。首先，有限元模型為計(jì)算提供所有原始數(shù)據(jù)，這些輸入數(shù)據(jù)的誤差將直接決定計(jì)算結(jié)果的精度；其次，有限元模型的形式將對計(jì)算過程產(chǎn)生很大的影響，合理的模型既能保證計(jì)算結(jié)構(gòu)的精度，又不致使計(jì)算量太大和對計(jì)算機(jī)存儲容量的要求太高。

再次，由于結(jié)構(gòu)形狀和工況條件的復(fù)雜性，要建立一個(gè)符合實(shí)際的有限元模型并非易事，它要考慮的綜合因素很多，對分析人員提出了較高的要求；最后，建模所花費(fèi)的時(shí)間在整個(gè)分析過程中占有相當(dāng)大的比重，約占整個(gè)分析時(shí)間的70%，因此，把主要精力放在模型的建立上以及提高建模速度是縮短整個(gè)分析周期的關(guān)鍵。

6.3　ANSYS在平臺中常用的模塊

在利用ANSYS對海洋石油結(jié)構(gòu)物進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算時(shí)，首先需要選擇ANSYS單元庫中合適的單元類型來對實(shí)際的工程結(jié)構(gòu)物進(jìn)行模擬。本節(jié)將對常用的對模擬海洋結(jié)構(gòu)物的單元類型進(jìn)行詳細(xì)的介紹，包括單元特性、實(shí)常數(shù)設(shè)置、單元輸出及應(yīng)用方面的知識。主要介紹用于模擬海洋結(jié)構(gòu)物的常見單元類型，具體如表6－1所示。

表6－1　海洋結(jié)構(gòu)物的常見單元類型

練　習(xí)　題

1.梁的有限元建模與變形分析。

變形分析：計(jì)算分析模型如題圖6－1所示，習(xí)題文件名：beam。

題圖6－1

注：要求選擇不同形狀的截面分別進(jìn)行計(jì)算。梁截面分別采用如題圖6－2所示的三種截面（單位：m）：

題圖6－2

2.壩體的有限元建模與應(yīng)力應(yīng)變分析。

計(jì)算分析模型如題圖6－3所示，習(xí)題文件名：dam。

題圖6－3

題圖6－4

3.受內(nèi)壓作用的球體的有限元建模與分析。

計(jì)算分析模型如題圖6－4所示，習(xí)題文件名：sphere。

4.平板的有限元建模與變形分析。

計(jì)算分析模型如題圖6－5所示，習(xí)題文件名：plane。

題圖6－5