原创分享｜Ansys软件如何考虑结构中加强筋（加强膜）作用？

上海安世亚太 2021年12月27日浏览：1571 收藏：2

作者：李桂花，上海安世亚太结构应用工程师

来源：本文为上海安世亚太原创作品

前言

钢筋混凝土结构广泛应用于桥梁、建筑和外墙等领域。在仿真当中如何考虑混凝土结构中的加强筋作用呢？

第一种方法，直观上使用实体对混凝土和钢筋进行完全几何建模。在这种方法中，钢筋所在的混凝土体有空隙，钢筋本身填充这些空隙。这种方法钢筋和混凝土之间的网格共节点（或接触关系）比较好处理，但只适用于小型模型的建模，且划分网格不方便，计算量大，工程上较少采用。

第二种方法，工程上一般将钢筋模型等效为梁单元处理，混凝土模型等效为三维实体单元。此时需要处理的是梁单元和实体单元共节点问题，仿真中建议建模梁单元的时候根据实体几何线建模，并把实体单元和梁单元组件在scdm中处理成merge或者share的形式。这种方法模型处理比较繁琐，根据几何线建模梁单元，需要对实体单元进行切割。

图1 SCDM中处理梁和实体共节点

第三种方法是将混凝土建模为没有空隙和没有钢筋的几何实体，并对钢筋单元进行独立建模（建模时无需共节点），然后通过REINF26X系列单元完成钢筋分配。该系列单元主要含REINF263 (2D)、REINF264 (3D)和REINF265 (3D)单元，又称加强筋（用于梁加强）或者加强膜（用于壳体加强）单元，主要与“基础”单元结合使用，并共节点。

图2 REINF264单元（3D增强单元）

2020R2版本前

2020R2版本之前需要通过命令流实现，主要步骤如下：

1. 生成基础单元

2. 定义加强单元截面属性和mesh200单元（临时表示增强纤维的网格单元，不参与求解）

sectype,newsectype,reinf,discrete

secdata,secmatid,secarea,mesh

3. 将具有加强筋作用的梁或者壳体，通过emodify，修改为具有加强单元截面属性的MESH200单元

cmsel, s, rebars, elem ! Select the name selection "rebars"

emodify, all, type, etype_id ! Change the element type to Mesh200

emodify, all, secnum, sectypeid ! Change the section to discrete reinf

4. 选择基础单元和MESH200单元，通过EREINF生成增强单元

cmsel, s, rebars, elem

cmsel,a,concrete,elem

ereinf

5. 删除mesh200单元

esel,s,ename,,mesh200

edel,all

2020R2新版本

在2020R2新版本中，该功能已经集成在本地使用界面，无需通过命令流实现。如图所示，修改梁单元或者壳单元的model type为reinforcement即可，无需定义额外的接触。

图3 WORKBENCH界面中定义模型类型为增强单元

此外，如果计算类型是显式动力学分析，无需通过几何处理，直接通过接触中的定义，也可以定义加强筋的接触关系。

图4 显示动力学模块接触中定义加强筋接触关系

以下是分别通过梁实体共节点方法和使用新版本REINF264单元计算的混凝土加强筋结构应力和位移对比云图，整体结果匹配很好。注意：加强筋单元仅用于占比整体模型很低的情况，另外和梁单元不同，不考虑弯曲，扭转和横向剪切刚度，只考虑轴向刚度。

图5 梁实体共节点方法结果

图6 新版本reinforcement设置方法（REINF264单元）结果

Reinforcement应用扩展：增强单元除了应用于钢筋混凝土中的钢筋增强，也可用于轮胎中的尼龙类纤维增强（帮助文件：Model the Tire Reinforcing）和复合材料中的碳纤维增强。除此，还可应用PCB板中的trace增强。

图7 轮胎中的尼龙类纤维增强

图8 PCB板中的trace增强

目前，Ansys中有四种方法可以考虑PCB中trace模型对PCB板进行仿真，分别是简化模型等效法、trace mapping法、Trace增强方法和精确建模法。其中，Trace增强方法精度介于trace精确建模和trace mapping之间。如图所示：

图9 四种PCB板中考虑trace的仿真方法

总结

2020R2新版本中通过设置梁模型或者壳体模型为reinforcement，可以非常方便地考虑工程中加强筋或者加强膜结构对整体模型的影响，提高仿真精度的同时也提升了不熟悉APDL用户的仿真效率。该功能可以应用于土木行业中钢筋混凝土中的钢筋增强、汽车行业中轮胎的尼龙纤维增强、复合材料中的碳纤维增强、电子行业中PCB板中的trace增强以及其他可能会用到材料增强的行业。

本文作者：李桂花，上海安世亚太结构应用工程师。宁波大学工程力学硕士，8年CAE行业应用技术经验。自2012年起在安世亚太上海分公司担任结构应用工程师，负责结构产品在机械、电子等行业的推广和应用，主要参与的合作项目有重型机械预紧分析、医疗仪器成型分析、电子插拔件分析、刹车片摩擦生热模拟、ECU电子产品抗振分析等，对Ansys结构软件应用有丰富的使用经验和行业应用经验。