探讨组合构造板独立基础组合建模经典

论文导读：
摘要：为了采用有限元仿真分析研究构造板独立基础的受力变形特点，对于构造板与独立基础的模型，采用壳体与实体的组合建模，利用ANSYS软件的MPC技术对壳、实体单元进行连接的处理方法。并运用实例表明此方法过程相对简单、使用也比较方便，该方法对此类型的结构设计模拟具有一定的参考价值。
关键词：构造板独立基础；实体单元；板壳单元；约束方程；MPC
0引言
随着城市建设的快速发展，多层带地下室（车库）的建筑形式也越来越多。当多层框架结构带地下室，并且地下室有防水要求时，在地基较好的情况下，可以采用构造板加独立基础的地下室做法。实际设计中，人们常认为独立基础承担全部的上部载荷，防水板仅按构造要求设计，满足防水要求。因为柱下独立基础与防水板是整体浇接的，如果独立基础产生竖向变形或沉降，构造板也会因此发生协调变形，在一定程度上约束独立基础的变形量，从而分担部分地基反力。
对于这种基础形式的地基反力分析，国内已有很多人进行过相关的研究，李纯、朱浮生对构造板独立基础地基反力的分配情况进行了工程实测【1】，测试结果表明，构造底板能承担30％左右的上部载荷。之后武崇福、任顺利对此基础通过有限元软件进行了仿真分析【2】,在用利用有限元软件建模时，独立基础与构造板采用的是全实体单元。如果结构复杂，就会给建模带来困难，而且使用的有限元模型节点数过多，也会使计算机的工作量过大。因此本文对构造板与独立基础采用壳体与实体的组合建模来分析，使用板壳单元可以大大减少节点数量并达到很好的计算效果。但是不同类型的单元存在自由度不连续的问题，ANSYS提出了相应的解决方法。
三维实体单元与板壳单元的组合建模方法
ANSYS软件中，三维实体单元只有3个自由度，而壳体单元有3个位移自由度、3个转动自由度，共6个自由度，由于二者节点的自由度不同，为了保证交界面上的唯一协调，就需要研究解决板与壳之间的连接问题。ANSYS中提摘自：毕业论文提纲www.7ctime.com
到的方法有：约束方程法和MPC法。

1.1 约束方程

传统方法是使用约束方程法，约束方程是描述多个不同的或相同的自由度之间的线性协调关系。约束方程有如下形式：

式中，C为常数；Cf（i）为系数；i为节点号；U(i)为自由度；N为方程项中的编号。
在建立有限元模型并构建约束方程时，应先对实体部分与壳部分分别进行网格划分，需要注意的是应使交接处实体单元与板壳单元的节点位置重合，并在划分完网格后合并节点，以保证实体与板壳在连接处有共用节点。但是当结构比较复杂，公共节点较多时，需要建立的约束方程的数目也相应的比较多，处理的时候也比较困难。

1.2 MPC法

MPC即多点约束方程，其与约束方程的技术几乎是一致的。目的是，将不连续、自由度不协调的单元网格连接起来，不需要连接边界上的节点完全一一对应。使用MPC功能连接三维实体单元与壳单元是通过定义需要连接的实体部分与壳部分为接触关系，设置接触单元的接触算法为MPC algorithm，并且定义接触面行为为绑定来实现的。
壳-实体连接解决了从实体到壳单元的过渡。“连接对”的接触单元须建立在壳单元侧,目标单元在实体单元侧。可用目标单元的keyopt(5)设置线位移和角位移自由度是否同时约束,默认为同时约束线位移自由度和角位移自由度。keyopt(5)=1或2且接触单元采用conta175或conta170时,须用shsd命令在交接面生成附加的虚拟单元。比较
keyopt(5)不同的设置情况,keyopt(5)=2且选targe170单元时精度较好。
作者简介：胡笑笑（1987－），女，山东临沂人。硕士研究生，主要从事基础工程方面研究。
Email:5121389831
实例模拟计算
独立基础长为4米，宽4米，高度为0.85米，板的厚度为0.35米。独立基础采用SOLID45单元，板采用SHELL63单元，基础端部固定，板上作用2KN/m2的面载荷。本例利用MPC技术对实体单元与壳体单元进行连接。生成目标面与接触面的命令流如下：
ET,3,TARGE170 ! 目标单元
KEYOPT,3,5,2
ET,4,CONTA175 ! 接触单元
KEYOPT,4,论文导读：C,X,4TYPE,3REAL,2ESURF!在实体部分连接处创建目标单元ALLSELESEL,S,TYPE,,2NSLE,SNSEL,R,LOC,X,4TYPE,4REAL,2ESURF!在壳部分连接处创建接触单元ALLSELSHSD,2,CREATE图1实体与壳体的单元网格划分图2全实体的单元网格划分表1计算结果由
2,2
KEYOPT,4,12,5
R,2
NSLV,S,1
NSEL,R,LOC,X,4
TYPE,3
REAL,2
ESURF ! 在实体部分连接处创建目标单元
ALLSEL
ESEL,S,TYPE,,2
NSLE,S
NSEL,R,LOC,X,4
TYPE,4
REAL ,2
ESURF ! 在壳部分连接处创建接触单元
ALLSEL
SHSD,2,CREATE

图1实体与壳体的单元网格划分 图2全实体的单元网格划分
表1 计算结果

由以上两个图形可以看出，两种模型的位移与应力结果是基本一致的，故采用MPC技术对实体单元与壳体单元连接可行，并且此种单元节点数目少，不需要在实体与壳体连接处有公共节点，由此可见这种方法过程简单，使用方便。
结论
本文主要对构造板独立基础中，板与基础的连接问题进行了有限元仿真模拟。通过实例的研究表明，利用MPC技术实体单元与壳体单元进行连接，不仅不会降低计算的准确度，而且可以很大程度上减少计算容量，提高计算效率。该方法对于模拟构造板独立基础具有一定的参考价值。
4 参考文献
李纯,朱浮生.构造板独立基础地基反力测试[J].辽宁工程技术大学学报.2006
武崇福,任顺利. 构造板独立基础地基反力的数值模拟[J].辽宁工程技术大学学报.2010
[3] 谢元丕,冯刚.ANSYS三维实体单元与板壳单元的组合建模研究[J].机械设计.2009
[4] 周艳,高耀东. 利用MPC技术对SOLID和SHELL单元进行连接[J].内蒙古科技大学学报.2011
[5] 张会杰,祝兵,高飞. ANSYS多点约束技术的应用[J].甘肃科技.2007
[6] 王勖成,有限单元法[M].北京:清华大学出版社.2003