板殼結構
關注創建者：WELSIM 創建時間：2018-06-26
板殼結構的視頻教程
基于一階剪切變形(FOSD)的板殼有限元分析
推導了一階剪切變形假設下的非線性應變位移關系，采用Hamilton原理構建了基于一階剪切變形假的壓點板殼結構機電耦合幾何全非線性有限元模型，并推導了全拉格朗日非線性求解算法。
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Abaqus從入門到精通-大型有限元程序的理論與工程實例應用（64學時）
板殼問題有限元法 講解板殼結構的有限元建模方法，涵蓋薄板理論、殼單元選擇及其分析應用。 材料非線性問題 介紹材料非線性行為的模擬方法，重點講解塑性、蠕變、超彈性和粘塑性等材料模型的應用。 幾何非線性問題 討論幾何非線性（如大變形、大撓曲）的建模與求解，重點介紹大位移、大應變分析方法。 接觸非線性問題 探討接觸分析中的非線性問題，涵蓋接觸定義、接觸算法及接觸力的計算與優化。
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板殼結構的實例教程
本文采用ANSYS顯示動力分析模塊LS-DYNA及流場分析模塊FLUENT，對水下的板殼結構運動及其界面的流固耦合現象進行了仿真分析。流場計算得到的界面壓強數據以外載荷的形式施加于結構表面，使其產生位移及變形；同時，結構的變化又進一步影響了流場的分布。通過往復的雙向耦合迭代，得到了板殼結構的動力學響應以及流場的分布情況。仿真結果與試驗結果的對比表明，此方法適用于解決兼有大位移及較大變形特征的流- 固耦合問題。
1 前言
在自然界中，流-固耦合現象廣泛存在于航空、航天、汽車、水利、石油、化工、海洋以及生物等領域。很多實際問題中流體載荷對于結構的影響不可忽略；同時，結構的位移和變形也會對流場的分布產生重要影響。例如各種水下運動機構都需要考慮這種現象。
板殼是基本的結構單元，研究其與流體相互作用的過程的仿真方法對水下結構的設計具有一定的指導意義。文獻利用ANSYS/LS-DYNA對板殼結構在水下爆炸沖擊載荷作用下的動力學響應進行了仿真分析和試驗研究，文獻對窄流道中柔性單板流致振動引起的流-固耦合問題進行了數值模擬，但以上文獻所進行的分析均為板殼結構處于約束狀態下的平衡位置附近的振動耦合分析。利用ANSYS靜力學分析模塊以及CFX或FLUENT等流體分析模塊對有固定約束條件的板殼結構進行流-固耦合分析的實例已經很多，ANSYS Workbench中也有這方面的耦合實例。但是對于流體沖擊引起結構的大位移以及較大變形的動力學分析目前還不完善，有待進一步的研究。因此本文應用大型通用有限元分析軟件ANSYS13.0中的顯示動力分析模塊LS-DYNA以及流體分析模塊FLUENT，對受流體沖擊作用下兼有大位移及較大變形的板殼結構的流-固耦合作用進行了仿真分析。
展開 板殼結構是一種厚度方向的尺寸小于長度和寬度方向尺寸的結構。其中，表面為平面的稱為板，表面為曲面的稱為殼。由于殼體考慮表面曲率，從數值理論上來說要比板復雜很多。同時，板作為殼的一個特例，在實際分析時，完全可以被殼替代，也就是說殼更加通用。
1. 實物
板殼結構以其優良的輕量化和易于加工等性能，被廣泛應用于汽車船舶和航空領域遙。比如我們常看到的汽車飛機車身覆蓋件，還有我們不常看到的潛艇，壓力容器等結構，表面都是殼體結構。
2. 理論
板殼理論是以彈性力學與若干工程假設（KIRCHHOFF假設，KIRCHHOFF-LOVE假設，等等）為基礎，研究工程中的板殼結構在外力作用下的應力分布、變形規律和穩定性的學科。板殼理論在工程力學算是比較復雜的理論了。
3. 有限元建模分析
對于復雜的板殼結構，WELSIM提供了一些方便快捷的解決方案。今天我們就通過一個簡單的案例，來了解WELSIM所提供的對于殼體的支持功能。
3.1 CAD模型建立與導入
WELSIM內可以建立簡單的板型幾何模型，圖形界面如圖所示：
也可以導入STEP格式的CAD文件，如圖所示導入一個復雜的表面（Surface）模型。
用于是導入的模型，系統需要知道結構的類型，我們會在屬性窗口中，將結構類型（Structure Type）從Solid改為Shell。
結構類型設置為Shell以后，會有新的厚度與積分點數量的屬性出現，用戶可以設置殼體的厚度。
3.2 網格劃分
目前v1.7版本的殼單元求解支持TRI3單元，所以我們選用TRI3網格的自動劃分。簡單設置一下參數，很快可以得到網格。劃分好的網格一共有263個節點，437個三角單元。
展開 隨著復合材料在工業領域的廣泛應用，復合材料板殼結構的穩定性特性，包括屈曲和后屈曲特性，成為設計人員十分關注的一個問題。為此，本文采用商用有限元軟件NASTRAN對復合材料板殼結構的穩定性進行了分析。首先，為了驗證有限元模型和分析過程的正確性，分析了矩形薄板在受到面內均勻和線性分布載荷作用下的穩定性問題，并與《飛機設計手冊》中的結果進行了比較，發現了《手冊》中個別情況的數據不夠精確，給出了正確結果；還分析了雙向加載復合材料加筋薄板穩定性問題，與已有的結果相比較，討論了誤差原因。其次，分析了三種典型邊界條件下多種邊長比矩形薄板在受到面內非均勻載荷作用下的穩定性問題，引入了當量載荷因子并給出了相應的公式以方便設計者的使用。然后，分析了球殼、柱殼和加筋柱殼的非線性穩定性問題，給出了屈曲和后屈曲全過程，并與現有的文獻結果相比較，再次驗證了有限元模型和分析殼的非線性穩定性過程的正確性。第四，在此基礎上分析了某復合材料加筋雙曲率殼非線性穩定性問題，給出了殼受橫向集中載荷、剪切載荷和兩種載荷的聯合作用下的屈曲和后屈曲全過程的結果，以及聯合載荷作用下的相關曲線，為復合材料雙曲加筋殼設計和應用提供了參考，也為采用新的計算方法研究此類結構提供了對比數據
板殼非線性有限元穩定性分析.pdf
展開 工程結構分析中，除了常見的實體單元，板殼單元也是應用廣泛的一種有限元方法單元。尤其是在分析曲面薄壁結構中，殼單元比用實體單元方法效率要高很多，因此實際工程中廣泛應用。
通用有限元軟件WELSIM同時也支持對殼體結構的模態分析功能。只需要簡單的設置，用戶可以方便、快速、準確的得到結構件的固有頻率和振型。下面我們以薄壁圓筒為例，看看如何對其進行模態分析。
打開WELSIM軟件后。首先設置材料屬性。添加一個材料節點，并命名為myMat，設定楊氏模量為7.1e7 kg/(mm s2)，泊松比0.33，質量密度2.7e-6 kg/mm3。這是一個鋁合金的材料。
設置分析類型，在FEM項目節點屬性中，設置分析類型為模態（Modal）。
通過導入含有曲面（Surface）幾何體的STEP文件來建立空心圓柱模型。并賦予myMat材料屬性。由于是板橋結構，還需要在Structure Type屬性中，設置為殼體(Shell)，并設置殼體厚度（Thickness）為1。如圖所示：
在網格設置中，設置最大單元尺寸為2，其他采用默認設置。共生成了7,207個節點，14,288個Tri3單元。
對于沒有約束的三維結構，前6階的固有頻率為零。對于此薄壁圓筒模型，我們將一端的位移固定住。如圖所示，
點擊求解按鈕。系統默認是計算前6階模態，所以我們添加6個變型結果節點，來分別查看振型。為了更好的觀察變形，我們將變形顯示放大了10倍。
一階振型，固有頻率為297.8Hz。
二階振型，固有頻率為297.8Hz。
三階振型，固有頻率為379Hz。
四階振型，固有頻率為379Hz。
展開 由圖可以看出，該工裝屬于復雜的板殼類結構，處理起來非常復雜。
二、使用meshfree進行變形分析
將模型導入meshfree。由于meshfree的處理方式，只需要刪掉一些無用的零部件就可以了，最終生成的部件數321個和解除對902個。約束條件為地腳約束，載荷為重力載荷。如下圖所示：
對其進行受力分析，從模型處理到計算完成整個過程約1個小時。
從以上可以看出，整體的變形最大為1.4mm，垂向最大位移為0.79mm，小于標準值，安全
三、abaqus計算
此模型在使用abaqus進行計算時首先使用hypermesh進行網格劃分。由于對稱結果，采取1/2建模。模型（局部）如下：
對其進行分析。由于大量的板殼結構，需要進行復雜的幾何處理，并定義不同的截面屬性，整個分析大約一周。結果如下
由上可以看出，最大變形位移1.8mm。
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板殼結構的最新內容
對于板殼結構，由于其采用了Kirchhoff板假定，在此情況下相比實體單元，殼單元形函數更加逼近實際結構，其計算精度與計算代價均優于采用實體單元。
2、由于采用Kirchhoff板假定，即忽略混凝土板中鋼筋的粘結滑移行為，因此在精細化的鋼筋混凝土滯回模型中通常不再適用。
前 言
在現代工程結構分析中，板殼類結構（如航空航天領域的飛行器外殼、汽車工業的車身覆蓋件、土木工程中的薄殼屋頂等）的力學行為模擬面臨著高精度與高效率的雙重挑戰。
選取依據：
選用了典型的底盤件前下控制臂，該零件涉及沖壓、焊接、鍛造成型工藝，同時從實體下控制臂結構和板殼下控制臂結構兩方面驗證軟件的精度。分析過程涉及到材料非線性和幾何非線性。
后保險杠結構型面復雜，使用傳統有限元前處理耗時較多，仿真工況涉及約束模態分析以及表面剛度分析。
選取依據：
選用了典型的底盤件前下控制臂，該零件涉及沖壓、焊接、鍛造成型工藝，同時從實體下控制臂結構和板殼下控制臂結構兩方面驗證軟件的精度。分析過程涉及到材料非線性和幾何非線性。
后保險杠結構型面復雜，使用傳統有限元前處理耗時較多，仿真工況涉及約束模態分析以及表面剛度分析。
將壓電材料粘貼于板殼等結構表面或置入結構內部，通過測量壓電材料隨著結構的機械變形而產生的電荷量，可以推導出結構的變形狀態。這種能夠精確反應結構變形的能力被研發成壓電傳感器而廣泛應用。反而，逆壓電效應是給壓電材料施加電場后，材料內部正負電荷中心也會發生相對移動，使得壓電材料產生相應的機械變形，其變形程度也與外加電場成一定比例關系。
因此工程設計中滿足板殼理論的結構件可以直接采用默認的BT殼單元進行仿真，節省模型計算時間。
表1 Dynaform單元類型與接觸壓力的關系(單位：MPa)
板料網格大小的影響
圖3是不同板料網格大小情況下板料―凹模圓角界面接觸壓力對比情況，其他條件為壓邊力12MPa,BT殼單元，網格大小為0.25mm，采用5個積分點，虛擬沖壓速度2000mm/s。
在有限元分析中，首先要對車體幾何模型進行簡化處理，采用共節點的方式來模擬車體的實際焊接關系，車體幾何模型處理好后再對車體結構進行網格劃分，對于厚度遠小于長寬尺寸的板殼結構采用二維網格劃分，而對于相對較為復雜的結構則采用三維實體網格劃分，二維及三維網格的單元尺寸均為20 mm,從而保證了節點之間耦合關系，其中二維四邊形網格數量為60 176個，二維三角形網格數量為447個，三維網格數量為78 567個
圖2 熱固耦合分析案例
殼結構分析功能
板殼結構的工程產品非常普遍，廣泛應用于汽車、機械、航空航天等領域。
圖2 浮筒結構示意圖
浮筒結構設計過程中主要考慮以下內容：
浮筒容積能夠滿足整個系統所需的浮力，通常根據作業海域的環境數據和系泊能力確定
轉臺、上部設備及各種工況中外部荷載條件下，板殼結構、柱殼結構和梁部件的屈曲、斷裂和屈服強度校核，通常采用有限元方法進行分析，常用軟件包括ANSYS，ABAQUS和ADINA等
如果分析實體或板殼結構，需要了解應力（變）狀態、主應力（變）、平面問題、軸對稱問題以及3D問題的基本方程和邊界條件、薄板彎曲理論等，了解典型問題的理論解答。
對于熱分析和熱應力分析，需要了解傅里葉定律、導熱系數、熱膨脹系數等概念，了解固體熱傳導方程及其邊界條件，了解熱應力分析基礎知識。
