《有限元法及其应用》，机械工业出版社，2006, 光盘演示算例

05 单元生死算例 (ANSYS)

土木工程中经常需要对施工过程进行模拟。很多复杂工程构件的最不利受力状态往往未必是在结构完工以后，而是在结构施工过程中。由于施工中的结构是一个时变系统，如何进行准确的模拟是一个具有一定难度的问题。本例子将利用ANSYS提供的单元"生死"功能来进行一个门式框架的施工模拟

施工分为三步
1: 建立立柱和临时支撑
2: 安装横梁
3: 去掉临时支撑

知识要点
(1) 单元激活和杀死

(1) 首先定义以下变量
SECTWIDTH=300 !构件截面宽度300mm
SECTHEIGHT=600 !构件截面高度600mm
SECTAREA=SECTWIDTH*SECTHEIGHT !截面面积
SECTIYY=SECTWIDTH**3*SECTHEIGHT/12. !截面Y轴惯性矩
SECTIZZ=SECTWIDTH*SECTHEIGHT**3/12. !截面Z轴惯性矩
SPAN=24000 !跨度24m
COLUMNHEIGHT=8000 !柱子高度8m
SLOP=3000 !顶部斜坡3m

(2) 进行施工模拟首先要建立整个结构的模型，然后逐个控制模型中部分构件的"生"或"死"来模拟结构的施工。首先选择单元，为简单起见，选用比较简单的单元（空间4号梁单元Beam 4），在ANSYS主菜单Preprocessor->Element Type->Add/Edit/Delete，添加单元Beam4
(3) 在ANSYS主菜单Preprocessor->Real Constants->Add/Edit/Delete中添加属于Beam 4单元的截面信息如下图

(4) 在ANSYS主菜单Materials Props->Material Models中添加混凝土材料属性：Structural->Linear->Elastic->Isotropic，输入弹性模量为30E3，泊松比为0.2，Structural->Density，输入密度为2500E-12
(5) 下面建立结构模型，首先建立关键点信息，在ANSYS主菜单Preprocessor->Modeling->Create->Keypoints->In Active CS，依次输入以下关键点：
关键点编号 X坐标 Y坐标 Z坐标

(6) 选择ANSYS主菜单Preprocessor->Modeling->Create->Lines->Lines->Straight Line，依次连接关键点1－4（左立柱），2－6（临时支撑），3－5（右立柱），4－6（左横梁--，5－6（右横梁），得到结构模型如图

(7) 下面进行单元网格划分，进入ANSYS主菜单Preprocessor->Meshing->Size Cntrls->ManualSize->Lines->All Lines，设定NDIV no. of element division为1，即所有的直线只划分为一个单元。
(8) 进入ANSYS主菜单Preprocessor->Meshing->Mesh->Lines，对所有直线划分单元
(9) 至此完成所有的建模操作，可以在ANSYS窗口顶部菜单PlotCtrls->Style->Size and Shape，将Display of element设置为ON，得到结构如图

(10) 下面开始给结构添加边界条件。首先进入ANSYS主菜单Solution->Define Loads->Apply->Structural->Displacement->On Keypoints，选择关键点1、2、3，选择位移约束为ALL DOF。
(11) 下面添加重力荷载，进入ANSYS主菜单Solution->Define Loads->Apply->Structural->Inertia->Gravity->Global，设定加速度为延Y轴9.8E3

(12) 进入ANSYS主菜单Solution->Analysis Type->New Analysis，选择分析类型为Static，进入ANSYS主菜单Solution->Analysis Type->Sol'n Controls，首先在基本分析选项（Basic）里面设定分析类型为大位移分析（Large displacement analysis），分析预期荷载子步数为3，最小子步数为1。接着进入Nonlinear页面，选择Set convergence criteria按钮，进入收敛标准设置窗口，在Nonlinear convergence Criteria窗口中点击Edit按钮，设置收敛标准为力(Force)的2范数(L2 Norm)标准，误差容限为0.001。


(13) 下面进行施工模拟。我们前面提过，在施工模拟的第一步，我们施工好两个立柱和中间支撑，还没有施工横梁。所以在第一步分析中我们要"杀死"两个横梁单元。在ANSYS主菜单Solution->Load Step Opts->Other->Birth & Death->Kill Elments，点击两个横梁单元，将它们杀死。
(14) 下面进行第一步求解，进入ANSYS主菜单Soluion->Solve->Current LS，求解当前荷载步
(15) 选择ANSYS顶部菜单Select->Entities，设定选取单元的方式为选取所有"活着" 的单元，进入ANSYS主菜单General Postproc->Plot Results->Deformed Shape，得到目前单元的变形如图。


(16) 下面开始施工横梁。进入ANSYS主菜单Solution->Analysis Type->Restart。继续上一步计算
(17) 在ANSYS窗口顶部菜单Select->Everything，选择所有单元。在ANSYS主菜单Solution->Load Step Opts->Other->Birth & Death->Active Elements，点击两个横梁单元，将其"激活"
(18) 下面进行第二步求解，进入ANSYS主菜单Soluion->Solve->Current LS，求解当前荷载步
(19) 进入ANSYS主菜单General Postproc->Plot Results->Deformed Shape，得到当前单元的变形如图。

(20) 最后一步我们要拆去中间支撑。进入ANSYS主菜单Solution->Analysis Type->Restart。继续上一步计算
(21) 在ANSYS主菜单Solution->Load Step Opts->Other->Birth & Death->Kill Elements，点击中间临时支柱，将其"杀死"
(22) 下面进行第三步求解，进入ANSYS主菜单Solution->Solve->Current LS，求解当前荷载步
(23) 选择ANSYS顶部菜单Select->Entities，设定选取单元的方式为选取所有"活着" 的单元，进入ANSYS主菜单General Postproc->Plot Results->Deformed Shape，得到目前单元的变形如图。此时得到结构的最大变形为91.437mm

(24) 如果不考虑施工过程，则最大变形将有所不同，如图所示