基于Tekla Structure與Ansys Workbench聯合應用的有限元分析

吳 彬

(海洋石油工程(青島)有限公司，山東青島 266520)

在海洋工程鋼結構的設計和建造領域，Tekla Structures和Ansys workbench是兩款常用的分別用于建模和計算的軟件。Tekla Structure能夠建立精細準確的三維模型，輸出單件圖、布置圖和MTO等加工設計文件[1]；Ansys常被用來對建造中涉及到的吊裝運輸以及工裝設計等力學問題進行有限元分析，得出應力和變形的計算結果，進而指導相關設計[2]。

由于Tekla Structure與Ansys所使用的是兩種不同類型的模型，以往常常是已經有了Tekla的模型，仍需工程師根據圖紙信息再創建Ansys模型，或者再借助Solidworks 等其他三維建模軟件建立Ansys可以讀取的模型，然后才可以進行計算分析，這就消耗了大量的時間和精力，若使用其他三維軟件還需要花費額外的軟件租賃費用。使用Tekla Structure 模型通過插件轉換成.stp等格式，再導入到Ansys Workbench中進行后續的計算分析，能夠減少重復性勞動，大幅提高工作效率，節約成本。以某項目模塊總裝墊墩的有限元分析為例，給出聯合應用的流程步驟。1Tekla Structure 模型輸

1.1 結構模型

圖1 Tekla Structure中創建的墊墩模型(含模塊立柱)

某項目模塊總裝墊墩使用Q345B等級的鋼板制作而成，底板長1.5 m，寬1.5 m，墊墩總高0.6 m。墊墩支撐在模塊立住的下方，如圖1所示，立柱最大支反力為200 t。

1.2 模型輸出

打開已經建好的Tekla Structure模型，選中所需部分，在“文件”→“輸出”→“發布為網頁”選項卡中選擇“輸出內容”為“所選對象”，“發布類型”選擇為“XML”，在自定義輸出路徑及文件名后點擊“發布”即可，如圖2所示。

圖2 Tekla Structure將模型發布為網頁版

2 模型轉換

運行Tekla Structure的模型轉換軟件“Tekla Step Iges Converter”，在“file”菜單下點擊“open”，找到剛剛發布的.xml格式的文件所存放位置并打開，預覽之后另存為.stp格式，該格式可被ANSYS軟件讀取。

3 Ansys 模型前處理模型轉換

在Ansys計算之前，可對模型進行合理簡化和抽取中面等操作，以便更好更快的進行有限元計算。前處理使用Ansys軟件自帶的Space Claim模塊進行，Space Claim軟件具有強大的“修復”(見圖3)和“準備”(見圖4)功能，可以快速有效地完成去除不需要的孔、小的導圓、倒角、去除小的凸臺等前處理工作。

用Space Claim軟件打開已經保存好的.stp格式的文件后，首先使用“修復”功能下的“拼接”、“間距”和“缺失的面”對模型進行修復。考慮到此模型符合板殼計算的條件，可采用板殼單元代替實體單元進行計算，可以大大減少單元數量，提高計算速度，所有采用“準備”功能下的“中間面”將實體結構抽取中間面。抽取中面后，再使用“延伸”功能將部分構件進行延申以彌補因實體結構抽取成面后厚度方向上出現的間距。

圖3 Space Claim修復功能

圖4 Space Claim抽中面及延申功能

4 Ansys Workbench導入模型并計算

4.1 模型導入到Ansys Workbench

在Space Claim菜單欄中有個“workbench”選項，可直接將模型共享到workbench之中并打開。在workbench打開之后，拖動一個靜力計算到模型上，如圖5所示，然后雙擊“model”并進入mechanical模塊。

圖5 模型導入及靜力計算的創建

4.2 賦予材料屬性

墊墩所使用材料均為Q345B的碳素鋼，屈服強度為σs=345 MPa，彈性模量E=2.0×105MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7850 kg/m3。根據ABS規范“海上移動式鉆井裝置的建造和分級規則”[3]中的規定計算得到，采用馮米塞斯應力時其許用應力為241 MPa。

4.3 接觸設置及網格劃分

根據實際情況，對不同的板之間需連接的，在“connections”中設置合理的接觸對，然后采用SHELL181單元對所有板材劃分網格。網格劃分在能夠保證計算精度的前提下盡可能精簡，最終控制墊墩網格大小為20 mm，立柱網格大小為50 mm，共生成23046個單元。

4.4 邊界條件及荷載施加

將墊墩與水泥平臺直接接觸的下底面設置為“fixsupport”固定約束。墊墩整體施加“standardearthgravity”，并在立柱頂端施加大小為3×106N的“force”(200 t的支反力，并考慮1.5倍的安全系數)。

4.5 計算及結果分析

在“solution”選項中插入等效應力及總體變形結果選項，并進行求解。求解后便得到墊墩的等效應力云圖和變形云圖，如圖6所示，最大應力為214.77 MPa，小于許用應力241 MPa，滿足強度要求；變形只有0.29 mm，在允許范圍內，滿足剛度要求。

圖6 墊墩等效應力云圖及總體變形云圖

5 結論

結合實際工程項目中總裝墊墩的分析計算，說明了從Tekla Structure軟件中導出三維模型并導入到Ansys Workbench中進行有限元分析是可行的，Tekla Structure建模與Ansys Workbench分析有效結合，能夠有效提高工作效率，操作和修改優化更加簡單、方便。