Vergleich zwischen 1D, 2D- und 3D-Elemente in der Strukturanalyse

Einführung

Bauingenieure setzen bereits in der Konzeptionsphase eines Gebäude- oder Infrastrukturprojekts eine Vielzahl von Mitgliedern ein. Genaue Modellierung solcher Elemente mithilfe von Finite-Elemente-Software, wie SkyCiv, ist im Entwurfsprozess von großer Bedeutung, Eine genaue Modellierung der Elemente kann sowohl die Kosten senken als auch ein sicheres Design gewährleisten. Es gibt verschiedene Modellierungsmethoden, um das strukturelle Verhalten von Säulen zu simulieren, Balken, Wände, oder Platten mit 1D, 2D- und 3D-Elemente. In diesem Artikel werden die Hauptunterschiede zwischen den verschiedenen Modellierungstechniken erläutert, die in einem regulären Konstruktionszyklus verwendet werden. Speziell, Konzentration auf die Modellierung, Spannungszustand und Verformung, und Ergebnisse.

Modellierungsphase (Vorverarbeitung)

Geometrie

1D Modellierungsansätze werden zum Modellieren von linientypischen Elementen wie Spalten verwendet / Pfeiler, Balken oder Pfähle. Die Darstellung der Linie wird vom Benutzer über einen Abschnitt und alle geometrischen Eigenschaften des Elements selbst definiert (Breite, Höhe, etc.).

2D-Modellierungstechniken werden üblicherweise für plattenartige Elemente wie Wände verwendet, Platten, Muscheln, Brückenpfeiler, Panzer, Silos oder Kuppeln. Für alle diese Mitglieder, Die beiden Dimensionen senkrecht zur Dicke werden als viel größer als die Dicke angesehen. Es ist daher nur die Plattendicke, die vom Benutzer vor der Analyse als Abschnittseigenschaft definiert werden muss. Jedoch, Bei der Verwendung von 2D-Modellierungstechniken gibt es Einschränkungen, da strenge Regeln eingehalten werden müssen, um die genauesten Ergebnisse zu erhalten. Die folgenden Hauptregeln sind das Verhältnis zwischen der Dicke und der Fläche der Platte selbst, Die Verwendung einer Platte mit einem sehr hohen Verhältnis von Dicke zu Fläche wird in den Bereich der 3D-Modellierung eintreten, in dem alle mit 2D-Elementen getroffenen Annahmen nicht mehr zutreffen.

3D-Elemente können zur Modellierung eines beliebigen Bauteils verwendet werden. In diesem Fall, Jedes Mitglied des Modells ist üblicherweise in gleiche volumetrische 3D-Elemente unterteilt. So wie es steht, CAD-Programme (wie SolidWorks) werden verwendet, um diese 3D-Modelle zu erstellen, Es bietet die Möglichkeit, komplexere 3D-Modelle für die Strukturanalyse zu erstellen. Zum Beispiel, Der gleiche Fahrradrahmen wie bei den 1D-Elementen kann mithilfe von 3D-Elementen repliziert werden, mit folgendem Ergebnis:

Quelle: SimScaleEin großer Nachteil bei der Verwendung von 3D-Elementen, ist seine Modellierung (Das obige Modell kann bis zu 10x länger dauern als die 1D-Modellierung ) und Zeit lösen. 3D elements versucht, die Physik des Modells vollständig zu erfassen, intern und extern durch Verwendung rechenintensiver Berechnungen, die zur Lösung der Analyse erforderlich sind, auf Kosten eines höheren Zeitaufwands für das Modell selbst.

Vernetzung

Da die Vernetzung ein entscheidender Schritt in jeder Strukturanalyse ist, Es ist wichtig, dass Benutzer die Auswirkungen der Vernetzung auf 1D kennen, 2D., und 3D-Elemente auf einem Modell.

Wie bereits erwähnt, 1D-Elemente werden üblicherweise zur Darstellung von Linienelementen verwendet und können ein genaues Biegeverhalten eines Elements bereitstellen. 1Das D-Element-Meshing ist die Aufteilung des Elements in mehrere Segmente, Dies wirkt sich nicht auf das Gesamtergebnis aus, aber mehr Segmente ermöglichen eine glattere und bessere Visualisierung der Ergebnisse.

2D- und 3D-Elemente weisen ähnliche Merkmale hinsichtlich der Vernetzung auf. Jedes Element innerhalb des Modells ist in mehrere Teile einer bestimmten Form unterteilt, Die Maschengröße des Modells beeinflusst die Endergebnisse und je feiner das Netz (kleinere Formen verwendet) Je länger die Zeit dauert, um das Modell zu lösen. Es gibt zwei Formen, die für beide 2D-Elemente beim Vernetzen verwendet werden, viereckige und dreieckige Elemente. 3D-Elementformen sind Variationen, die sich aus den 2D-Elementformen ergeben, häufig verwendete Formen sind Hexaeder, Tetraeder, Keile und Pyramiden mit jeweils unterschiedlichen Vorteilen, um die Physik des Modells selbst besser zu modellieren.

Ausgabe (Nachbearbeitung)

Die Analyseergebnisse für Elemente, die unter Verwendung von 1D-Elementen modelliert wurden, werden normalerweise als Scherkraft und Biegemoment um die beiden Hauptachsen der Elemente sowie als Axialkraft und Torsionsmoment um die Achse angegeben, die beide Enden des Elements verbindet.

Beispiel eines Biegemomentkraftdiagramms in einer 1D-AnalysesoftwareFür 2D-Elemente, Die Ausgabe ist als Axialkraft dargestellt, Querkraft, Biegemoment und Torsionsmoment pro Längeneinheit.

Solche Ergebnisse können umfassen:

• • Membrankräfte
  • Scher- / Momentkräfte in der Ebene
  • Verschiebungen (x,und,mit, Summe)
  • Scheren (Von-mises, Direkte, Schub-, Haupt- / Nebenprinzip)

Wann, Ziegelelemente werden übernommen, Die Ergebnisse sind in Bezug auf Spannungen angegeben. Deshalb, die inneren Kräfte und Stützreaktionen von Elementen wie Scherwänden, Schalen oder Platten, die unter Verwendung von 2D-Elementen oder Ziegelelementen modelliert wurden, werden durch Integration von Schnittgrößen / Momenten pro Längeneinheit oder Spannungen über die Länge oder den interessierenden Bereich erhalten, beziehungsweise.