Comparaison entre 1D, 2Eléments D et 3D dans l'analyse structurelle

introduction

Les ingénieurs en structure utilisent une grande variété de membres dès la phase conceptuelle d'un projet de bâtiment ou d'infrastructure. Modélisation précise de ces éléments à l'aide d'un logiciel d'éléments finis, comme SkyCiv, est d'une grande importance dans le processus de conception, car une modélisation précise des éléments peut à la fois réduire les coûts et garantir une conception sûre. Différentes méthodes de modélisation existent pour simuler le comportement structurel des poteaux, poutres, des murs, ou dalles utilisant 1D, 2Éléments D et 3D. Cet article explique les principales différences entre les différentes techniques de modélisation utilisées dans un cycle de conception technique régulier. Plus précisément, se concentrer sur la modélisation, état de contrainte et de déformation, et résultats.

Phase de modélisation (prétraitement)

Géométrie

1Les approches de modélisation D sont utilisées pour modéliser les membres de type ligne tels que les colonnes / jetées, poutres ou pieux. La représentation de la ligne est auto-définie par l'utilisateur via une section et toutes les propriétés géométriques de l'élément (largeur, la hauteur, etc.).

2Les techniques de modélisation en D sont couramment utilisées pour les éléments de type plaque tels que les murs, dalles, coquilles, culées de bridge, réservoirs, silos ou dômes. Pour tous ces membres, les deux dimensions perpendiculaires à l'épaisseur sont considérées comme beaucoup plus grandes que l'épaisseur. C'est donc uniquement l'épaisseur de la dalle qui doit être définie comme propriété de section par l'utilisateur avant l'analyse. Par contre, il existe des limitations lors de l'utilisation de techniques de modélisation 2D car des règles strictes doivent être respectées, afin d'obtenir les résultats les plus précis. Les principales règles qui suivent sont le rapport entre l'épaisseur et la surface de la plaque elle-même, car l'utilisation d'une plaque à rapport épaisseur / surface très élevé entrera dans le domaine de la modélisation 3D où toutes les hypothèses faites à l'aide d'éléments 2D ne sont plus vraies.

3Les éléments D peuvent être utilisés pour modéliser n'importe quel élément de structure. Dans le cas présent, chaque membre du modèle est généralement divisé en éléments 3D volumétriques égaux. Tel qu'il est, Programmes de CAO (comme SolidWorks) sont utilisés pour créer ces modèles 3D, il donne la possibilité de créer des modèles 3D plus complexes utilisés pour l'analyse structurelle. Par exemple, le même cadre de vélo vu avec les éléments 1D peut être reproduit à l'aide d'éléments 3D, avec le résultat suivant:

Source: SimScaleUn gros inconvénient de l'utilisation d'éléments 3D, est sa modélisation (le modèle ci-dessus peut prendre jusqu'à 10 fois plus de temps que la modélisation 1D ) et temps de résolution. 3Les éléments D tentent de capturer pleinement la physique du modèle, en interne et en externe en utilisant des calculs lourds de calculs nécessaires pour résoudre l'analyse au prix de plus de temps passé sur le modèle lui-même.

Maillage

Le maillage étant une étape cruciale dans toute analyse structurelle, il est important que les utilisateurs soient conscients de l'impact du maillage sur 1D, 2D, et éléments 3D sur un modèle.

Comme indiqué précédemment, 1Les éléments D sont couramment utilisés pour représenter les éléments de ligne et peuvent fournir un comportement de flexion précis d'un élément. 1Le maillage de l'élément D est la division du membre en plusieurs segments, cela n'affecte pas le résultat global mais plus de segments permet une visualisation plus fluide et meilleure des résultats.

2Les éléments D et 3D présentent des traits similaires en termes de maillage. Chaque membre à l'intérieur du modèle est divisé en plusieurs parties d'une certaine forme, la taille du maillage du modèle affecte les résultats finaux et que plus le maillage est fin (formes plus petites utilisées) plus le temps de résolution du modèle est long. Deux formes sont utilisées pour les deux éléments 2D dans le maillage, éléments quadrilatéraux et triangulaires. 3Les formes des éléments D sont des variations issues des formes des éléments 2D, les formes couramment utilisées sont les hexaèdres, tétraèdres, coins et pyramides offrant chacun des avantages différents pour mieux modéliser la physique du modèle lui-même.

Extrants (post-traitement)

Les résultats d'analyse des éléments modélisés à l'aide d'éléments 1D sont généralement donnés en termes de force de cisaillement et de moment de flexion autour des deux axes principaux des éléments, ainsi que de force axiale et de moment de torsion autour de l'axe qui relie les deux extrémités de l'élément..

Exemple de diagramme de force du moment de flexion dans le logiciel d'analyse 1DPour les éléments 2D, la sortie est illustrée comme force axiale, les efforts tranchants, moment de flexion et moment de torsion par unité de longueur.

Ces résultats peuvent inclure:

• • Forces membranaires
  • Forces de cisaillement / moment dans le plan
  • Déplacements (X,Y,z, somme)
  • Tondre (Von-mises, direct, de cisaillement, principal majeur / mineur)

Quand, les éléments de brique sont adoptés, les résultats sont donnés en termes de contraintes. Par conséquent, les forces internes et les réactions de soutien des éléments comme les murs de cisaillement, les coques ou dalles modélisées à l'aide d'éléments 2D ou d'éléments en briques sont obtenues par intégration de forces / moments internes par unité de longueur ou de contraintes sur la longueur ou la zone d'intérêt, respectivement.