一维之间的比较, 2结构分析中的D和3D元素

介绍

在建筑或基础设施项目的概念阶段，结构工程师已经使用了各种各样的成员. 使用有限元软件对此类成员进行精确建模, 例如SkyCiv, 在设计过程中非常重要, 精确建模的成员既可以降低成本，又可以确保安全的设计. 存在多种建模方法来模拟圆柱的结构行为, 横梁, 墙, 或使用一维平板, 2D和3D元素. 本文介绍了常规工程设计周期中使用的各种建模技术之间的主要区别. 特别, 专注于建模, 应力和变形状态, 和结果.

建模阶段 (预处理)

几何

1D建模方法用于建模线型成员（例如列） / 码头, 梁或桩. 线条的表示由用户通过截面和该成员的所有几何特性自行定义 (宽度, 高度, 等等).

2D建模技术通常用于板式构件（例如墙）, 平板, 炮弹, 桥基台, 战车, 筒仓或圆顶. 对于所有这些成员, 垂直于厚度的两个维度被认为比厚度大得多. 因此，在分析之前，仅板厚必须由用户定义为截面属性. 然而, 使用2D建模技术时存在限制，因为要遵守严格的规则, 为了获得最准确的结果. 遵循的主要规则是板本身的厚度与面积之比, 因为使用非常高的厚度/面积比板将进入3D建模领域，其中使用2D元素进行的所有假设都不再成立.

3D元素可用于对任何结构构件进行建模. 在这种情况下, 模型的每个成员通常分为等体积的3D元素. 就目前而言, CAD程序 (例如SolidWorks) 用于创建这些3D模型, 它使您有机会创建用于结构分析的更复杂的3D模型. 例如, 可以使用3D元素复制与1D元素相同的自行车车架, 结果如下:

资源: SimScale使用3D元素的一大弊端, 是它的造型 (上述模型可能要比一维模型花费多达10倍的时间 ) 和解决时间. 3D元素试图完全捕捉模型的物理性质, 通过利用解决模型所需的大量计算来进行内部和外部计算，但要花费更多时间在模型本身上.

网格划分

由于网格划分是任何结构分析中的关键步骤, 用户必须意识到网格对一维的影响很重要, 2d, 和模型上的3D元素.

正如先前所说, 1D元素通常用于表示线构件，并且可以提供构件的精确弯曲行为. 1D元素网格划分是将成员划分为多个段, 这不会影响整体结果，但是更多的细分可以使结果更流畅，更好地可视化.

2D和3D元素在网格化方面表现出相似的特征. 模型中的每个成员都被划分为特定形状的多个部分, 模型的网格大小会影响最终结果，并且网格越细 (使用较小的形状) 解决模型花费的时间越长. 网格中的两个2​​D元素都有两种形状, 四边形和三角形元素. 3D元素形状是源自2D元素形状的变化, 常用的形状是六面体, 四面体, 楔形和金字塔形，每个都有不同的优点，可以更好地对模型本身的物理模型进行建模.

输出量 (后期处理)

使用一维元素建模的构件的分析结果通常以围绕构件两个主轴的剪切力和弯曲力矩以及围绕连接构件两端的轴线的轴向力和扭转力矩的形式给出.

一维分析软件中的弯矩力图示例对于2D元素, 输出显示为轴向力, 剪力, 单位长度的弯矩和扭转力矩.

这样的结果可以包括:

• • 膜力
  • 飞机上的剪切/力矩
  • 排量 (X,和,与, 和)
  • 剪力 (冯米斯, 直接, 剪力, 主要/次要校长)

什么时候, 采用砖块元素, 结果是根据压力给出的. 因此, 剪力墙等构件的内力和支撑反作用, 通过对每单位长度的内力/力矩或感兴趣的长度或区域上的应力进行积分，可以获得使用2D元素或砖块元素建模的壳体或平板, 分别.