基于Tekla Structure与Ansys Workbench联合应用的有限元分析

吴 彬

(海洋石油工程(青岛)有限公司，山东青岛 266520)

在海洋工程钢结构的设计和建造领域，Tekla Structures和Ansys workbench是两款常用的分别用于建模和计算的软件。Tekla Structure能够建立精细准确的三维模型，输出单件图、布置图和MTO等加工设计文件[1]；Ansys常被用来对建造中涉及到的吊装运输以及工装设计等力学问题进行有限元分析，得出应力和变形的计算结果，进而指导相关设计[2]。

由于Tekla Structure与Ansys所使用的是两种不同类型的模型，以往常常是已经有了Tekla的模型，仍需工程师根据图纸信息再创建Ansys模型，或者再借助Solidworks 等其他三维建模软件建立Ansys可以读取的模型，然后才可以进行计算分析，这就消耗了大量的时间和精力，若使用其他三维软件还需要花费额外的软件租赁费用。使用Tekla Structure 模型通过插件转换成.stp等格式，再导入到Ansys Workbench中进行后续的计算分析，能够减少重复性劳动，大幅提高工作效率，节约成本。以某项目模块总装垫墩的有限元分析为例，给出联合应用的流程步骤。1Tekla Structure 模型输

1.1 结构模型

图1 Tekla Structure中创建的垫墩模型(含模块立柱)

某项目模块总装垫墩使用Q345B等级的钢板制作而成，底板长1.5 m，宽1.5 m，垫墩总高0.6 m。垫墩支撑在模块立住的下方，如图1所示，立柱最大支反力为200 t。

1.2 模型输出

打开已经建好的Tekla Structure模型，选中所需部分，在“文件”→“输出”→“发布为网页”选项卡中选择“输出内容”为“所选对象”，“发布类型”选择为“XML”，在自定义输出路径及文件名后点击“发布”即可，如图2所示。

图2 Tekla Structure将模型发布为网页版

2 模型转换

运行Tekla Structure的模型转换软件“Tekla Step Iges Converter”，在“file”菜单下点击“open”，找到刚刚发布的.xml格式的文件所存放位置并打开，预览之后另存为.stp格式，该格式可被ANSYS软件读取。

3 Ansys 模型前处理模型转换

在Ansys计算之前，可对模型进行合理简化和抽取中面等操作，以便更好更快的进行有限元计算。前处理使用Ansys软件自带的Space Claim模块进行，Space Claim软件具有强大的“修复”(见图3)和“准备”(见图4)功能，可以快速有效地完成去除不需要的孔、小的导圆、倒角、去除小的凸台等前处理工作。

用Space Claim软件打开已经保存好的.stp格式的文件后，首先使用“修复”功能下的“拼接”、“间距”和“缺失的面”对模型进行修复。考虑到此模型符合板壳计算的条件，可采用板壳单元代替实体单元进行计算，可以大大减少单元数量，提高计算速度，所有采用“准备”功能下的“中间面”将实体结构抽取中间面。抽取中面后，再使用“延伸”功能将部分构件进行延申以弥补因实体结构抽取成面后厚度方向上出现的间距。

图3 Space Claim修复功能

图4 Space Claim抽中面及延申功能

4 Ansys Workbench导入模型并计算

4.1 模型导入到Ansys Workbench

在Space Claim菜单栏中有个“workbench”选项，可直接将模型共享到workbench之中并打开。在workbench打开之后，拖动一个静力计算到模型上，如图5所示，然后双击“model”并进入mechanical模块。

图5 模型导入及静力计算的创建

4.2 赋予材料属性

垫墩所使用材料均为Q345B的碳素钢，屈服强度为σs=345 MPa，弹性模量E=2.0×105MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7850 kg/m3。根据ABS规范“海上移动式钻井装置的建造和分级规则”[3]中的规定计算得到，采用冯米塞斯应力时其许用应力为241 MPa。

4.3 接触设置及网格划分

根据实际情况，对不同的板之间需连接的，在“connections”中设置合理的接触对，然后采用SHELL181单元对所有板材划分网格。网格划分在能够保证计算精度的前提下尽可能精简，最终控制垫墩网格大小为20 mm，立柱网格大小为50 mm，共生成23046个单元。

4.4 边界条件及荷载施加

将垫墩与水泥平台直接接触的下底面设置为“fixsupport”固定约束。垫墩整体施加“standardearthgravity”，并在立柱顶端施加大小为3×106N的“force”(200 t的支反力，并考虑1.5倍的安全系数)。

4.5 计算及结果分析

在“solution”选项中插入等效应力及总体变形结果选项，并进行求解。求解后便得到垫墩的等效应力云图和变形云图，如图6所示，最大应力为214.77 MPa，小于许用应力241 MPa，满足强度要求；变形只有0.29 mm，在允许范围内，满足刚度要求。

图6 垫墩等效应力云图及总体变形云图

5 结论

结合实际工程项目中总装垫墩的分析计算，说明了从Tekla Structure软件中导出三维模型并导入到Ansys Workbench中进行有限元分析是可行的，Tekla Structure建模与Ansys Workbench分析有效结合，能够有效提高工作效率，操作和修改优化更加简单、方便。