第三章 預彎拱鈑之 ANSYS 分析
3.3 預彎拱鈑元件之 ANSYS 非線性分析
本研究有關預彎拱鈑幾何外型之建立方式，是運用 Solid Works 建立模型後匯出，接著再匯入ANSYS 進行有限元素分析。本例挫屈 消能元件模型係考慮固定初始弦切勁度角( q0= 0.49 ) 及預彎拱鈑之
全長（ L =208.4mm），並分別考慮不同之厚度( t )，包括 1mm、2 mm 及3mm 等三種情況，寬度比(β)均為 1，邊界條件則考慮為固接。
茲針對Solid Works 之建模過程作簡略說明。首先，在前基準面 插入草圖，如圖3.1 所示，當完成整體預彎拱鈑形狀函數之草圖後，
可使用指令偏移圖元對所需厚度( t )做調整，如圖 3.2 所示，以完成 預彎拱鈑之模型建立，依照實際尺寸所建構完成之分析模型如圖 3.3 所示，乃一厚度3mm 之預彎拱鈑模型，厚度 1mm 及 2mm 之預彎拱 鈑解析模型可依照相同方法建構出來。
3.3.2 網格元素種類之選取及描述
本研究進行挫屈消能元件建模時，係採用 SOLID186 元素。
SOLID186 為二階六面體元素， 該元素共有 20 個節點，每一個節點 各有3 個自由度，分別為 UX、UY、UZ，亦即 X、Y、Z 三個方向的 變位，如圖3.4 所示。該元素除了支援 linear elasticity 的問題外，還 可支援plasticity、creep 等非線性力學模式，以及 large deflection、large strain 等幾何非線性問題。
早期發展出來的 SOLID45、SOLID95、SOLID92 元素雖然也都 能支援大變形理論，但由於大變形常常與材料非線性模式一併考慮，
在雙重非線性下（幾何及材料非線性），其收斂性往往很差，甚至常
常無法收歛。因此，ANSYS 後期遂發展出 SOLID185、SOLID186 及 SOLID187 等元素，它們分別對應於 SOLID45、SOLID95 及 SOLID92 元素。當擬分析對象之行為同時包含幾何非線性及材料非線性的問題 時，這些編號 18X 之元素可用來取代舊有的元素。但對於求解線性 問題而言，以舊有的元素來分析反而更有效率。
3.3.3 定義材料參數
由於本研究之試體採用鋼材，在試驗過程將會降伏達到塑性，所 以在定義材料參數時，須設定材料彈性模數（Young’s modulus）柏松 比（Poison’s ratio）、密度(density)及降伏強度與降伏後的切線模數值，
並作等向性（isotropic）材料屬性之定義。本例考慮之彈性模數為 1011
2× Pa，柏松比為 0.33，密度為 7850 kg/m ，降伏強度為3 2.35×108 Pa， 降伏後之切線彈性模數為2×109Pa，即彈性模數的 0.01 倍。相 關參數之設定如圖3.5 所示。
3.3.4 建立網格
接著進行網格劃分（meshing）以建立完整之有限元素模型，選 擇meshing 選項中元素大小控制（size controls）的 mannul size，再選 擇其中之Global size（圖 3.6）自訂元素分割大小，採用自由網格（free mesh）進行劃分（圖 3.7），即可完成有限元素模型，如圖 3.8 所示。
3.3.5 邊界條件之設定
本案例之邊界條件皆考慮為固接形式。為了模擬預彎拱鈑兩端以 螺栓固定的情況，所以在邊界條件設置時，將預彎拱鈑兩側端鈑的 上、下面做y 向的束制，並於左側端鈑的左側面節點做 x、y、z 三向 的束制，而右側端鈑的右側面節點僅做y 及 z 方向的束制，以允許其 x 方向作位移控制之加載之動作，如圖 3.9 所示。