以网壳结构为例，浅谈从3D3S到ABAQUS及ANSYS的荷载导入
以网壳结构为例，浅谈从3D3S到ABAQUS及ANSYS的荷载导入
3D3S软件基于AUTOCAD平台，是一款出色且便捷的结构设计计算软件，其中的网架网壳生成模块可通过参数化建模，快速生成各类网架/壳结构，给设计人员提供了很大的便利。
在空间网格结构中，单层网壳结构需要进行整体稳定性能的计算分析，尽管目前常用的结构设计软件包括3D3S等，都有整体稳定性分析的功能，但常常需要使用通用有限元软件如ABAQUS、ANSYS等对其计算结果进行校核，或进行更深入的分析。此时就需要在上述通用有限元软件中建立相应模型，而空间网格结构的模型信息及其复杂，一般需要借助导出功能，如3D3S：
操作流：【结构建模】~【导出】~【ANSYS文件或ABAQUS文件】
其中，ANSYS生成.mac文件，而ABAQUS生成.inp文件。而在导出模型过程中，导出的荷载项很令人困扰。本文以一个单层网壳为例，说明从3D3S到ANSYS和ABAQUS导出荷载的查看方法、组成，并以网壳的自振周期计算，说明对导出荷载的调整方法。
【模型建立】：
通过3D3S软件网架网壳模块，生成“单层凯威特型球面网壳”。相关参数如下。荷载通过后续荷载工况施加，此处所有荷载填0。
m |
n |
L |
f |
r |
8 |
6 |
15000 |
3000 |
10875 |
定义所有杆件截面尺寸为φ48×3.5，杆件材料为Q235B-1。定义边界条件为边缘杆件节点铰接。如下图所示：
在荷载工况中，同时定义“恒荷载标准值：1.5kN/m2”、活荷载0.5kN/m2。同时定义其导荷范围均是网壳整体，双向导到节点。如下图所示：
进而生成封闭面，自动导荷载。同时定义节点自重为杆件自重的20%，定义质量源为1.0恒载+0.5活载。如下图所示：
启动高级分析模块，对模型进行动力特性分析（求解自振周期）。如下图所示：
第1阶自振周期均为0.10657s，振型分别如下所示：
【导出至ABAQUS】
导出至ABAQUS，导出文件为一些列.inp文件，如下图所示：
将荷载导出成质量，这其中不包含杆件及节点自重。原因如下：
首先，3D3S中的荷载统计中，将自重（包含节点自重）与附加恒荷载分开了。如下图所示：
而导出至ABAQUS中的荷载信息并不包含上图中首行的自重（含节点自重）。
这点还可以从导出的MassSet文件中得到印证，通过计算MassSet文件计算导出的节点总重量为：35.739t，而306+0.5*88.11=350.055kN，两者十分接近，其差距主要是由ABAQUS导出文件的保留数位导致的。
导出至ABAQUS中的模型计算文件如下图所示，若直接采用导出模型，进行自振周期计算，则将导致自振周期偏小。如下图所示：
其频率计算值为9.4322（1/s），则其周期为0.1060198s，小于3D3S中的计算结果。这是因为ABAQUS模型中的质量源为：1. 通过杆件密度考虑的杆件自重、2. 通过导荷载考虑的恒载（不含自重）+活载。相比于3D3S模型，缺少了节点自重项，所以导致质量偏小，周期偏小。
这里可以，通过将杆件密度提高20%的方法，考虑节点自重的影响。将钢材密度由7.85*10-9t/mm3扩大0.2倍，改为9.42*10^-9t/mm3。其余保持不变，再次计算网壳结构的自振周期。此时第一阶频率值为9.3723（1/s），则其周期为0.106697s，与3D3S中的结果十分接近，周期稍大的原因是导荷载时，导入至ABAQUS中的荷载值已经稍微偏大了（如前所述）。
所以，导入至ABAQUS中.inp文件的荷载值，是不包含自重（包括节点自重）的荷载值，在计算自振周期或考虑重力荷载时，应采用适当方法，考虑节点自重的影响。
【导出至ANSYS】
导出至ANSYS的文件，就是一个单独的.mac文件。
其中导出文件中，会根据3D3S中的荷载工况，生成恒载和活载的工况，如下图所示，工况0即为恒载，工况1即为活载。
这里需要说明的是，这里导出的恒载是3D3S中不计自重（包括节点自重）的恒荷载值，活载为3D3S中活载工况的荷载值（注意是1倍活载，不是0.5倍）。这一点同样可以通过，计算导出的.mac文件中所有节点上恒载及活载值的和进行验证，恒载（sum=306.2658kN，3D3S为306.25kN）、活载（sum=88.1052kN，3D3S为88.11kN），恒载+活载（sum=394.371kN，3D3S为394.36kN）。
所以在使用虚拟质量法（可参见技术邻平台ANSYS水哥教学视频，或《空间钢结构APDL参数化计算与分析》一书）的施加荷载部分命令流如下：
从而ANSYS的质量源为：1. 有杆件密度定义的杆件自重（在.mac文件中已生成）、2. 荷载转为质量、3. 重力加速度法施加节点荷载，转为质量。
计算结果如下所示：
f=9.37764（1/s），则其周期t=0.106637s，与3D3S的结果0.10657s同样十分接近。
【小结】：
从3D3S中导出的荷载文件，无论是到ABAQUS，还是到ANSYS，其恒载中都不包含自重（包含节点自重）。所以在考虑结构自重时，需要考虑杆件自重及节点荷载的影响。
