◎ 長(zhǎng)春理工大學(xué) 石廣豐 史國(guó)權(quán)

1 前言

ANSYS軟件作為通用有限元軟件，在結(jié)構(gòu)分析中有著靈活的應(yīng)用。首先，它可實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的整體分析，任意設(shè)定荷載工況，并可完成復(fù)雜的荷載工況組合；在整體分析的同時(shí)，也可對(duì)感興趣的細(xì)部加密網(wǎng)格，得到較為精確的細(xì)部結(jié)果。也可將本工程感興趣的細(xì)部單獨(dú)建模，將結(jié)構(gòu)整體分析的結(jié)果引入細(xì)部模型，將得到滿(mǎn)意的計(jì)算結(jié)果。其次，ANSYS軟件可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的計(jì)算假定，可使計(jì)算結(jié)果更接近結(jié)構(gòu)實(shí)際情況[1]。本文采用此軟件對(duì)建筑工程中立柱梁架進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析。

2 立柱梁架的有限元分析

立柱是建筑工程中常用到的支撐用具，為了不影響施工質(zhì)量，在其底部設(shè)計(jì)的方鋼梁架對(duì)其起支撐作用。本文中的立柱和梁架采用殼體，厚度均為6mm，立柱尺寸為1975mm×320mm×320mm，斜交方鋼梁為1200mm×160mm×160mm，立柱和斜交方鋼梁之間靠一井字形固聯(lián)方鋼梁架連接。兩方鋼梁斜交處為支架，和斜交方鋼梁兩外端用鉸鏈連接于地面。立柱材料為鑄鐵，方鋼梁材料為45號(hào)鋼。整個(gè)結(jié)構(gòu)如圖1，連接處采用焊接形式，質(zhì)量較好可看成一體。在立柱頂端承受著54KN的靜壓力，其頂部靠斜交方鋼梁的左右兩側(cè)邊沿承受著不同的彎矩。本文主要分析立柱受載對(duì)方鋼梁架應(yīng)力應(yīng)變的影響，根據(jù)分析目的，我們將彎矩等效為沿立柱向下的載荷，左側(cè)為978.5N，右側(cè)為1107.2N ，結(jié)構(gòu)自重45KN。

2.1 前處理

前處理部分有建模、加載和求解三方面的內(nèi)容[2]。

2.1.1 導(dǎo)入模型

圖1 立柱梁架實(shí)體模型

建立的模型是否與實(shí)際結(jié)構(gòu)相接近，決定了分析結(jié)果的準(zhǔn)確與可靠程度。ANSYS自身有著較為強(qiáng)大三維建模能力和參數(shù)化功能，僅靠ANSYS的GUI(圖形界面)就可建立各種復(fù)雜的幾何模型。然而對(duì)于設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，往往更易于使用三維建模軟件來(lái)建立實(shí)體模型，利用ANSYS強(qiáng)大的接口功能，導(dǎo)入后進(jìn)行有限元分析。本文在CATIA環(huán)境下建立實(shí)體模型，利用ANSYS和CATIA模型的接口，將零件按坐標(biāo)系關(guān)系設(shè)好后分別導(dǎo)入，再進(jìn)行質(zhì)量恢復(fù)得到（如圖1）。導(dǎo)入時(shí)要注意單位問(wèn)題，ANSYS中的單位是使用者統(tǒng)一的，當(dāng)然，最好設(shè)成國(guó)際單位制。

采用SOLID92單元對(duì)立柱梁架進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，42793個(gè)單元，57934個(gè)節(jié)點(diǎn)。將立柱材料屬性設(shè)為EX=1.2E+11，PRXY=0.291， 將方鋼梁架材料設(shè)為EX=2E+11，PRXY=0.26。有限元模型如圖2。

2.1.2 加載

ANSYS分析中，加載的含義：一是對(duì)模型加約束條件，二是對(duì)模型加荷載條件。對(duì)方鋼梁架的鉸鏈處施加固定約束，在立柱頂部施加豎直向下的正壓力和自重壓力載荷，在靠斜交方鋼梁的立柱頂部?jī)蛇呇厣戏謩e施加彎矩的等效集中載荷。

2.1.3 求解

在建模，劃分網(wǎng)格和加載工作完成后，就可進(jìn)入求解器。根據(jù)需要選擇分析類(lèi)型：靜力分析以求得荷載作用下的結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變情況。

2.2 后處理

ANSYS的后處理可根據(jù)用戶(hù)的需要提取結(jié)果，得到分析后的位移、應(yīng)力、應(yīng)變等結(jié)果，并由此判斷結(jié)構(gòu)是否能正常工作。

通過(guò)對(duì)立柱梁架的結(jié)構(gòu)靜力應(yīng)力應(yīng)變分析，我們可以發(fā)現(xiàn)柱架所受最大Von Mises應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于本身的許用應(yīng)力，應(yīng)變也比較小，可見(jiàn)立柱梁架是安全的。我們可以找到如斜交方鋼梁的外伸端鉸鏈處，立柱與方鋼梁架的點(diǎn)焊處和斜交方鋼梁與支板的交接處，它們是危險(xiǎn)處。據(jù)此我們可以針對(duì)方鋼梁的材料和交接處的焊接質(zhì)量，以及總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出改進(jìn)措施，以防止立柱梁架在危險(xiǎn)的工況下或長(zhǎng)時(shí)間的受力情況下，發(fā)生變形和危險(xiǎn)，影響建筑質(zhì)量。

圖3 立柱梁架應(yīng)力圖

圖4 立柱梁架應(yīng)變圖

表1 最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)解

表2 最大應(yīng)變節(jié)點(diǎn)解

我們可以就以上的危險(xiǎn)處細(xì)分網(wǎng)格，重新計(jì)算分析，得出準(zhǔn)確的結(jié)果，也可以利用ANSYS強(qiáng)大的后處理功能，了解到更多和更細(xì)節(jié)的信息，如支反力[3]。還可以針對(duì)更加復(fù)雜的工況，利用ANSYS不同的求解模塊對(duì)立柱梁架進(jìn)行綜合分析，從而得到理想的結(jié)果。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)立柱梁架的結(jié)構(gòu)靜力分析，得出了應(yīng)力應(yīng)變分析結(jié)果，找出了危險(xiǎn)處，使設(shè)計(jì)者對(duì)于改進(jìn)設(shè)計(jì)和提出抗危險(xiǎn)措施有了一定的理論依據(jù)。