冷 光 張少欽

(南昌航空大學(xué)，江西 南昌 330063)

1 概述

當(dāng)運(yùn)用ANSYS有限元軟件對(duì)結(jié)構(gòu)靜力特性進(jìn)行分析時(shí)，往往要考慮到結(jié)構(gòu)桿件本身的重量，在建模時(shí)結(jié)構(gòu)自重通常有兩種考慮方式，一種是將結(jié)構(gòu)桿件自重作為恒載的一部分，并通過(guò)荷載組合及荷載等效的方式作用在結(jié)構(gòu)上；另一種是在建模時(shí)定義材料的密度，并在結(jié)構(gòu)上施加重力加速度。之前對(duì)于考慮結(jié)構(gòu)自重的問(wèn)題只做了粗淺的研究，而且多是采用在建模時(shí)定義材料的密度，并在結(jié)構(gòu)上施加重力加速度的方式。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算中，結(jié)構(gòu)的自重是作為荷載組合當(dāng)中恒載的一部分，通過(guò)設(shè)計(jì)軟件計(jì)算就是采用這種方法。那么，在運(yùn)用ANSYS對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析時(shí)以施加重力加速度的方式去考慮自重是否合理的滿足設(shè)計(jì)計(jì)算的過(guò)程，或者以設(shè)計(jì)計(jì)算考慮結(jié)構(gòu)自重的角度，即考慮結(jié)構(gòu)自重是作為恒載的一部分，運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析。分析比較這兩種考慮結(jié)構(gòu)自重的方式，可得出較為合理的考慮自重的方式。

2 研究對(duì)象的選取與介紹

為了較為清晰直觀的比較兩種考慮自重的方式，假設(shè)結(jié)構(gòu)僅受結(jié)構(gòu)自身的自重而沒(méi)有任何其他外荷載作用于結(jié)構(gòu)上。針對(duì)ANSYS軟件當(dāng)中由桿單元建模而成的結(jié)構(gòu)進(jìn)行考慮結(jié)構(gòu)自重的分析。以某正放四角錐網(wǎng)架作為研究對(duì)象，分析這兩種不同考慮結(jié)構(gòu)自重的方法，通過(guò)比較得出一些結(jié)論：

鋼材密度為78.5 kN/m3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3。結(jié)構(gòu)高度為5 m，柱跨度為6 m，鋼管采用φ60×3.5的截面，截面面積為659.4 mm2。

3 模型的建立與求解

3.1 有限元軟件ANSYS建模過(guò)程

ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件，主要由前置處理器、解題程序、后置處理器以及時(shí)間歷程等組成[1]。ANSYS軟件結(jié)構(gòu)分析包括結(jié)構(gòu)的靜態(tài)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析、瞬態(tài)分析、譜分析、非線性分析等[2]。軟件的分析的主要步驟為[3]：1)選擇單元類型；2)定義單元實(shí)常數(shù)；3)定義材料屬性；4)建立實(shí)體模型；5)有限元單元網(wǎng)格劃分；6)施加邊界條件和荷載，求解；7)后處理。

3.2 建模單元介紹

建模單元采用Link8單元。Link8單元能應(yīng)用于模擬桁架、垂纜，桿件，彈簧等，該單元只能承受單軸的拉壓，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有三個(gè)自由度，即x,y,z三個(gè)方向的位移。施加荷載時(shí)將荷載等效并施加在節(jié)點(diǎn)上。

3.3 結(jié)構(gòu)分析方法的選取

由于對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力方面的分析，故而采用靜力分析方法(static)。

3.4 荷載的取值

計(jì)算結(jié)構(gòu)桿件自重時(shí)，忽略球鉸節(jié)點(diǎn)的重量，桿件長(zhǎng)度取節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的長(zhǎng)度。桿件截面面積為659.4 mm2。考慮桿件重量均勻分布，按荷載等效作用于桿件節(jié)點(diǎn)上。經(jīng)計(jì)算桿件自重線荷載為0.052 kN/m。

研究時(shí)僅考慮結(jié)構(gòu)的自重作用而不考慮其他荷載，包括活荷載及外荷載等。這里僅考慮由永久荷載效應(yīng)控制的荷載效應(yīng)組合,通過(guò)荷載組合的方式并根據(jù)荷載等效計(jì)算出施加在結(jié)構(gòu)桿件節(jié)點(diǎn)上的荷載值如表1所示。

3.5 模型的建立

以下采用兩種不同的方式建模，運(yùn)用APDL參數(shù)化命令對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。

1)方式一：將結(jié)構(gòu)桿件自重作為恒載的一部分，并通過(guò)荷載組合及荷載等效的方式作用在結(jié)構(gòu)桿件的節(jié)點(diǎn)上。

表1 施加在結(jié)構(gòu)桿件各節(jié)點(diǎn)上的荷載值 kN

建模部分命令如下：

/PREP7

D=60

A=3.1415926*D*D/4

ET,1,LINK8

R,1,A

MP,EX,1,210000

MP,PRXY,1,0.3

……

建立模型如圖1所示。

2)方式二：在建模時(shí)定義材料的密度，并在結(jié)構(gòu)上施加重力加速度。

建模部分命令如下：

/PREP7

D=60

A=3.1415926*D*D/4

ro=78.5E-6

ET,1,LINK8

R,1,A

MP,EX,1,210000

MP,PRXY,1,0.3

MP,DENS,1,ro

……

運(yùn)用ACEL命令設(shè)置結(jié)構(gòu)在z軸方向的重力加速度為9.8 m/s2。建模時(shí)結(jié)構(gòu)支座約束均考慮為固定支座。

建立模型如圖2所示。

4 ANSYS軟件計(jì)算結(jié)果分析對(duì)比

4.1 結(jié)構(gòu)豎向位移對(duì)比分析

以方式一建模計(jì)算后結(jié)構(gòu)豎向位移的結(jié)果如圖3所示。

以方式二建模計(jì)算后結(jié)構(gòu)豎向位移的結(jié)果如圖4所示。

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用方式二建模計(jì)算后結(jié)構(gòu)豎向位移值明顯大于采用方式一建模計(jì)算的結(jié)果。

4.2 結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力對(duì)比分析

以方式一建模計(jì)算后結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力的結(jié)果如圖5所示。

以方式二建模計(jì)算后結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力的結(jié)果如圖6所示。

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用方式二建模計(jì)算后結(jié)構(gòu)桿件拉壓應(yīng)力值明顯大于采用方式一建模計(jì)算的結(jié)果。由此可見(jiàn)，以往考慮結(jié)構(gòu)自重時(shí)往往采用方式二進(jìn)行建模計(jì)算對(duì)于結(jié)構(gòu)計(jì)算分析時(shí)是偏于安全的。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)兩種考慮自重的方式進(jìn)行建模計(jì)算對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，在建模時(shí)定義材料密度并施加重力加速度的方式考慮自重在結(jié)構(gòu)靜力分析當(dāng)中是偏保守，偏安全的。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)將結(jié)構(gòu)自重作為恒載的一部分并通過(guò)荷載等效施加在桿件節(jié)點(diǎn)上對(duì)結(jié)構(gòu)的影響并不大。那么，在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析時(shí)選取荷載組合，可以將結(jié)構(gòu)自重包括在恒載當(dāng)中，亦可不包括在里面。并且考慮結(jié)構(gòu)自重時(shí)還是通過(guò)施加重力加速度的方式去考慮。

[1] 盛 超.基于ANSYS的橋梁結(jié)構(gòu)自重仿真分析[J].科技信息,2010,14(1):334-335.

[2] 成 全,張文煥.ANSYS軟件對(duì)于結(jié)構(gòu)自重的模擬[J].山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2006(1):85-87.

[3] 陳慧剛,席丁民.基于ANSYS的現(xiàn)澆鋼筋混凝土空心板自重模擬[J].四川建筑科學(xué)研究,2007(3):53-55.