大型鋼結(jié)構(gòu)件有限元力學(xué)分析方法及應(yīng)用

黃志海

（桂林長海發(fā)展有限責(zé)任公司 廣西桂林 541001）

大型鋼結(jié)構(gòu)件有限元力學(xué)分析方法及應(yīng)用

黃志海

（桂林長海發(fā)展有限責(zé)任公司 廣西桂林 541001）

近年來，隨著科技、經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和社會的不斷進(jìn)步，我國大型鋼結(jié)構(gòu)件的數(shù)量越來越多，呈現(xiàn)出多樣化、復(fù)雜化等特征，為了保證大型鋼結(jié)構(gòu)件能夠正常、高效運(yùn)行，除了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以外，還需要對大型鋼結(jié)構(gòu)件的有限元力學(xué)分析方法及應(yīng)用情況進(jìn)行詳細(xì)分析。本文基于大型鋼結(jié)構(gòu)件的特點及載荷特點，對有限元建模及其力學(xué)分析方法進(jìn)行了詳細(xì)論述和剖析，以供參考，希望通過本文的介紹能夠為該類結(jié)構(gòu)件有限元力學(xué)分析提供幫助作用，從而保證設(shè)備能夠正常、良好運(yùn)行。

大型鋼結(jié)構(gòu)；有限元；力學(xué)分析方法

鋼結(jié)構(gòu)，是指由鋼制材料組成的結(jié)構(gòu)，它是主要的建筑結(jié)構(gòu)類型之一，科技進(jìn)步的同時，大型鋼結(jié)構(gòu)件呈現(xiàn)出數(shù)量大、尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特征，如：攪拌樓、起重機(jī)、攪拌站等。這些設(shè)備的力學(xué)性能非常重要，它直接關(guān)系到設(shè)備是否安全、可靠運(yùn)行，然而最重要的是力學(xué)計算，計算后才能確定該設(shè)備是否結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可靠。本文應(yīng)用ANSYS軟件的有限元建模及其力學(xué)分析方法進(jìn)行分析，促使設(shè)備正常運(yùn)行。具體內(nèi)容如下：

1 大型鋼結(jié)構(gòu)件的特點

關(guān)于大型鋼結(jié)構(gòu)件的特點主要有兩大方面：①結(jié)構(gòu)特點，其內(nèi)容是：a.體積龐大，例如在建設(shè)一大型混凝土攪拌樓的主樓時，其長度為8m，寬度為8m，高度為28m，在工程領(lǐng)域，有的塔式起重機(jī)的高度在幾十米到幾百米不等；b.結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出復(fù)雜性的特點，且零件比較多，如某混凝土攪拌樓主樓的零件可大3000多，龐大的零件數(shù)量為增強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和強(qiáng)度提供了保障；c.桁架結(jié)構(gòu)比較多，通常情況下，由鋼板和鋼梁經(jīng)焊接、螺栓等聯(lián)接后成為大型鋼結(jié)構(gòu)件的桁架結(jié)構(gòu)。②載荷特點，其內(nèi)容是：a.鋼結(jié)構(gòu)件自身的重量比較大，由于大型鋼結(jié)構(gòu)件的總體特點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，且材料主要是鋼制的，所以說其自身的重量是相當(dāng)大的；b.所受風(fēng)載荷比較大，大部分大型結(jié)構(gòu)件是在露天環(huán)境下工作，其受風(fēng)面積比較大，相應(yīng)的風(fēng)載荷也比較大；c.工作載荷大?；谶@些特點，所以計算設(shè)備的力學(xué)性能頗為重要，直接關(guān)系到設(shè)備是否安全，是否正常運(yùn)行。

2 大型鋼結(jié)構(gòu)件建模的特點

由于大型鋼結(jié)構(gòu)件體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以在建模過程中具有一定的難度：①工作量比較大，要將多個零件組裝成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的構(gòu)件，所以在建立有限元模型過程中的工作量比較大；②對接模型時工序復(fù)雜，通常情況下，需要分布幾個模塊，由多個人共同完成，龐大的工作量，需要花費(fèi)大量人力和無力，所以在模型對接時工序比較麻煩；③有限元模型和計算量都比較大。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零件數(shù)量多，體積大，意味著計算量也比較大。甚至某個單元可達(dá)幾十萬。所以，在大型剛結(jié)構(gòu)件有限元力學(xué)分析時，要結(jié)合建模特點及實際情況，綜合考慮，注意方法和技巧。

3 大型鋼結(jié)構(gòu)件的有限元建模方法和技巧

通過了解上述大型鋼結(jié)構(gòu)件的特點極其有限元建模特點，得知建模工作量大、工序復(fù)雜，且計算量大，所以在建立模型時不但要把握好要點，而且要注意方法和技巧。具體內(nèi)容表現(xiàn)在：

3.1 做好建模前的準(zhǔn)備工作

為了建模方便：①在分析建模時要將焊接、鉚接或螺栓連接而成的構(gòu)件當(dāng)成是剛性連接；②對于設(shè)備所受的主要荷載很小的部件或者者附件，在建模過程中除細(xì)節(jié)運(yùn)算分析需要考慮以外，其他可忽略不計，不需要建立實際模型；③在建模時可以對主樓的外包裝鐵皮進(jìn)行簡化。做好準(zhǔn)備工作后，可選取默認(rèn)的笛卡爾坐標(biāo)系作為建模坐標(biāo)系，將坐標(biāo)系的原點與原設(shè)備的幾何尺寸標(biāo)注成一致的，這樣可以為建模提供諸多便利。

3.2 可實行分塊建模的方式

基于建模工作量比較大，工序比較復(fù)雜的特點，所以可將模型分成若干塊，實行獨立分塊建立模型。根據(jù)實際幾何結(jié)構(gòu)和參數(shù)，采用自下而上的方法進(jìn)行建模，另外還要采用命令流的方式進(jìn)行建模，避免在建模過程中出現(xiàn)反復(fù)修改。具體操作方法有：①采用間接建模的方法，即根據(jù)實際情況，先建立關(guān)鍵點，將這些關(guān)鍵點練成線，之后再由這些線構(gòu)成面，再建立模型或單元。如果直接建節(jié)點，再生成單元的方式，在實際中可能要大量修改，不僅增加了建模工作量，甚至?xí)绊懡ＰЧ６@種間接建模的方法，可在一定程度上減少工作量，且修改性比較好。②點不能斷。在連線時必修由多個點構(gòu)成，不能省略中間的點。③在建立面元素時，有可能出現(xiàn)“U”形情況，這種情況需要畫一條直線將該缺口封閉起來，但是在設(shè)置過程中要將這條線的截面設(shè)置到最小。④注意畫線和畫面的方法，每畫一類相同參數(shù)的元素，需要將該類元素賦以截面參數(shù)或者利用單元劃分來控制參數(shù)，之后將各個部分的程序進(jìn)行組合或疊加，這種方法可以減少工作量，提高工作效率。另外，在連接過程中，可采用在關(guān)鍵點、線、面、節(jié)點和單元編號前加一個變量來完成，這種辦法是說該變量的值為前面程序段的關(guān)鍵點、線、面、節(jié)點預(yù)計單元編號的最后編號，最后將各個程序直接組合疊加到一起即可如圖1。⑤要做到兩個盡量，盡量將少用“GLUE”“OVLAP”等編號、因為這些編號可能會造成后面程序中的有關(guān)編號需要修改，增加了工作量；盡量減少程序用量，技術(shù)人員要努力尋找變成規(guī)律，建議多用“KGEN”等編號，來達(dá)到提高計算速度，減少程序量命令的目的。

圖1 線的連接方式

3.3 模型疊加處理

當(dāng)各個模塊建好后，要將他們疊加起來組成一個整體模型，通常要注意以下幾點：①往往后續(xù)程序的關(guān)鍵點、線、面以及節(jié)點和單元編號的起點變量要賦以前面程序各個對應(yīng)的關(guān)鍵點、線、面、節(jié)點、單元編號，避免出現(xiàn)疊加混亂；②后面程序的實參數(shù)編號不能與前面的重合；③遇到前后程序相同坐標(biāo)值的關(guān)鍵點時，可用“!”屏蔽。

3.4 載荷處理

先給設(shè)備施加實際載荷，然后再進(jìn)行計算，由于在實際工作中面，設(shè)備所受載荷不僅包括構(gòu)件的自重，風(fēng)載荷還包括工作載荷等多方面，特別要注意的是設(shè)備頂蓬載荷和風(fēng)載荷。設(shè)備頂蓬的載荷只是其重力，為了避免由于自身重量過重，采用亞型鋼板，這時就必須對其進(jìn)行適當(dāng)處理。因為在給鋼板輸入截面參數(shù)時，只能給定其厚度，不能直接給定慣性矩，而實際提供的參數(shù)只是彩鋼板1m寬的慣性矩，所以在計算過程中務(wù)必要依據(jù)鋼板的慣性矩計算鋼板在具有相同剛度條件下的等效厚度。例如：一頂篷采用的是厚度為0.6mm的屋頂用壓型彩鋼板，采用板1m寬的慣性矩為13.85cm4/m，b=1m，得到h=11.85mm，多加的重量為11.25mm厚鋼板的重量，所以在屋頂面上加一個向上的壓強(qiáng)來抵消多加的重量，最終得到的總壓強(qiáng)為7850×9.8×0.01185=911.6Pa；具體如圖2，風(fēng)載荷計算，大型鋼結(jié)構(gòu)件體積龐大，大部分是在露天環(huán)境下作業(yè)，該設(shè)備主要由鋼桁架和平面鋼板構(gòu)成，和起重機(jī)結(jié)構(gòu)有一定的相似之處，計算時可參照起重機(jī)風(fēng)載計算，公式為：

PW=CKhQA

圖2 有限元模型及加載圖

式中：PW——代表作用在主樓上的風(fēng)載荷；

C——代表風(fēng)力系數(shù)；

Kh——代表風(fēng)壓高度變化系數(shù)；

Q——代表計算風(fēng)壓，N/m2；

A——代表垂直于風(fēng)向的迎風(fēng)面積。

為了保證設(shè)備的能夠正常、穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)有限元模型建立完成后，下一步可對其進(jìn)行計算，重點對面單元進(jìn)行應(yīng)力和變形分析，可直接繪制等效應(yīng)力圖和等效應(yīng)變圖觀察各個面單元是否發(fā)生位移變化；對梁單元進(jìn)行應(yīng)力和變形分析，根據(jù)實際情況建立反應(yīng)單元應(yīng)力和應(yīng)變單元表，再繪制等效應(yīng)力圖和等效應(yīng)變圖，獲得可靠的結(jié)果。根據(jù)最終結(jié)果可以了解到大型鋼結(jié)構(gòu)件的最大變形值，最小變形值，最大應(yīng)力值，最小應(yīng)力值極其相應(yīng)位置，結(jié)合材料的力學(xué)性能，估計設(shè)備的安全裕量，以此可作為優(yōu)化設(shè)備的重要參考依據(jù)。

4 結(jié)語

綜上，上文通過分析大型剛結(jié)構(gòu)件的特點及建模特點等內(nèi)容，最終得到設(shè)備需要的應(yīng)力值、變形值和相關(guān)數(shù)值，為設(shè)備的進(jìn)步優(yōu)化和改進(jìn)提供了數(shù)據(jù)支持，并且可以對改進(jìn)后的設(shè)計狀況進(jìn)行分析計算。經(jīng)實踐證明，理論分析與大型鋼結(jié)構(gòu)件有限元力學(xué)分析一致，所以，可以將該有限力學(xué)分析方法應(yīng)用于同類結(jié)構(gòu)件分析中，保證設(shè)備的安全與正常運(yùn)行。筆者希望更多人士參與到大型剛結(jié)構(gòu)件有限元力學(xué)分析方法及應(yīng)用研究當(dāng)中來，為建筑行業(yè)的大發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

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TU391

A

1004-7344（2016）13-0323-02

2016-2-1

黃志海（1984-），男，助理工程師，本科，主要從事機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計等工作。