ANSYS在網架結構中的應用

2013-06-16 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

網架結構是桿件按照一定的規(guī)律布置,通過節(jié)點連接而成的網狀空間桿系結構。網架結構由處在2個平面內的桿件組成,形成平行的上弦與下弦,其間以斜桿和豎桿相連。網架的受力特點是桿件均為鉸接,不能承受彎矩和扭矩,因此所有的桿件只受拉或受壓,即使實際的網架節(jié)點具有一定的剛度,不是理想鉸,彎矩和扭矩的影響也是很小的。網架結構的自重輕,用鋼量僅為25kg/m2。網架結構桿件規(guī)格,適宜工廠化生產,此外,網架結構還具有跨度大、美觀、施工快等優(yōu)點,這為加速工程進度提供了有利的條件和保證。

隨著社會生產的迅速發(fā)展和人們經濟文化生活的日益豐富,社會對建筑結構從形式和工作性方面都提出了更高的要求。在空間結構領域中,網架結構以其特點,在體育館、展覽廳、影劇院、工業(yè)廠房、倉庫、飛機庫等各類建筑中獲得了廣泛的應用,但是要對網架結構在試驗室進行試驗比較困難,模型制作和試驗工作量大,試驗結果的離散性大,費用高,需要較多的人力、物力和場地。相對而言,有限元數值計算及軟件模擬在這方面具有很大的優(yōu)勢。本文采用有限元軟件ANSYS對一網架屋蓋結構的工程實例進行了分析,表明ANSYS在網架結構中應用的可行性及必要性。

1 工程實例

某體育館屋蓋為鋼網架結構,由簡支的鋼網格組成,接頭設在網格交點處。整個屋蓋為32 x32m2,由16 x 16個網格組成,每個網格為2x2m2,網架高lm,所有網格采用標準構件拼裝而成,接頭為鋼板加螺栓組成,接頭板厚10mm,螺栓為M20型,屋蓋頂部采用鋼屋面板作為防水材料。平面和立面布置圖見圖1,網架構件參數見表1.

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2 網架結構的ANSYS建模

建立該網架結構有限元模型,對于該網架中的各種桿件采用Link 1單元進行模擬,分為4種,分別表示上弦桿、下弦桿、豎桿和斜桿,采用線彈性的本構模型,取鋼材的彈性模量為,泊松比為0.3,建立幾何模型,并對其進行網格劃分,加上邊界條件及荷載,所建立的有限元模型如圖2所示。

3 ANSYS分析網架結構的內力

該鋼網架結構ANSYS分析得到的內力如圖3,從中我們可以看到,上弦桿受壓,軸力最大值為74.193kN,最小值為0;下弦桿受拉,軸力最大值為73.613kN,最小值為8.5kN;豎桿受壓,軸力最大值為0.804kN,最小值為0.403kN,斜桿拉壓。這樣就可以根據得到的軸力值和網架的參數值來計算各桿件所受到的應力,結果見表2,從而判斷該網架結構中各桿件是否滿足設計規(guī)范要求。

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4 ANSYS分析網架結構的變形

圖4為利用ANSYS分析得到的該鋼網架結構的變形圖,從圖中可以看到各個截面位置處的撓度,只要我們控制最大撓度在允許值之內,就可以說該網架結構滿足變形要求,從圖中可以看到,最大變形發(fā)生在中間位置處截面,變形值大小為36.343mm,按照1/500的跨度值作為允許值,則32m跨的變形控制在64mm之內就可以,因此該網架結構的變形滿足要求。

5 網架結構的模態(tài)分析

利用ANSYS還可以進行結構動力學分析,模態(tài)分析是最常用的形式之一,在對該網架進行模態(tài)分析時采用子空間法(subspace),分析該網架在自重荷載作用下的頻率(固有頻率)和相應的振型圖。由于模態(tài)分析得到的頻率有很多階,考慮到地震激勵的頻率一般只有前幾階有實際意義,故本文只取前3階(如表3),并給出了相應的振型圖(如圖5-7).該體育館工程應該避免在這3階頻率下工作,以防止產生共振,這在實際應用中有很重要的指導意義,同時振型圖揭示了該網架結構的振動動態(tài)過程。能更直觀地看到該網架的整個振動變形的相對幅度。

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6 結語

通過對網架結構實例的ANSYS分析,可以得到以下結論:

(1)ANSYS可以很好地模擬網架結構中各桿件的內力及變形,從而確保設計中各桿件的應力及變形滿足設計要求,確保工程安全。

(2) ANSYS可以對網架結構進行模態(tài)分析,得到的固有頻率及其相應的振型圖可以指導設計,避免網架結構在使用過程中因共振造成的損失。

(3) ANSYS在網架結構中應用是可行的,在網架結構的設計中應用ANSYS進行各種分析也是必要的。

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