鋼框塑料組合模板ANSYS分析計(jì)算

張磊 楊曉東 陳曉東 史一劍

摘 要：本文所述鋼框塑料模板是由鋼邊框、鋼背楞及塑料模板組合而成。整個(gè)組合模板結(jié)構(gòu)受力合理，通過(guò)分析計(jì)算面板各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求。本文是利用大型通用有限元軟件ANSY11.0，結(jié)合有限元理論將該模板簡(jiǎn)化為梁板結(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)該鋼框組合模板在混凝土澆筑過(guò)程中所受側(cè)向力荷載作用下力學(xué)性能進(jìn)行分析。通過(guò)仿真模擬計(jì)算證明運(yùn)用該仿真方法來(lái)進(jìn)行模板計(jì)算是可靠的，同時(shí)對(duì)模板的研發(fā)積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：組合模板；梁板結(jié)構(gòu)；ANSYS

中圖分類(lèi)號(hào)：TU352 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-3362（2013）07-0062-02

1 概述

鋼框塑料模板是一種新型的建筑模板，是目前工業(yè)高度發(fā)達(dá)下的產(chǎn)物且為最廣泛應(yīng)用的模板形式之一。該組合模板的結(jié)構(gòu)主要由兩部分組合而成，一部分是冷彎型鋼框架結(jié)構(gòu)，另一部分是塑料模板，鋼框架結(jié)構(gòu)與塑料模板之間采用鉚釘連接。如圖1所示。

圖1 鋼框塑料模板整體圖

2 新型建筑模板ANSYS有限元分析

2.1 有限元的原理

有限元法的主要思想是將所要求解的整體分成若干個(gè)連續(xù)的子區(qū)域，以未知函數(shù)在節(jié)點(diǎn)上的值作為基本未知參數(shù)，得到單元的剛度矩陣仿真，然后用離散的方法求解。

2.2 有限元軟件ANSYS的簡(jiǎn)介

ANSYS包括下列幾個(gè)功能：結(jié)構(gòu)靜力分析；模態(tài)分析；瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析；特征屈曲分析。

2.3 ANSYS有限元結(jié)構(gòu)分析的基本過(guò)程

結(jié)構(gòu)靜力分析是有限元分析方法最常用的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。有限元結(jié)構(gòu)分析過(guò)程可以說(shuō)是十分程序化，整個(gè)分析過(guò)程都有固定的步驟，它的一般過(guò)程是：確定研究對(duì)象和研究目標(biāo)；確定建模方式（合適的單元類(lèi)型、形狀和尺寸等）；確定約束（邊界條件）和載荷；求解并后處理。

3 建筑模板的參數(shù)化受力分析過(guò)程

3.1 模板的參數(shù)選擇

本文選取尺寸為300mm×900mm的模板（共3塊）作為此次分析的對(duì)象，該模板主要分為兩部分，一部分為框架結(jié)構(gòu)，它是由冷彎異型截面邊框、矩形背楞焊接組裝而成，另一部分為塑料面板。

通過(guò)對(duì)模板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，可觀察出穿墻螺栓孔的位置（即約束的位置）對(duì)模板來(lái)說(shuō)是一個(gè)很重要的條件，另外模板邊框和背楞的截面形狀對(duì)于模板來(lái)說(shuō)也是一個(gè)重要的計(jì)算參數(shù)。

3.2 建模過(guò)程

本文采用由其他CAD軟件導(dǎo)入的方法，直接導(dǎo)入到ANSYS中進(jìn)行建模。本文研究的模板為鋼框塑料組合墻模板，邊框和背楞焊接連為整體，模板嵌入到鋼框架中，框架結(jié)構(gòu)與塑料面板之間采用鉚釘連接，在澆筑混凝土?xí)r，框架的變形受到約束，同時(shí)又有足夠數(shù)量的夾具加以連接固定，因而建模時(shí)可以近似地將塑料面板與鋼框架看作一個(gè)整體。

綜上所述，本文將該模組合板簡(jiǎn)化為梁板結(jié)構(gòu)，塑料面板采用shell63單元，邊框和背楞采用beaml88單元。

本論文分析的材料屬性設(shè)置為：塑料面板的彈性模量6500N/mm2和泊松比0.33；鋼框和背楞材料的彈性模量2.06E105N/mm2和泊松比0.3。

3.3 網(wǎng)格劃分

本文中網(wǎng)格劃分采用手動(dòng)劃分方式。劃分網(wǎng)格時(shí)，首先設(shè)置邊框和背楞的單元尺寸，進(jìn)而對(duì)面板采用映射的模式進(jìn)行劃分，映射方式劃分的面網(wǎng)格形狀是四邊形，規(guī)范整齊，計(jì)算機(jī)計(jì)算時(shí)速度也會(huì)相對(duì)提高。網(wǎng)格劃分后如圖2。

圖2 模板的網(wǎng)格劃分結(jié)果

3.4 加載求解過(guò)程

模板的主要荷載為澆筑混凝土?xí)r產(chǎn)生的側(cè)壓力，混凝土側(cè)壓力實(shí)際為梯度載荷，為保守起見(jiàn)在加載時(shí)，我們采用最大側(cè)壓力值均為均布荷載。

仿真分析后，得到模板的位移變形如圖3，位移變形的最大值位于對(duì)拉螺栓中間位置處，最大撓度為1.9mm，符合變形要求且達(dá)到了混凝土平整度的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 模板變形云圖

最大應(yīng)力云圖如4所示，最大等效應(yīng)力為304MPa，出現(xiàn)在穿墻螺栓位置處，小于鋼框材料Q345的屈服極限。

圖4 模板應(yīng)力云圖

至此，運(yùn)用ANSYS11.0對(duì)整體模板的分析完成，得到了模板的應(yīng)力及變形圖。

4 結(jié)語(yǔ)

本論文旨在研究鋼框塑料模板體系的力學(xué)性能，運(yùn)用ANSYS進(jìn)行仿真計(jì)算，該研究對(duì)模板的設(shè)計(jì)起到一定的指導(dǎo)作用。該塑料模板能夠回收再次利用節(jié)省了模板成本，同時(shí)為綠色建筑、節(jié)能減排做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。本論文通過(guò)仿真得到以下幾個(gè)結(jié)論：

4.1 ANSYS建模的簡(jiǎn)化

結(jié)合有限元的知識(shí)，由于面板的厚度遠(yuǎn)小于長(zhǎng)度和寬度，因此將塑料面板簡(jiǎn)化為板殼單元，邊框和背楞根據(jù)受力情況簡(jiǎn)化為beam單元，然后運(yùn)用ANSYS對(duì)其進(jìn)行整體建模。

4.2 塑料模板的回收利用

該塑料模板不同于傳統(tǒng)的面板，可以回收利用，且其周轉(zhuǎn)次數(shù)較多，達(dá)到了節(jié)約資源減少建筑垃圾的效果。

通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)模板設(shè)計(jì)方法了解模板所受載荷的計(jì)算方法，并掌握模板各個(gè)組件的校核方法，掌握傳統(tǒng)模板設(shè)計(jì)的過(guò)程，為之后對(duì)模板的參數(shù)化建模分析打下必要的基礎(chǔ)，最后對(duì)模板撓度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，探索出合理的檢驗(yàn)計(jì)算方法。

基金項(xiàng)目：課題名稱(chēng)《節(jié)材型模架體系開(kāi)發(fā)研究與示范》（項(xiàng)目編號(hào)：2012BAJ03B05）