基于ansys的某網(wǎng)架的靜力分析和模態(tài)分析

楊金彪 顧芳

摘 要：利用大型有限元分析Ansys軟件，建立了20m×20m×2m的正四角錐網(wǎng)架模型，對(duì)該網(wǎng)架進(jìn)行靜載作用下的受力和變形分析，得出網(wǎng)架的最大位移與最大應(yīng)力，均滿足設(shè)計(jì)要求；然后對(duì)網(wǎng)架進(jìn)行了前50階模態(tài)分析，得出了前50階模態(tài)的振型頻率，分析了網(wǎng)架前四階的振型變形云圖，在前四階的振型云圖變化比較多，得出網(wǎng)架計(jì)算時(shí)需要考慮前多階振型進(jìn)行分析的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)架結(jié)構(gòu) ansys 靜力分析 模態(tài)分析

中圖分類號(hào)：TU356 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）10（a）-0101-02

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是一種通過(guò)桿件連接的結(jié)構(gòu)，其具有輕便，靈活，只有承受軸力的特點(diǎn)，其平面布置靈活，現(xiàn)場(chǎng)加工量少，便于進(jìn)行工業(yè)化施工，目前在體育場(chǎng)館和工業(yè)化廠房得到了大量應(yīng)用。

Ansys是美國(guó)ansys公司開發(fā)的大型有限元分析軟件，是世界上增長(zhǎng)范圍最快的計(jì)算機(jī)輔助軟件，其獨(dú)特的APDL輸入模式，可以通過(guò)建立循環(huán)函數(shù)的方式快速建立網(wǎng)架模型，并對(duì)其進(jìn)行精確分析。

文中通過(guò)ansys建立網(wǎng)架結(jié)構(gòu)模型，對(duì)其進(jìn)行了靜力分析和模態(tài)分析，取得較好效果。

1 結(jié)構(gòu)建模

文章中采用網(wǎng)架平面尺寸20 m×20 m，高度為2 m，網(wǎng)格數(shù)為10×10，網(wǎng)格尺寸為2×2的正四角錐的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)模型。桿件采用的鋼管截面積為28.26 cm2，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖1所示。

2 靜力分析

2.1 網(wǎng)架平面單元的建立

本文的建模過(guò)程包括定義單元類型、材料屬性、建立幾何模型、施加約束和添加荷載等步驟。

2.1.1 單元類型

網(wǎng)架桿件采用三維桿件單元link8單元，link8單元是具有2節(jié)點(diǎn)的三維桿件單元，能承受單向拉力和壓力，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有3個(gè)自由度，可以用來(lái)模擬三維空間桁架、網(wǎng)架、鉸鏈和彈簧單元等。

2.1.2 材料屬性

桿件選用Q235鋼，鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為215 N/mm2，屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fy=235 N/mm2，鋼材的彈性模量E=2.1E11，泊松比u=0.3，鋼材的密度為7850 kg/m3。

2.1.3 添加約束

本網(wǎng)架的上弦平面四周節(jié)點(diǎn)鉸接，約束3個(gè)自由度，其余節(jié)點(diǎn)和下平面自由。

2.1.4 施加荷載

本網(wǎng)架考慮重力荷載，g=9.80，方向沿Z軸向下，且每個(gè)下弦節(jié)點(diǎn)承受10 KN的豎向荷載，沿Z軸方向向下。

2.2 結(jié)果分析

結(jié)構(gòu)受力及變形由圖2和圖3所示，該平面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的最大變形為5 mm，發(fā)生最大位移的點(diǎn)位于網(wǎng)架的中心處，按照撓度控制指標(biāo)1/500，該網(wǎng)架的撓度最大限制為40 mm，滿足撓度控制要求。

上弦及下弦的桿件內(nèi)力最大的地方位于跨中，邊緣桿件內(nèi)力最小，腹桿內(nèi)力最大內(nèi)力該平面網(wǎng)架的最大軸向拉力為35.29 kN，最大軸壓力值為11.17 kN，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 網(wǎng)架模態(tài)分析

網(wǎng)架的固有頻率有無(wú)限階次，如果全部分析比較，比較繁瑣，因此筆者只考慮了前50階振型，本網(wǎng)架采用子空間迭代法進(jìn)行分析，得到結(jié)果如表1所示。

從結(jié)果中可以看出，第一階振型頻率為16.582 Hz，第五十階振型頻率為157.24 Hz網(wǎng)架的振型頻率的密集程度不高。

這里給出網(wǎng)架的前四階結(jié)構(gòu)振型云圖。

從圖4a可知，結(jié)構(gòu)的一階振型位移主要在中部，邊緣的振動(dòng)較?。粓D4b可知，結(jié)構(gòu)的主要振型在網(wǎng)架的1/3和2/3處，從圖4c可知，結(jié)構(gòu)的振型與第二階相似，但是剛好旋轉(zhuǎn)了90°；從圖4d的振型位移看，位移出現(xiàn)了4處位移較大部分，且出現(xiàn)了彎曲現(xiàn)象。

從振型分析可以看出：結(jié)構(gòu)的前幾階振型并不是結(jié)構(gòu)的主要振型，這證明了對(duì)于網(wǎng)架等振型密集型結(jié)構(gòu)不能只考慮前幾階振型，尤其是僅考慮第一振型，要考慮其后高階振型。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)有限元分析軟件ansys對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)分析，模擬得出各桿件的內(nèi)力和變形，當(dāng)前網(wǎng)架可以確保網(wǎng)架受力和撓度變形的要求，ansys軟件可以較好地模擬網(wǎng)架的受力情況，可以在網(wǎng)架設(shè)計(jì)時(shí)較好地分析應(yīng)用。

（2）通過(guò)模態(tài)分析可知，該模態(tài)自振頻率變化較大，前幾階不是結(jié)構(gòu)的主要整形。對(duì)其進(jìn)行振型分析時(shí)要考慮多階振型。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉希良.第六屆全國(guó)現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討會(huì)[M].北京：中國(guó)工業(yè)出版社，2006.

[2] 李權(quán).ANSYS在土木工程中的應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2004.

[3] 黃書珍，胡仁喜.Ansys 12.0土木工程有限元分析從入門到精通[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[4] 王興濤，呂燕.某網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)的靜力和模態(tài)分析[J].工程建設(shè)，2013，45（2）：32-34.