工業(yè)廠房的有限元模擬及動(dòng)力性能分析

文/楊海 沈陽(yáng)建筑大學(xué) 遼寧沈陽(yáng) 110000

工業(yè)廠房的有限元模擬及動(dòng)力性能分析

文/楊海 沈陽(yáng)建筑大學(xué) 遼寧沈陽(yáng) 110000

目前在建筑工程中常用的數(shù)值計(jì)算方法主要有邊界元、離散元、有限差分法等，其中有限元法是應(yīng)用最為廣泛的方法。ANSYS軟件是現(xiàn)代工程技術(shù)與科研人員在數(shù)學(xué)、力學(xué)理論的基礎(chǔ)上，經(jīng)常被采用的模擬計(jì)算軟件之一，用ANSYS軟件能夠獲得滿工程需要的數(shù)值解。本文利用ANSYS對(duì)五層工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，研究工業(yè)廠房?jī)?nèi)部的震動(dòng)設(shè)備對(duì)廠房的影響情況，判斷在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，是否會(huì)導(dǎo)致工業(yè)廠房出現(xiàn)共振的現(xiàn)象，進(jìn)而判斷廠房的安全性能。

工業(yè)廠房；有限元法；ANSYS軟件；安全性

1、五層工業(yè)廠房的結(jié)構(gòu)的有限元模型建立

1.1 單元的選擇與材料性能

在對(duì)五層工業(yè)廠房的性數(shù)值模擬過(guò)程中，真實(shí)考慮到結(jié)構(gòu)的實(shí)際材料組成和各類材料的在承載過(guò)程中的力學(xué)特點(diǎn)，根據(jù)ANSYS中單元庫(kù)中所提供的各類單元的屬性，依次選取了如下單元來(lái)模擬四層工業(yè)廠房在震動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)力性能研究。

廠房立柱采用BEAM189梁?jiǎn)卧?，主梁與次梁也采用BEAM189梁?jiǎn)卧瑯前宀捎肧HELL63板單元，振動(dòng)機(jī)械設(shè)備采用質(zhì)量單元MASS21來(lái)模擬，振動(dòng)機(jī)械設(shè)備與樓板的接觸采用具有阻尼特點(diǎn)的COMBIN14單元來(lái)模擬。

廠房的立柱與主梁、次梁在力學(xué)特性上符合梁的特點(diǎn)，因此采用BEAM189來(lái)模擬。BEAM189梁?jiǎn)卧m合于細(xì)長(zhǎng)的stubby/thick的梁結(jié)構(gòu)，該單元基于Timoshenko梁理論，包含切應(yīng)變。BEAM189是二次(3-節(jié)點(diǎn))3-D梁元素。BEAM189每個(gè)節(jié)點(diǎn)有6到7個(gè)自由度，即XY方向的平動(dòng)和繞其的轉(zhuǎn)動(dòng)。需要時(shí)還會(huì)加上第7個(gè)自由度（翹曲量）。此單元能夠有很好的適用于線性，大轉(zhuǎn)角，和非線性大應(yīng)變的情況。BEAM189包含有應(yīng)力剛度，在默認(rèn)情況下，應(yīng)力剛度使得元素能夠進(jìn)行彎曲，側(cè)向彎曲，和扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的分析。BEAM189能夠用定義任何截面形狀。支持彈性、潛變、塑性的特性。

樓板結(jié)構(gòu)的厚度不大，而且變形是以翹曲為主時(shí)，這種結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能為板殼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，此時(shí)用SHELL63板殼單元來(lái)模擬樓板。

1.2有限元模型的建立與網(wǎng)格劃分

1)墻體、橫次梁、柱間的連接方法

本文的建模過(guò)程采用自上而下的建模過(guò)程，利用殼單元來(lái)模擬樓板，用梁?jiǎn)卧M工業(yè)廠房立柱，用梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬橫梁、縱梁和圈梁結(jié)構(gòu)。用質(zhì)量單元來(lái)模擬振動(dòng)機(jī)械設(shè)備，用彈簧單元來(lái)模擬減隔震設(shè)備。在ANSYS中不同單元的連接方法主要有彈簧連接法、共用節(jié)點(diǎn)連接法、耦合連接法等。本文建模過(guò)程中采用的方法為共用節(jié)點(diǎn)法。

2)有限元模型的建立

本文選取一個(gè)五層的框架結(jié)構(gòu)用來(lái)研究振動(dòng)機(jī)械設(shè)備對(duì)廠房振動(dòng)效果的影響情況。五層工業(yè)廠房的模型尺寸為：五層結(jié)構(gòu)，廠房占地面積為42m*56m?？v向9排立柱，縱向柱距7m。橫向7排立柱，橫向柱距為7m。以一層地面標(biāo)高為0點(diǎn)，其中一層樓板標(biāo)高4m，二層樓板標(biāo)高8m，三層樓板標(biāo)高14m，四層樓板標(biāo)高20，五層樓板標(biāo)高27m。各層設(shè)置圈梁，并且樓層頂設(shè)置有縱、橫次梁。

振動(dòng)機(jī)械設(shè)備安裝在第三層的一側(cè)，振動(dòng)機(jī)械設(shè)備安裝處的混凝土樓板被扣空被安裝設(shè)備，為了保證安裝設(shè)備的樓板具有足夠的強(qiáng)度，在扣孔位置設(shè)置了縱、橫兩個(gè)方向的加強(qiáng)梁。另外為了方便貨物的運(yùn)輸，在第一層、二層、三層樓板的中心處進(jìn)行了樓板的開(kāi)孔，方便貨物的上下運(yùn)輸?；炷列局鐬?.6m*0.6m，圈梁、主梁尺寸為0.4m*0.7m，次梁尺寸為0.3m*0.6m。

為了更為有效地分析該工業(yè)框架廠房的動(dòng)力性能，在建模過(guò)程中，不考慮墻體對(duì)該廠房動(dòng)力性能的貢獻(xiàn)，因此不建立墻體結(jié)構(gòu)，該有限元模型共11672個(gè)節(jié)點(diǎn)，9835個(gè)單元。

2、 模態(tài)分析

首先對(duì)五層框架廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，通過(guò)對(duì)這模態(tài)分析，主要分析結(jié)構(gòu)在自由振動(dòng)條件下的固有頻率和相應(yīng)振型分析。

另外模態(tài)分析也是后續(xù)的其他動(dòng)力分析所必須的前期分析過(guò)程。模態(tài)分析主要目的是為了：在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和使用過(guò)程中避免結(jié)構(gòu)與設(shè)備發(fā)生共振，或者是結(jié)構(gòu)按照特定的頻率進(jìn)行振動(dòng)；了解結(jié)構(gòu)在不同荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)；為其他的動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算提供相應(yīng)的參數(shù)。

根據(jù)模態(tài)計(jì)算結(jié)果，提取了振型參與系數(shù)，并繪制了振型參與系數(shù)曲線，根據(jù)曲線得知，該廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)主要以前8階為主，其中前八階振型參與系數(shù)波動(dòng)較大，并且主要以整體平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)為主，以后的模態(tài)出現(xiàn)了局部的扭轉(zhuǎn)，可見(jiàn)前八階對(duì)該廠房結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析較重要。

通過(guò)對(duì)振型的分析發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)在自振過(guò)程中，主要以x方向和振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)其中一階、二階振型以x方向整體振動(dòng)為主，三階振型以扭動(dòng)為主，四階振型再次以x方向大幅度振動(dòng)為主，五階以后的振型以x方向振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)為主。在振動(dòng)過(guò)程中這幾階沒(méi)有出現(xiàn)局部模態(tài)情況，表面該廠房結(jié)構(gòu)各局部剛度設(shè)計(jì)較為合理。

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，該五層框架廠房的固有頻率處于1.5426Hz～8.3851Hz，而前文提及的振動(dòng)機(jī)械設(shè)備的自振頻率為15Hz，可見(jiàn)振動(dòng)設(shè)備的工作頻率不在共振區(qū)，表明將機(jī)器設(shè)備安裝到該廠房正常工作后，在振動(dòng)篩正常工作時(shí)候二者不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。另外，該五層工業(yè)廠房的主振型方向?yàn)閄方向，因此在后續(xù)諧響應(yīng)分析過(guò)程中，應(yīng)主要觀察X方向的振動(dòng)情況。

3、 總結(jié)：

利用ANSYS軟件對(duì)對(duì)多層工業(yè)廠房進(jìn)行數(shù)值建模，研究振動(dòng)機(jī)械設(shè)備在工作過(guò)程中對(duì)結(jié)構(gòu)的影響狀態(tài)分析，結(jié)論如下。

1)首先利用ANSYS進(jìn)行了結(jié)構(gòu)自重的計(jì)算，結(jié)構(gòu)的自重最大撓度為2mm。結(jié)構(gòu)的自重最大等效應(yīng)力為0.32MPa，結(jié)構(gòu)自重結(jié)果均滿足使用要求。

2)通過(guò)對(duì)振型的分析發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)在自振過(guò)程中，主要以x方向和振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)其中一階、二階振型以x方向整體振動(dòng)為主，三階振型以扭動(dòng)為主，四階振型再次以x方向大幅度振動(dòng)為主，五階以后的振型以x方向振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)為主。在振動(dòng)過(guò)程中這幾階沒(méi)有出現(xiàn)局部模態(tài)情況，表明該廠房結(jié)構(gòu)各局部剛度設(shè)計(jì)較為合理。

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楊海，1984.2.6,男，漢族，籍貫：遼寧省大連市，學(xué)歷：本科，工作單位：沈陽(yáng)建筑大學(xué)，研究方向：結(jié)構(gòu)工程方向。