劉波+甘濤+楊自超+曹淼
摘 要:壓桿穩(wěn)定是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。高等院校對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理的教學(xué)以理論教學(xué)為主,學(xué)生普遍接受和理解程度低。實(shí)踐證明引入ANSYS到《鋼結(jié)構(gòu)》課堂教學(xué)能夠增強(qiáng)學(xué)生積極探索的興趣和對國際知名軟件的了解。對教學(xué)質(zhì)量提高具有重大的實(shí)踐意義和廣闊的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞:ANSYS;鋼結(jié)構(gòu);壓桿穩(wěn)定性
中圖分類號:G64 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1673-9132(2017)35-0005-02
DOI:10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2017.35.001
鋼結(jié)構(gòu)作為土木工程的重要結(jié)構(gòu)之一,備受工程界技術(shù)人員和社會投資者青睞。國務(wù)院《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》指出要大力發(fā)展裝配式混凝土建筑和鋼結(jié)構(gòu),推動建造方式創(chuàng)新。為此,學(xué)者積極研究鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)改革,為社會輸送能夠切實(shí)分析和解決鋼結(jié)構(gòu)問題的人才具有重大的實(shí)際意義。目前我國高等教育對鋼結(jié)構(gòu)的教學(xué)普遍停留在理論教學(xué)的階段。一方面,是因?yàn)槭軐W(xué)校教學(xué)資源的限制;另一方面,是因?yàn)榻處煂︿摻Y(jié)構(gòu)的重視程度低。最終導(dǎo)致學(xué)生很難理解鋼結(jié)構(gòu)工程中的諸多重要概念,甚至對學(xué)生工程實(shí)踐產(chǎn)生負(fù)面影響。教學(xué)中,引入有限元分析軟件ANSYS有助于改善上述困境。因此,加大對鋼結(jié)構(gòu)課程的重視程度以及在鋼結(jié)構(gòu)課程中,結(jié)合ANSYS軟件與傳統(tǒng)理論進(jìn)行授課顯得尤為重要。在鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)課程活動中,通過ANSYS軟件對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析,讓學(xué)生直觀了解構(gòu)件的應(yīng)力、應(yīng)變、位移云圖及構(gòu)件的各種力學(xué)破壞過程和特征,以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足。
一、壓桿穩(wěn)定性理論
長而細(xì)的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件除出現(xiàn)連接處的強(qiáng)度破壞外,還可能出現(xiàn)當(dāng)截面上的平均應(yīng)力還遠(yuǎn)低于材料的屈服應(yīng)力時(shí),一些微小的擾動使得構(gòu)件產(chǎn)生很大的變形,使其不能保持原來的直線平衡狀態(tài),從而失去穩(wěn)定性。近些年,國內(nèi)外的專家學(xué)者對鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性研究取得了不少成果并且進(jìn)一步完善了鋼結(jié)構(gòu)的彈塑性穩(wěn)定理論,對于實(shí)際的受壓構(gòu)件屈曲,考慮了初始撓度和殘余應(yīng)力等缺陷對鋼結(jié)構(gòu)受力性能的影響,在數(shù)值方法求解鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定極限荷載方面同樣取得了不少成果。壓桿失去穩(wěn)定性主要分成三類:平衡分叉失穩(wěn)、極值失穩(wěn)、躍越失穩(wěn)。假設(shè)任意一點(diǎn)的撓度y0=?淄0 sin(?仔z/l),軸力作用下,撓度增加。同時(shí)建立彎曲狀態(tài)的彈性壓桿的平衡方程。
二、ANSYS仿真模擬
(一)算例參數(shù)設(shè)定及建模
算例利用ANSYS研究兩端鉸接的軸心受壓柱且視材料為理想的彈塑性材料。截面形式采用H型鋼,腹板厚度為0.006m;翼緣厚度為0.010m;截面高度為0.220m;截面寬度為0.220m;高度為4m;鋼材為Q235;彈性模量E=208GPa;泊松比ν=0.35。假設(shè)初始跨中彎曲為10mm,查閱《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》得:該受壓構(gòu)件的容許長細(xì)比λ=150;由以上參數(shù)設(shè)置并且選用BEAM188單元,建立節(jié)點(diǎn),將節(jié)點(diǎn)連接成線,劃分若干單元后,可建立模型。
(二)輸出結(jié)果并分析
基于以上模型加軸心荷載進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn),荷載分別為500KN、1000KN、1500KN、2000KN。輸出構(gòu)件變形云圖,以500KN和2000KN對應(yīng)云圖為例進(jìn)行對比。
提取以上仿真模擬最大撓度數(shù)據(jù)可得:軸心荷載N=500KN、1000KN、1500KN、2000KN時(shí),有限元結(jié)果撓度y=0.075mm、0.15mm、0.2mm、0.3mm。通過直觀的仿真模擬,不難發(fā)現(xiàn),隨著軸壓荷載的增加,構(gòu)件撓度增加,且其撓度最大位置隨荷載的增加有所下移。
三、結(jié)論
ANSYS仿真模擬教學(xué)大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。通過仿真模擬,學(xué)生可以系統(tǒng)學(xué)習(xí)到建立各種有約束條件的模型,培養(yǎng)了學(xué)生建立問題、解決問題的能力。通過仿真模擬教學(xué),引入ANSYS到鋼結(jié)構(gòu)課堂教學(xué),能夠增強(qiáng)學(xué)生對國際知名軟件的了解。
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