運用ANSYS軟件考慮結(jié)構(gòu)自重時采用建模方法的分析

冷 光 張少欽

(南昌航空大學(xué)，江西 南昌 330063)

1 概述

當(dāng)運用ANSYS有限元軟件對結(jié)構(gòu)靜力特性進(jìn)行分析時，往往要考慮到結(jié)構(gòu)桿件本身的重量，在建模時結(jié)構(gòu)自重通常有兩種考慮方式，一種是將結(jié)構(gòu)桿件自重作為恒載的一部分，并通過荷載組合及荷載等效的方式作用在結(jié)構(gòu)上；另一種是在建模時定義材料的密度，并在結(jié)構(gòu)上施加重力加速度。之前對于考慮結(jié)構(gòu)自重的問題只做了粗淺的研究，而且多是采用在建模時定義材料的密度，并在結(jié)構(gòu)上施加重力加速度的方式。在結(jié)構(gòu)設(shè)計計算中，結(jié)構(gòu)的自重是作為荷載組合當(dāng)中恒載的一部分，通過設(shè)計軟件計算就是采用這種方法。那么，在運用ANSYS對結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析時以施加重力加速度的方式去考慮自重是否合理的滿足設(shè)計計算的過程，或者以設(shè)計計算考慮結(jié)構(gòu)自重的角度，即考慮結(jié)構(gòu)自重是作為恒載的一部分，運用ANSYS軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析。分析比較這兩種考慮結(jié)構(gòu)自重的方式，可得出較為合理的考慮自重的方式。

2 研究對象的選取與介紹

為了較為清晰直觀的比較兩種考慮自重的方式，假設(shè)結(jié)構(gòu)僅受結(jié)構(gòu)自身的自重而沒有任何其他外荷載作用于結(jié)構(gòu)上。針對ANSYS軟件當(dāng)中由桿單元建模而成的結(jié)構(gòu)進(jìn)行考慮結(jié)構(gòu)自重的分析。以某正放四角錐網(wǎng)架作為研究對象，分析這兩種不同考慮結(jié)構(gòu)自重的方法，通過比較得出一些結(jié)論：

鋼材密度為78.5 kN/m3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3。結(jié)構(gòu)高度為5 m，柱跨度為6 m，鋼管采用φ60×3.5的截面，截面面積為659.4 mm2。

3 模型的建立與求解

3.1 有限元軟件ANSYS建模過程

ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，主要由前置處理器、解題程序、后置處理器以及時間歷程等組成[1]。ANSYS軟件結(jié)構(gòu)分析包括結(jié)構(gòu)的靜態(tài)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析、瞬態(tài)分析、譜分析、非線性分析等[2]。軟件的分析的主要步驟為[3]：1)選擇單元類型；2)定義單元實常數(shù)；3)定義材料屬性；4)建立實體模型；5)有限元單元網(wǎng)格劃分；6)施加邊界條件和荷載，求解；7)后處理。

3.2 建模單元介紹

建模單元采用Link8單元。Link8單元能應(yīng)用于模擬桁架、垂纜，桿件，彈簧等，該單元只能承受單軸的拉壓，每個節(jié)點具有三個自由度，即x,y,z三個方向的位移。施加荷載時將荷載等效并施加在節(jié)點上。

3.3 結(jié)構(gòu)分析方法的選取

由于對結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力方面的分析，故而采用靜力分析方法(static)。

3.4 荷載的取值

計算結(jié)構(gòu)桿件自重時，忽略球鉸節(jié)點的重量，桿件長度取節(jié)點與節(jié)點之間的長度。桿件截面面積為659.4 mm2?？紤]桿件重量均勻分布，按荷載等效作用于桿件節(jié)點上。經(jīng)計算桿件自重線荷載為0.052 kN/m。

研究時僅考慮結(jié)構(gòu)的自重作用而不考慮其他荷載，包括活荷載及外荷載等。這里僅考慮由永久荷載效應(yīng)控制的荷載效應(yīng)組合,通過荷載組合的方式并根據(jù)荷載等效計算出施加在結(jié)構(gòu)桿件節(jié)點上的荷載值如表1所示。

3.5 模型的建立

以下采用兩種不同的方式建模，運用APDL參數(shù)化命令對結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。

1)方式一：將結(jié)構(gòu)桿件自重作為恒載的一部分，并通過荷載組合及荷載等效的方式作用在結(jié)構(gòu)桿件的節(jié)點上。

表1 施加在結(jié)構(gòu)桿件各節(jié)點上的荷載值 kN

建模部分命令如下：

/PREP7

D=60

A=3.1415926*D*D/4

ET,1,LINK8

R,1,A

MP,EX,1,210000

MP,PRXY,1,0.3

……

建立模型如圖1所示。

2)方式二：在建模時定義材料的密度，并在結(jié)構(gòu)上施加重力加速度。

建模部分命令如下：

/PREP7

D=60

A=3.1415926*D*D/4

ro=78.5E-6

ET,1,LINK8

R,1,A

MP,EX,1,210000

MP,PRXY,1,0.3

MP,DENS,1,ro

……

運用ACEL命令設(shè)置結(jié)構(gòu)在z軸方向的重力加速度為9.8 m/s2。建模時結(jié)構(gòu)支座約束均考慮為固定支座。

建立模型如圖2所示。

4 ANSYS軟件計算結(jié)果分析對比

4.1 結(jié)構(gòu)豎向位移對比分析

以方式一建模計算后結(jié)構(gòu)豎向位移的結(jié)果如圖3所示。

以方式二建模計算后結(jié)構(gòu)豎向位移的結(jié)果如圖4所示。

通過對比發(fā)現(xiàn)，采用方式二建模計算后結(jié)構(gòu)豎向位移值明顯大于采用方式一建模計算的結(jié)果。

4.2 結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力對比分析

以方式一建模計算后結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力的結(jié)果如圖5所示。

以方式二建模計算后結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力的結(jié)果如圖6所示。

通過對比發(fā)現(xiàn)，采用方式二建模計算后結(jié)構(gòu)桿件拉壓應(yīng)力值明顯大于采用方式一建模計算的結(jié)果。由此可見，以往考慮結(jié)構(gòu)自重時往往采用方式二進(jìn)行建模計算對于結(jié)構(gòu)計算分析時是偏于安全的。

5 結(jié)語

通過兩種考慮自重的方式進(jìn)行建模計算對比后發(fā)現(xiàn)，在建模時定義材料密度并施加重力加速度的方式考慮自重在結(jié)構(gòu)靜力分析當(dāng)中是偏保守，偏安全的。同時，發(fā)現(xiàn)將結(jié)構(gòu)自重作為恒載的一部分并通過荷載等效施加在桿件節(jié)點上對結(jié)構(gòu)的影響并不大。那么，在對結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析時選取荷載組合，可以將結(jié)構(gòu)自重包括在恒載當(dāng)中，亦可不包括在里面。并且考慮結(jié)構(gòu)自重時還是通過施加重力加速度的方式去考慮。

[1] 盛 超.基于ANSYS的橋梁結(jié)構(gòu)自重仿真分析[J].科技信息,2010,14(1):334-335.

[2] 成 全,張文煥.ANSYS軟件對于結(jié)構(gòu)自重的模擬[J].山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2006(1):85-87.

[3] 陳慧剛,席丁民.基于ANSYS的現(xiàn)澆鋼筋混凝土空心板自重模擬[J].四川建筑科學(xué)研究,2007(3):53-55.