基于ansys對H型鋼梁抗彎強度與模態(tài)分析

鄒濡銳

摘 要：用有限元分析軟件ANSYS對建筑鋼梁結(jié)構(gòu)中常用H型鋼梁進行了強度與模態(tài)仿真模擬分析，獲得了在簡化載荷作用下的應(yīng)力分布圖與各階下的模態(tài)圖，可清晰直觀得發(fā)現(xiàn)H型鋼梁中的易損破壞的部位與變形較大的區(qū)域，這在提高鋼梁強度設(shè)計中與工程實踐中具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：H型鋼梁;有限元法;模態(tài)分析;強度理論

近幾年來，H型鋼梁已經(jīng)普遍使用在我國各種民用和工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)以及各種大跨度的工業(yè)廠房和高層建筑中，我國平均每年的H 型鋼使用量占總用鋼量的4%—8%。此鋼型具有截面模數(shù)大、重量輕、節(jié)省金屬結(jié)構(gòu)使用空間的優(yōu)點，這使得H型鋼在焊接操作更加簡便，可以節(jié)約材料并一定程度上縮短了施工時長，所以已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。但生產(chǎn)時，對H型鋼的工藝要求也很高，因為其在建筑橫梁結(jié)構(gòu)中受到壓力，剪力，彎矩等載荷的作用，若是一處設(shè)計出現(xiàn)缺陷，就會導(dǎo)致總體結(jié)構(gòu)承載力不足，如在遇到如地震、颶風(fēng)等突發(fā)災(zāi)害時，將會無法承受巨大的壓力與彎矩，導(dǎo)致總體的穩(wěn)定性失衡。所以為了防范特殊情況破壞得發(fā)生，本文將進一步應(yīng)用ANSYS對H型鋼梁的實體模型進行了強度與振動模態(tài)仿真分析。

1 建立簡化模型

H型鋼大小規(guī)格的表示方法為：高度H×寬度B×腹板厚度t1×翼板厚度t2。其中窄翼緣H型鋼特點是截面高度H與寬度B比值大于等于二，并且這種鋼型主要應(yīng)用于梁架結(jié)構(gòu)中。所以這里我們選用400×200×8×13規(guī)格、Q235B材質(zhì)的窄翼緣H型鋼作為模型。為了方便用ansys仿真模擬，對房梁結(jié)構(gòu)中等截面的H型鋼梁模型進行簡化成受均布載荷作用的雙跨梁力學(xué)模型如圖1，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，定義模型的彈性模量為206000MPa，泊松比為0.3，密度為7800 Kg/m3，取鋼梁長度為鋼梁的長度L=6000mm并且一般房屋結(jié)構(gòu)中的均布載荷標(biāo)準(zhǔn)值為q=2000N/㎡。

2 H型鋼梁的強度與模態(tài)分析

2.1 強度分析

2.1.1 建立H型鋼梁模型

此模型選用8節(jié)點solid185單元，此單元適用于三維實體模型，具有很好的可塑性和超彈性。設(shè)置Q235B材質(zhì)的H型鋼彈性模量，泊松比，密度，建立點1（0.1，0，0），2（0.1，0.013，0），3（0.004，0.013，0），4（0.004，0.0387，0），5（0.1，0.387，0），6（0.1，0.4，0），再利用對稱構(gòu)造出完整H型鋼梁截面的12個關(guān)鍵點，使用Lines把12個關(guān)鍵點依次連接，再沿Z軸方向拉伸6m形成H型鋼梁三維實體模型。

2.1.2 模型網(wǎng)格劃分

設(shè)置網(wǎng)格單元長度為0.1m，選擇H型鋼梁三維實體模型使用sweep方式進行網(wǎng)格劃分。

2.1.3 施加邊界條件與載荷

按照鋼梁簡化示意圖，在左面上施加X，Y，Z方向約束，在右側(cè)截面上施加Y，Z方向約束，最后在鋼梁的中點處施加Y，Z方向約束。接下來施加載荷與重力，在模型的上表面施加2000N/㎡的均布載荷，并在鋼梁模型的重心點定義9.8m/s2的重力加速度。

2.1.4 求解與通用后處理

點擊Solve，求解完成后，在通用后處理模塊中顯示第三強度理論應(yīng)力分布圖如圖2。

2.2 模態(tài)分析

建立H型鋼梁模型，模型網(wǎng)格劃分與強度分析之前建立過程相同，選擇Block Lanczos法，設(shè)置為20階模態(tài)分析與頻率為1000，并從當(dāng)前步進行求解，求解完成后，在通用后處理模塊中選擇10階模態(tài)圖如圖3。

3 結(jié)語

使用ansys仿真軟件對H型鋼梁進行了強度和振動模態(tài)的分析，并且在后處理中生成的第三強度理論應(yīng)力圖和模態(tài)分析中模態(tài)圖都可以清晰發(fā)H型鋼梁結(jié)構(gòu)受力最大和變形破壞的危險部位，這時需要在設(shè)計施工中增加對該部位的約束防護或改進材料的力學(xué)性能來提高構(gòu)件的可靠性。此案例分析為結(jié)構(gòu)的安全性間接的提供了校核方法，并對教學(xué)以及工程實踐中同類問題的提供參考價值。

參考文獻：

[1]范國利.高層建筑結(jié)構(gòu)中H型鋼的應(yīng)用[J].建筑知識，1997（02）：4-5.

[2]凌萬春.基于ANSYS的起重機關(guān)鍵件強度及模態(tài)分析[J].機械工程與自動化，2014（02）：80-81.