桁架結(jié)構(gòu)中桿件優(yōu)化及力學(xué)性能仿真分析

代穎，秦海斌

(1.中國(guó)水利水電第十六工程局有限公司，福建 福州 350003；2.中國(guó)建筑第五工程局河南公司，河南 鄭州 450000)

桁架結(jié)構(gòu)憑借著強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、韌性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在各種工程中.桁架結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中不僅要承受靜荷載和動(dòng)荷載，同時(shí)還要承受小概率下的極端荷載，為了避免桁架結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞，影響工程的安全性，因此需要對(duì)桁架結(jié)構(gòu)中各桿件進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而開展理論計(jì)算和數(shù)值分析，以提高桁架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和承載能力.

1 桁架結(jié)構(gòu)中桿件優(yōu)化方式

2 桁架結(jié)構(gòu)數(shù)值分析模型的建立

運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件，通過(guò)對(duì)桁架結(jié)構(gòu)桿件的激活和鈍化，來(lái)探究桁架結(jié)構(gòu)各桿件承受荷載的能力.

2.1 桁架桿件尺寸及材料力學(xué)參數(shù)

桁架結(jié)構(gòu)主要是由桿件焊接組成的，根據(jù)桿件在桁架結(jié)構(gòu)中的角度又分為：豎向桿件、斜向桿件.建立分析模型的尺寸為：桁架整體結(jié)構(gòu)的尺寸為4800 mm×800 mm×800 mm，單獨(dú)桿件的長(zhǎng)度為800 mm，模型中的桁架結(jié)構(gòu)由6根單獨(dú)的桿件組成；同時(shí)，所有桿件的橫截面尺寸為80 mm×50 mm的空心方管.

表1 桁架結(jié)構(gòu)本構(gòu)模型參數(shù)

2.2 桁架結(jié)構(gòu)加載及網(wǎng)格劃分

對(duì)桁架結(jié)構(gòu)模型中各桿件力學(xué)性能的分析，采用加載的方法為變形約束法.假定加載體是剛性材料，加載過(guò)程中無(wú)變形，加載方式見圖1且剛體加載到30 kN時(shí)，終止對(duì)桁架結(jié)構(gòu)的加載.

圖1 桁架結(jié)構(gòu)加載示意圖

圖2 鋼桁架構(gòu)件網(wǎng)格劃分示意圖

圖3 不同網(wǎng)格尺寸下桁架結(jié)構(gòu)撓度變化圖

網(wǎng)格尺寸的大小對(duì)數(shù)值模擬桁架結(jié)構(gòu)的精確度至關(guān)重要.分析模型采用SWEEP掃略劃分的方式對(duì)桁架結(jié)構(gòu)各桿件進(jìn)行劃分，劃分網(wǎng)格尺寸的大小依次為5 mm、10 mm、15 mm；同時(shí)，設(shè)置相互面之間的摩擦因數(shù)為0.35.桁架結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分圖見圖2；為驗(yàn)證網(wǎng)格劃分尺寸大小對(duì)模擬結(jié)果精確度的影響，對(duì)以上三種網(wǎng)格尺寸的模型進(jìn)行模擬加載試驗(yàn)，得出桁架結(jié)構(gòu)在網(wǎng)格三種尺寸下的撓度變化圖.

通過(guò)桁架結(jié)構(gòu)撓度變化圖得出，三種網(wǎng)格劃分尺寸在桁架結(jié)構(gòu)分析過(guò)程中撓度變化趨勢(shì)相同，但撓度峰值不同.在保證模型計(jì)算精確度的前提下，提高計(jì)算效率，本模型選擇網(wǎng)格劃分尺寸為10 mm.

3 桁架結(jié)構(gòu)中桿件力學(xué)性能分析

利用ANSYS軟件對(duì)分析模型中的桿件進(jìn)行激活和鈍化，探究桁架結(jié)構(gòu)分析模型中各桿件依次鈍化后對(duì)桁架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及承載能力的影響.由于建立的桁架結(jié)構(gòu)分析模型中桿件眾多，為了便于探究，對(duì)桁架結(jié)構(gòu)中的桿件進(jìn)行命名；如圖4所示：

圖4 桁架結(jié)構(gòu)中各桁桿編號(hào)示意圖

運(yùn)用ANSYS軟件依次鈍化1號(hào)桿件、2號(hào)桿件、3號(hào)桿件、4號(hào)桿件、5號(hào)桿件、6號(hào)桿件，觀察桁架結(jié)構(gòu)承載能力的變化和整體桁架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性.

(a)移除1號(hào)桿件 (b)移除2號(hào)桿件 (c)移除3號(hào)桿件圖5 腹桿移除后桁架結(jié)構(gòu)的變形模式

提取桁架結(jié)構(gòu)分析模型中依次鈍化1-6號(hào)桿件后的最大位移值和整體承載力，見表2；

通過(guò)模擬數(shù)據(jù)得出在桁架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面1號(hào)桿件、2號(hào)桿件、3號(hào)桿件對(duì)桁架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響大于豎向桿，豎向桿中6號(hào)桿件對(duì)桁架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較其他位置的豎向桿影響大，為此得出，豎向桿件對(duì)桁架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響較小且與所處桁架結(jié)構(gòu)的位置有關(guān).對(duì)比桁架結(jié)構(gòu)整體承載力數(shù)據(jù)，得出豎向桿分擔(dān)整體承載力的系數(shù)大于斜向桿，同時(shí)，豎向桿分擔(dān)整體承載力的系數(shù)又和所處桁架結(jié)構(gòu)的位置有關(guān)，其中外側(cè)豎向桿承載系數(shù)大于內(nèi)側(cè)桿.

表2 桁架下弦桿最大位移

4 桁架結(jié)構(gòu)中桿件力學(xué)性能優(yōu)化

根據(jù)桁架結(jié)構(gòu)中桿件分擔(dān)整體承載能力的系數(shù)對(duì)桿件進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化方案一：將1號(hào)桿件、3號(hào)桿件、5號(hào)桿件壁厚增加1倍；優(yōu)化方案二：將2號(hào)桿件、4號(hào)桿件、6號(hào)桿件壁厚增加1倍；在其他條件均相同的條件下進(jìn)行模擬分析，通過(guò)ANSYS軟件探索優(yōu)化后的桁架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和整體承載能力的變化，模擬結(jié)果見圖7.

圖6 鈍化不同桿件后的桁架結(jié)構(gòu)撓度變化圖

圖7 優(yōu)化桁架構(gòu)件的抗彎承載力變化曲線圖

通過(guò)模擬結(jié)果得出，增加1、3、5號(hào)桿件的強(qiáng)度，可有效地提高桁架結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性；增加2、4、6號(hào)桿件強(qiáng)度，對(duì)提高桁架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響不大；為此得出，若實(shí)際工程對(duì)桁架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性要求較高，需要提高1、3、5號(hào)桿件的強(qiáng)度.

探究桁架結(jié)構(gòu)中桿件優(yōu)化后，對(duì)桁架結(jié)構(gòu)整體承載能力的影響.提取模擬數(shù)據(jù)繪制出桁架結(jié)構(gòu)承載力和撓度的變化圖.從圖中得知，三種方案撓度變化趨勢(shì)大致相同，原始桁架結(jié)構(gòu)承載能力峰值為24.68 kN；桁架結(jié)構(gòu)在優(yōu)化方案一的工況下承載能力峰值為28.06 kN；桁架結(jié)構(gòu)在優(yōu)化方案二的工況下承載能力峰值為26.24 kN；通過(guò)對(duì)比分析得出：兩種優(yōu)化方案均能提高桁架結(jié)構(gòu)的承載能力，優(yōu)化方案一對(duì)提高桁架結(jié)構(gòu)整體承載能力效果明顯.

5 結(jié) 論

通過(guò)ANSYS有限元軟件對(duì)桁架結(jié)構(gòu)中各桿件進(jìn)行模擬分析，得出網(wǎng)格劃分尺寸大小對(duì)桁架結(jié)構(gòu)模擬分析結(jié)果的影響，根據(jù)精確度確定出合理的網(wǎng)格尺寸.同時(shí)得出各桿件對(duì)桁架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響及各桿件分擔(dān)桁架結(jié)構(gòu)整體承載力的系數(shù).根據(jù)各桿件分擔(dān)桁架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和承載能力的系數(shù)，提出兩種優(yōu)化方案，分別對(duì)1、3、5號(hào)桿件；2、4、6號(hào)桿件進(jìn)行優(yōu)化.通過(guò)對(duì)比三種方案的模擬結(jié)果，得出桁架結(jié)構(gòu)中最佳的優(yōu)化方案；綜合以上得出如下結(jié)論：

(1)原始桁架結(jié)構(gòu)中，對(duì)桁架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響較小的是豎向桿；對(duì)桁架結(jié)構(gòu)抗彎能力影響較大的是豎向桿，但豎向桿對(duì)桁架結(jié)構(gòu)抗彎能力所分擔(dān)的系數(shù)又和桿件所處桁架結(jié)構(gòu)的位置有關(guān)，外側(cè)豎向桿分擔(dān)系數(shù)大于內(nèi)側(cè)桿.

(2)對(duì)桁架結(jié)構(gòu)的桿件進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)模擬分析得出1、3、5號(hào)桿件對(duì)桁架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響較大，若實(shí)際工程中對(duì)桁架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求較高，需要提高1、3、5號(hào)桿件的強(qiáng)度.

(3)分析三種方案中桁架結(jié)構(gòu)的承載能力，得出兩種優(yōu)化方案均能提高桁架結(jié)構(gòu)的承載能力，但優(yōu)化方案一對(duì)提高桁架結(jié)構(gòu)的承載能力效果明顯.為此對(duì)提高桁架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和承載能力，首先要提高1、3、5號(hào)桿件的強(qiáng)度.