ANSYS在网架结构中的应用

2013-06-16 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

网架结构是杆件按照一定的规律布置,通过节点连接而成的网状空间杆系结构。网架结构由处在2个平面内的杆件组成,形成平行的上弦与下弦,其间以斜杆和竖杆相连。网架的受力特点是杆件均为铰接,不能承受弯矩和扭矩,因此所有的杆件只受拉或受压,即使实际的网架节点具有一定的刚度,不是理想铰,弯矩和扭矩的影响也是很小的。网架结构的自重轻,用钢量仅为25kg/m2。网架结构杆件规格,适宜工厂化生产,此外,网架结构还具有跨度大、美观、施工快等优点,这为加速工程进度提供了有利的条件和保证。

随着社会生产的迅速发展和人们经济文化生活的日益丰富,社会对建筑结构从形式和工作性方面都提出了更高的要求。在空间结构领域中,网架结构以其特点,在体育馆、展览厅、影剧院、工业厂房、仓库、飞机库等各类建筑中获得了广泛的应用,但是要对网架结构在试验室进行试验比较困难,模型制作和试验工作量大,试验结果的离散性大,费用高,需要较多的人力、物力和场地。相对而言,有限元数值计算及软件模拟在这方面具有很大的优势。本文采用有限元软件ANSYS对一网架屋盖结构的工程实例进行了分析,表明ANSYS在网架结构中应用的可行性及必要性。

1 工程实例

某体育馆屋盖为钢网架结构,由简支的钢网格组成,接头设在网格交点处。整个屋盖为32 x32m2,由16 x 16个网格组成,每个网格为2x2m2,网架高lm,所有网格采用标准构件拼装而成,接头为钢板加螺栓组成,接头板厚10mm,螺栓为M20型,屋盖顶部采用钢屋面板作为防水材料。平面和立面布置图见图1,网架构件参数见表1.

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2 网架结构的ANSYS建模

建立该网架结构有限元模型,对于该网架中的各种杆件采用Link 1单元进行模拟,分为4种,分别表示上弦杆、下弦杆、竖杆和斜杆,采用线弹性的本构模型,取钢材的弹性模量为,泊松比为0.3,建立几何模型,并对其进行网格划分,加上边界条件及荷载,所建立的有限元模型如图2所示。

3 ANSYS分析网架结构的内力

该钢网架结构ANSYS分析得到的内力如图3,从中我们可以看到,上弦杆受压,轴力最大值为74.193kN,最小值为0;下弦杆受拉,轴力最大值为73.613kN,最小值为8.5kN;竖杆受压,轴力最大值为0.804kN,最小值为0.403kN,斜杆拉压。这样就可以根据得到的轴力值和网架的参数值来计算各杆件所受到的应力,结果见表2,从而判断该网架结构中各杆件是否满足设计规范要求。

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4 ANSYS分析网架结构的变形

图4为利用ANSYS分析得到的该钢网架结构的变形图,从图中可以看到各个截面位置处的挠度,只要我们控制最大挠度在允许值之内,就可以说该网架结构满足变形要求,从图中可以看到,最大变形发生在中间位置处截面,变形值大小为36.343mm,按照1/500的跨度值作为允许值,则32m跨的变形控制在64mm之内就可以,因此该网架结构的变形满足要求。

5 网架结构的模态分析

利用ANSYS还可以进行结构动力学分析,模态分析是最常用的形式之一,在对该网架进行模态分析时采用子空间法(subspace),分析该网架在自重荷载作用下的频率(固有频率)和相应的振型图。由于模态分析得到的频率有很多阶,考虑到地震激励的频率一般只有前几阶有实际意义,故本文只取前3阶(如表3),并给出了相应的振型图(如图5-7).该体育馆工程应该避免在这3阶频率下工作,以防止产生共振,这在实际应用中有很重要的指导意义,同时振型图揭示了该网架结构的振动动态过程。能更直观地看到该网架的整个振动变形的相对幅度。

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6 结语

通过对网架结构实例的ANSYS分析,可以得到以下结论:

(1)ANSYS可以很好地模拟网架结构中各杆件的内力及变形,从而确保设计中各杆件的应力及变形满足设计要求,确保工程安全。

(2) ANSYS可以对网架结构进行模态分析,得到的固有频率及其相应的振型图可以指导设计,避免网架结构在使用过程中因共振造成的损失。

(3) ANSYS在网架结构中应用是可行的,在网架结构的设计中应用ANSYS进行各种分析也是必要的。

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