鋼結構廠房實體模型的有限元模擬分析

　　摘 要： 門式剛架輕型廠房近年來在我國取得了廣泛的應用，本文運用有限元分析軟件對門式廠房進行了整體有限元模擬分析，提出了在門式剛架廠房設計中應注意的一些問題。
　　關鍵詞： 廠房實體模型 門式鋼結構 有限元模擬分析
　　
　　輕型門式廠房是目前國內發展速度最快的新型鋼結構形式，它以其強度高、施工速度快、受力性能好等優點被廣泛地應用于工程建設中。本文通過對門式剛架廠房的模型設計與制作，對該種結構的設計與施工中應注意的問題作如下初步分析和探討。
　　1.門式剛架輕型廠房的模型模擬與分析
　　模型的計算假定：（1）本模型所有構件假定為理想彈性材料，符合HOOKE定律；（2）剛架梁柱連接用3節點的Beam189單元。廠房檐口高度6.2m，跨度9m，柱距6m，屋面活載0.65KN/m2，屋面恒載0.25KN/m2等。
　　有限元法將所研究的工程系統（engineering system）轉化成一個有限元系統（finite element system），該有限元系統由節點（node）及單元（element）組合而成還包含工程系統本身所具有的邊界條件（約束條件、外力荷載等），它可以轉化成一個數學模式，并據此得到該有限元系統的解答，然后再通過節點單元表現出來。有限元分析流程的解題步驟如下：（1）結構離散化：結構離散化是有限元法分析的第一步，即將要分析的結構分割成有限個單元體，離散后單元與單元之間利用節點相互連接起來；單元節點的設置、單元性質，以及單元的數目等都應視問題的性質、計算精度和所要描述的變形形態而定。有限元法中分析的結構已不是原有的物體或結構物，而是通過一定方式連接起來的同樣屬性材料的集合體。（2）單元特性分析：位移模式—單元屬性—等效節點力。（3）整體剛度矩陣組裝應用結構的平衡條件和邊界條件把各個單元按原結構重新組裝起來，形成整體剛度矩陣：KU=F。（4）求解未知節點位移求解方程組，得出未知節點位移。應用彈塑性力學中的幾何方程和物理方程，求出單元的應力、應變。一般完整的有限元程序（finite element program）包含前處理（preprocessing）、解題程序（solution）和后置處理。在前處理中，首先建立有限元單元模型所需輸入的資料，單元內節點排序、材料特性等；劃分網格，形成單元，再加入邊界、荷載條件。在解題程序中計算出單元剛度矩陣{U}={F}求解。最后，在后置處理中，通過圖形接口將解題部分得到的解答以等位移圖、等應力圖等方式顯示出來。
　　2.門式剛架的分析結果
　　計算步驟:首先材料符合基本假定；有限元模型的單元屬性選擇；定義材料屬性的定義；有限元的幾何模型建立；有限單元的劃分，如利用分網工具（MESH TOOL）依次拾取幾何體素，分配相應的單元屬性，包括材料號（MAT）、實常數號（REAL）、單元類別號（TYPE）和單元劃分尺寸（SIZE）等，然后選擇全體（SELECT ALL），進行劃分（MESH）；最后是求解設置，靜力計算一般圖門式剛架廠房的有限元模型分析選取PREFERENCE為STRUCTURAL，對模型采用非線性有限元分析，同時考慮材料非線性和幾何非線性；采用von Mises屈服準則；按理想彈塑性考慮；采用牛頓-拉斐遜法自動不斷修正彈塑性剛度矩陣，追蹤非線性變化過程。有限元建模如圖所示。
　　3.結論
　　通過對門式剛架廠房進行有限元模擬分析，得出以下建議：
　　（1）為了有效地增加門式剛架的受力穩定性，應合理地設置剛架支撐體系；
　　（2）采用變截面的梁和柱，能夠有效地較少用鋼量；
　　（3）可對梁柱連接采用半剛性連接，以改善其抗震性能。
　　本文運用有限元分析軟件，對門式廠房進行了整體有限元模擬分析，提出了在門式剛架廠房設計中應注意的一些問題。
　　
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　　本項目由江蘇省大學生實踐創新訓練項目資助，項目編號：CX1022。