焊接缺陷對鋼框架動力特性影響的數值模擬分析

吳成建

摘 要：隨著經濟的發展，鋼結構的應用范圍也隨之廣闊了起來，并且迅速的在包括鋼結構領域內得到應用。焊接的優點是顯而易見的，它的剛度大的特性使得鋼框架結構更加安全。但是焊接也是有一定缺陷的，在動力載荷的作用下焊接的缺陷會更加明顯，在一定情況下，焊接的節點也會由于動力載荷而遭到大幅度的破壞。本文基于ANSYS軟件特點，建立合理的分析過程及分析方法。

關鍵詞：焊接缺陷；鋼框架；ANSYS模擬分析

眾所周知，焊接構件的時限性由焊接質量決定。要確保焊接具有質量保證，就要在焊接工作進行的時候把一切可能出現的隱患消滅或者避免掉。對現有技術而言，監測焊接缺陷主要是依賴技術人員的工作經驗，由于沒有建成相應的體系，主觀因素比較多。焊接缺陷對鋼框架動力特性的影響主要是什么，是在哪幾個階段進行影響的，都需要模擬實驗來進行分析，然而，模擬實驗又有一定的局限性，所以必須按照實際情況來進行系統的研究。

1 動力分析理論

1.1 模態分析

模態分析的優點主要有三點：（1）能夠在結構設計的過程中固定頻率，避免共振；（2）讓工程師了解動力載荷，明晰其響應原則；（3）對其它動力分析有幫助，輔助估算控制參數。但是，振動這個特性在一定情況下起著決定性的作用，比如能夠決定許多動力載荷是否得到響應。所以，模態分析是其它動力分析進行的前提和基礎。

1.2 模態提取方式

ANSYS軟件是融結構、流體、電磁場、聲場和耦合場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發，它能與多數CAD軟件接口，實現數據的共享和交換，如Pro/E，NASTRAN， I-DEAS， AutoCAD等，是現代產品設計中的高級CAD工具之一。目前在ANSYS中的提取方式主要有六種：“Block Lanczos”，“子空間”法。“Power Dynamics”法；“縮減”法；“不對稱”法，“阻尼”法，根據模型的大小來確定模態要用什么樣的方法進行提取，這六種方法都有其各自的特點。

2 ANSYS分析概述

ANSYS軟件是一種有限元分析軟件，主要是將結構、流體和電場還有磁場和聲場分析等融合在一起的一種大型的軟件。這款軟件涵蓋了三個部分，前期的處理，這塊模塊的功能比較強大，可以根據需要按照客戶需要構建有限元這個模塊，非常靈敏，優化分析能力也比較強。中期的分析計算和最后階段的處理，最后的處理這一模塊是用來顯示彩色等值線的，可以根據已經計算的結果來進行顯示，計算結果的顯示形式是多樣的。我們現在所介紹的模塊的實體建模方法只有兩種，一種是從上往下的方式，一種是從下往上的方式。從上往下的實體建模是給用戶提供模型的最高級圖元，把球等叫做基元，程序通過基元自動定義出面、線、和關鍵的地方。這些高級圖元是用來給用戶提供直接的幾何模型的，布爾運算就是把這些數據集組合起來的有效方法，用這個方法雕塑出一個有效模型。

3 焊接缺陷對動力特性影響的模擬實驗數據分析

模態分析的試驗過程主要有兩步，第一步是要測算出模態響應函數，這個過程是需要通過模態試驗來獲得的。第二步是把頻率和函數進行響應，通過曲線擬合大方法來得到模態參數，頻響函數也要通過激勵和響應的。用函數曲線來體現事件震動特性，要準確的反映，是要通過模態試驗來完成的，這種試驗方法可以把所有顯示的函數曲線擬合起來，進而將固有頻率確定，還能夠確定模態參數。總體上來看，產生共振的頻率是比較穩定的，不同的地方就體現在輸入激勵的部分，要得出準確的模態結果，就要通過平均和疊加的方式處理頻響函數。在分析結構動力特性的時候，要把前八個階的固有頻率通過動力特性來完整地研究，后面幾階可以不用特別考慮。把每一個對象的前面八個階的固有頻率的數值測量出來，再求出每一個個體分別體現的平均值，并將進行完全焊接的各個階段的平均值做出比較，有必要的話可以直接繪圖。通過模態試驗的每個階段來看，前三個階段是焊接缺陷對鋼構架頻率影響不太大的階段，第四以及以后的階段，按照焊接率的不同，構件固有的頻率也會發生比較明顯的變化，得出的結果就是焊接率越大，構件的固有頻率也會變大。在真正的工程中，對前兩個階段的要求比較高，考慮的情況也比較多，對后面幾階的頻率考慮不多，或者在一定情況下根本不會進行考慮。因此，在焊接缺陷對前兩個階的影響非常小，所以可以用連續焊縫處理的方式計算固有頻率。

4 結語

經過模擬分析，用函數曲線來體現事件震動特性，要準確的反映，就要通過模態試驗來完成，這種試驗方法可以把所有顯示的函數曲線擬合起來，進而將固有頻率確定，還能夠確定模態參數。通過理論分析方法，收集大量的數據與檢測結果。通過數值分析的方法得出，焊接缺陷對鋼框架動力的影響主要是在模擬的后期的八個階段，對前兩個階段的影響比較小的這一結論。

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