基于ansys的某網架的靜力分析和模態分析

楊金彪 顧芳

摘 要：利用大型有限元分析Ansys軟件，建立了20m×20m×2m的正四角錐網架模型，對該網架進行靜載作用下的受力和變形分析，得出網架的最大位移與最大應力，均滿足設計要求；然后對網架進行了前50階模態分析，得出了前50階模態的振型頻率，分析了網架前四階的振型變形云圖，在前四階的振型云圖變化比較多，得出網架計算時需要考慮前多階振型進行分析的結論。

關鍵詞：網架結構 ansys 靜力分析 模態分析

中圖分類號：TU356 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（a）-0101-02

網架結構是一種通過桿件連接的結構，其具有輕便，靈活，只有承受軸力的特點，其平面布置靈活，現場加工量少，便于進行工業化施工，目前在體育場館和工業化廠房得到了大量應用。

Ansys是美國ansys公司開發的大型有限元分析軟件，是世界上增長范圍最快的計算機輔助軟件，其獨特的APDL輸入模式，可以通過建立循環函數的方式快速建立網架模型，并對其進行精確分析。

文中通過ansys建立網架結構模型，對其進行了靜力分析和模態分析，取得較好效果。

1 結構建模

文章中采用網架平面尺寸20 m×20 m，高度為2 m，網格數為10×10，網格尺寸為2×2的正四角錐的網架結構模型。桿件采用的鋼管截面積為28.26 cm2，網架結構的有限元模型如圖1所示。

2 靜力分析

2.1 網架平面單元的建立

本文的建模過程包括定義單元類型、材料屬性、建立幾何模型、施加約束和添加荷載等步驟。

2.1.1 單元類型

網架桿件采用三維桿件單元link8單元，link8單元是具有2節點的三維桿件單元，能承受單向拉力和壓力，每個節點具有3個自由度，可以用來模擬三維空間桁架、網架、鉸鏈和彈簧單元等。

2.1.2 材料屬性

桿件選用Q235鋼，鋼材強度設計值為215 N/mm2，屈服強度標準值fy=235 N/mm2，鋼材的彈性模量E=2.1E11，泊松比u=0.3，鋼材的密度為7850 kg/m3。

2.1.3 添加約束

本網架的上弦平面四周節點鉸接，約束3個自由度，其余節點和下平面自由。

2.1.4 施加荷載

本網架考慮重力荷載，g=9.80，方向沿Z軸向下，且每個下弦節點承受10 KN的豎向荷載，沿Z軸方向向下。

2.2 結果分析

結構受力及變形由圖2和圖3所示，該平面網架結構的最大變形為5 mm，發生最大位移的點位于網架的中心處，按照撓度控制指標1/500，該網架的撓度最大限制為40 mm，滿足撓度控制要求。

上弦及下弦的桿件內力最大的地方位于跨中，邊緣桿件內力最小，腹桿內力最大內力該平面網架的最大軸向拉力為35.29 kN，最大軸壓力值為11.17 kN，滿足設計要求。

3 網架模態分析

網架的固有頻率有無限階次，如果全部分析比較，比較繁瑣，因此筆者只考慮了前50階振型，本網架采用子空間迭代法進行分析，得到結果如表1所示。

從結果中可以看出，第一階振型頻率為16.582 Hz，第五十階振型頻率為157.24 Hz網架的振型頻率的密集程度不高。

這里給出網架的前四階結構振型云圖。

從圖4a可知，結構的一階振型位移主要在中部，邊緣的振動較小；圖4b可知，結構的主要振型在網架的1/3和2/3處，從圖4c可知，結構的振型與第二階相似，但是剛好旋轉了90°；從圖4d的振型位移看，位移出現了4處位移較大部分，且出現了彎曲現象。

從振型分析可以看出：結構的前幾階振型并不是結構的主要振型，這證明了對于網架等振型密集型結構不能只考慮前幾階振型，尤其是僅考慮第一振型，要考慮其后高階振型。

4 結論

（1）通過有限元分析軟件ansys對網架結構分析，模擬得出各桿件的內力和變形，當前網架可以確保網架受力和撓度變形的要求，ansys軟件可以較好地模擬網架的受力情況，可以在網架設計時較好地分析應用。

（2）通過模態分析可知，該模態自振頻率變化較大，前幾階不是結構的主要整形。對其進行振型分析時要考慮多階振型。

參考文獻

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