重力對桁架結構的影響仿真

摘 要：為了研究重力對桁架結構的影響，通過有限元分析軟件ANSYS對桁架結構進行建模，并考慮桁架結構的自重，對桁架結構進行靜力學分析，得到了重力引起的桁架變形及造成的應力分布，根據仿真結果對桁架結構進行調整，提高了桁架結構在實際工程中的可靠性與準確性。

關鍵詞：桁架結構；重力；ANSYS仿真

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.208

0 引言

桁架結構在房屋建筑、橋梁及船舶、射電望遠鏡等現代工程中得到廣泛應用，其特點是結構簡單、質量輕及拆卸方便等。桁架結構按外形通常分為平行弦桁架、梯形桁架及三角形桁架等，其組成通常有圓鋼、角鋼和T型鋼等，連接方式有焊接、螺栓連接等。影響桁架結構工作性能的因素很多，比如材料強度、結構分布、風荷、連接方式及重力等因素，其中重力對桁架結構的影響最明顯。尤其當桁架結構用于外伸支撐時，桁架自重造成桁架變形，在桁架還未承受外力時，其強度與形狀便與設計預計存在偏差。而重力造成的桁架結構變形很難通過提前計算得到，所以有必要利用有限元軟件在工程實施前對桁架結構進行重力變形仿真。本文以一個小型的外伸支撐桁架結構為例，考慮其自重，利用有限元仿真軟件ANSYS，仿真桁架結構在不受外載荷時，重力造成的變形。

1 桁架結構建模

ANSYS軟件是常用的有限元仿真集成軟件，其在進行靜力學分析時建模方便，劃分網格準確，仿真計算結果精確。軟件主要包括三個部分：前處理模塊、分析計算模塊及后處理模塊，進行的分析類型主要有靜力學分析、動力學分析、動力學分析及熱分析等。本文進行的仿真分析屬于結構靜力學分析，通過對桁架結構進行靜力學分析得到因自重造成的桁架變形、應力等。

本文的桁架結構是由角鋼組成，型號為50-50mm，長度有1200mm、825mm等多種規格，連接方式包括焊接和螺栓連接，但在建模時為了減少計算量，忽略焊接點的集中應力影響，也忽略螺紋、螺栓孔等的影響。根據實際模型建立仿真模型，單元類型選擇beam，材料選擇45號鋼，密度為7890kg/m3，屈服強度為209000Gpa，泊松比為0.3，劃分網格時采用自動網格劃分方法劃分網格，由于beam單元劃分網格時比較簡單，可直接在ANSYS軟件中meshtool工具欄中設置網格單元大小或單元個數，并且施加全約束。重力通過設置重力加速度來實現，重力加速度在defineloads工具欄中設置。

2 仿真計算

設置好各種參數后，利用ansys中分析計算模塊，進行分析計算，并在后處理模塊中查看仿真結果。查看結果得到最大應力為293Mpa，分布在外遠端；最小應力為46Mpa，分布在約束端的約束處；說明靠近約束處的桁架剛度高，受到重力影響小，遠端桁架剛度小，受重力影響大。并且可以查看桁架原型與受重力影響后的對比，得出因為自重，桁架實際的位置和形狀與理論的位置和形狀相差很大，而且越遠離近端差距越大。如果在實際工程中，沒有提前預計到這個變形，會造成偏差。再次說明通過分析軟件提前對桁架結構進行重力變形仿真很有必要。

3 結論

在工程中，桁架結構可以以較少的材料提供足夠的抗拉、抗剪能力，但是其自重對其形狀的影響不可忽略。根據本文仿真結果發現在距離約束端較近的地方其自重造成變形小，在遠離約束端的桁架自重會造成較大變形，所以有必要在遠離約束端增加支撐，并在增加支撐和增加重量之間尋求平衡。還能根據仿真分析得到抗剪危險點，并在此處采取增加支撐或改變截面形狀等措施增強桁架結構的抗剪能力。

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作者簡介：郭永鳳（1988-），女，內蒙古鄂爾多斯人，碩士。