大型鋼結構件有限元力學分析方法及應用

黃志海

（桂林長海發展有限責任公司 廣西桂林 541001）

大型鋼結構件有限元力學分析方法及應用

黃志海

（桂林長海發展有限責任公司 廣西桂林 541001）

近年來，隨著科技、經濟的飛速發展和社會的不斷進步，我國大型鋼結構件的數量越來越多，呈現出多樣化、復雜化等特征，為了保證大型鋼結構件能夠正常、高效運行，除了增強結構強度以外，還需要對大型鋼結構件的有限元力學分析方法及應用情況進行詳細分析。本文基于大型鋼結構件的特點及載荷特點，對有限元建模及其力學分析方法進行了詳細論述和剖析，以供參考，希望通過本文的介紹能夠為該類結構件有限元力學分析提供幫助作用，從而保證設備能夠正常、良好運行。

大型鋼結構；有限元；力學分析方法

鋼結構，是指由鋼制材料組成的結構，它是主要的建筑結構類型之一，科技進步的同時，大型鋼結構件呈現出數量大、尺寸大、結構復雜的特征，如：攪拌樓、起重機、攪拌站等。這些設備的力學性能非常重要，它直接關系到設備是否安全、可靠運行，然而最重要的是力學計算，計算后才能確定該設備是否結構強度可靠。本文應用ANSYS軟件的有限元建模及其力學分析方法進行分析，促使設備正常運行。具體內容如下：

1 大型鋼結構件的特點

關于大型鋼結構件的特點主要有兩大方面：①結構特點，其內容是：a.體積龐大，例如在建設一大型混凝土攪拌樓的主樓時，其長度為8m，寬度為8m，高度為28m，在工程領域，有的塔式起重機的高度在幾十米到幾百米不等；b.結構呈現出復雜性的特點，且零件比較多，如某混凝土攪拌樓主樓的零件可大3000多，龐大的零件數量為增強結構穩定性和強度提供了保障；c.桁架結構比較多，通常情況下，由鋼板和鋼梁經焊接、螺栓等聯接后成為大型鋼結構件的桁架結構。②載荷特點，其內容是：a.鋼結構件自身的重量比較大，由于大型鋼結構件的總體特點是結構復雜，體積龐大，且材料主要是鋼制的，所以說其自身的重量是相當大的；b.所受風載荷比較大，大部分大型結構件是在露天環境下工作，其受風面積比較大，相應的風載荷也比較大；c.工作載荷大。基于這些特點，所以計算設備的力學性能頗為重要，直接關系到設備是否安全，是否正常運行。

2 大型鋼結構件建模的特點

由于大型鋼結構件體積龐大，結構復雜，所以在建模過程中具有一定的難度：①工作量比較大，要將多個零件組裝成結構穩定的構件，所以在建立有限元模型過程中的工作量比較大；②對接模型時工序復雜，通常情況下，需要分布幾個模塊，由多個人共同完成，龐大的工作量，需要花費大量人力和無力，所以在模型對接時工序比較麻煩；③有限元模型和計算量都比較大。結構復雜，零件數量多，體積大，意味著計算量也比較大。甚至某個單元可達幾十萬。所以，在大型剛結構件有限元力學分析時，要結合建模特點及實際情況，綜合考慮，注意方法和技巧。

3 大型鋼結構件的有限元建模方法和技巧

通過了解上述大型鋼結構件的特點極其有限元建模特點，得知建模工作量大、工序復雜，且計算量大，所以在建立模型時不但要把握好要點，而且要注意方法和技巧。具體內容表現在：

3.1 做好建模前的準備工作

為了建模方便：①在分析建模時要將焊接、鉚接或螺栓連接而成的構件當成是剛性連接；②對于設備所受的主要荷載很小的部件或者者附件，在建模過程中除細節運算分析需要考慮以外，其他可忽略不計，不需要建立實際模型；③在建模時可以對主樓的外包裝鐵皮進行簡化。做好準備工作后，可選取默認的笛卡爾坐標系作為建模坐標系，將坐標系的原點與原設備的幾何尺寸標注成一致的，這樣可以為建模提供諸多便利。

3.2 可實行分塊建模的方式

基于建模工作量比較大，工序比較復雜的特點，所以可將模型分成若干塊，實行獨立分塊建立模型。根據實際幾何結構和參數，采用自下而上的方法進行建模，另外還要采用命令流的方式進行建模，避免在建模過程中出現反復修改。具體操作方法有：①采用間接建模的方法，即根據實際情況，先建立關鍵點，將這些關鍵點練成線，之后再由這些線構成面，再建立模型或單元。如果直接建節點，再生成單元的方式，在實際中可能要大量修改，不僅增加了建模工作量，甚至會影響建模效果。而這種間接建模的方法，可在一定程度上減少工作量，且修改性比較好。②點不能斷。在連線時必修由多個點構成，不能省略中間的點。③在建立面元素時，有可能出現“U”形情況，這種情況需要畫一條直線將該缺口封閉起來，但是在設置過程中要將這條線的截面設置到最小。④注意畫線和畫面的方法，每畫一類相同參數的元素，需要將該類元素賦以截面參數或者利用單元劃分來控制參數，之后將各個部分的程序進行組合或疊加，這種方法可以減少工作量，提高工作效率。另外，在連接過程中，可采用在關鍵點、線、面、節點和單元編號前加一個變量來完成，這種辦法是說該變量的值為前面程序段的關鍵點、線、面、節點預計單元編號的最后編號，最后將各個程序直接組合疊加到一起即可如圖1。⑤要做到兩個盡量，盡量將少用“GLUE”“OVLAP”等編號、因為這些編號可能會造成后面程序中的有關編號需要修改，增加了工作量；盡量減少程序用量，技術人員要努力尋找變成規律，建議多用“KGEN”等編號，來達到提高計算速度，減少程序量命令的目的。

圖1 線的連接方式

3.3 模型疊加處理

當各個模塊建好后，要將他們疊加起來組成一個整體模型，通常要注意以下幾點：①往往后續程序的關鍵點、線、面以及節點和單元編號的起點變量要賦以前面程序各個對應的關鍵點、線、面、節點、單元編號，避免出現疊加混亂；②后面程序的實參數編號不能與前面的重合；③遇到前后程序相同坐標值的關鍵點時，可用“!”屏蔽。

3.4 載荷處理

先給設備施加實際載荷，然后再進行計算，由于在實際工作中面，設備所受載荷不僅包括構件的自重，風載荷還包括工作載荷等多方面，特別要注意的是設備頂蓬載荷和風載荷。設備頂蓬的載荷只是其重力，為了避免由于自身重量過重，采用亞型鋼板，這時就必須對其進行適當處理。因為在給鋼板輸入截面參數時，只能給定其厚度，不能直接給定慣性矩，而實際提供的參數只是彩鋼板1m寬的慣性矩，所以在計算過程中務必要依據鋼板的慣性矩計算鋼板在具有相同剛度條件下的等效厚度。例如：一頂篷采用的是厚度為0.6mm的屋頂用壓型彩鋼板，采用板1m寬的慣性矩為13.85cm4/m，b=1m，得到h=11.85mm，多加的重量為11.25mm厚鋼板的重量，所以在屋頂面上加一個向上的壓強來抵消多加的重量，最終得到的總壓強為7850×9.8×0.01185=911.6Pa；具體如圖2，風載荷計算，大型鋼結構件體積龐大，大部分是在露天環境下作業，該設備主要由鋼桁架和平面鋼板構成，和起重機結構有一定的相似之處，計算時可參照起重機風載計算，公式為：

PW=CKhQA

圖2 有限元模型及加載圖

式中：PW——代表作用在主樓上的風載荷；

C——代表風力系數；

Kh——代表風壓高度變化系數；

Q——代表計算風壓，N/m2；

A——代表垂直于風向的迎風面積。

為了保證設備的能夠正常、穩定運行，當鋼結構有限元模型建立完成后，下一步可對其進行計算，重點對面單元進行應力和變形分析，可直接繪制等效應力圖和等效應變圖觀察各個面單元是否發生位移變化；對梁單元進行應力和變形分析，根據實際情況建立反應單元應力和應變單元表，再繪制等效應力圖和等效應變圖，獲得可靠的結果。根據最終結果可以了解到大型鋼結構件的最大變形值，最小變形值，最大應力值，最小應力值極其相應位置，結合材料的力學性能，估計設備的安全裕量，以此可作為優化設備的重要參考依據。

4 結語

綜上，上文通過分析大型剛結構件的特點及建模特點等內容，最終得到設備需要的應力值、變形值和相關數值，為設備的進步優化和改進提供了數據支持，并且可以對改進后的設計狀況進行分析計算。經實踐證明，理論分析與大型鋼結構件有限元力學分析一致，所以，可以將該有限力學分析方法應用于同類結構件分析中，保證設備的安全與正常運行。筆者希望更多人士參與到大型剛結構件有限元力學分析方法及應用研究當中來，為建筑行業的大發展做出貢獻。

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TU391

A

1004-7344（2016）13-0323-02

2016-2-1

黃志海（1984-），男，助理工程師，本科，主要從事機械結構設計等工作。