結(jié)構(gòu)模型有限元計算分析

摘 要：土木工程專業(yè)結(jié)構(gòu)模型設(shè)計競賽已成為培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力、實踐能力和競爭意識的一個新興實踐教學環(huán)節(jié)?；诘谑畬萌珖髮W生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽賽題，本文從基本假定、模型建立、計算參數(shù)、內(nèi)力計算、位移計算、承載力計算等6個方面詳細介紹了結(jié)構(gòu)模型計算分析過程。結(jié)果表明計算分析結(jié)果與實際的模型相符。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)模型；模型建立；計算分析

中圖分類號：TH122 文獻標識碼：A

結(jié)構(gòu)模型有限元計算分析是對概念設(shè)計下結(jié)構(gòu)模型的仿真計算，計算結(jié)果可以作為實際模型的參考。

一、基本假定

（1）假設(shè)材料順紋方向具有均一性。

（2）假設(shè)竹材的強度不受膠水的影響，所有制作的桿件的強度與竹材強度相同。

（3）假設(shè)加載后各部分受力均勻，且受力后各部分變形均勻。

（4）假設(shè)竹材各方面性質(zhì)不受空氣濕度、溫度的影響。

（5）假設(shè)加載的過程中沒有擾動，加載面始終水平，加載過程中不受外界因素的影響。

（6）假設(shè)制作過程中因生產(chǎn)的材料尺寸誤差忽略不計。

（7）假設(shè)各粘接點的膠水厚度忽略不計。

（8）假設(shè)承臺板的尺寸零誤差，且承臺板水平。

二、模型建立

模型的分析使用Midas-Gen軟件，首先確定屋蓋的水平投影面積900mm×600mm，定義材料庫中的材料的性質(zhì)、構(gòu)件截面數(shù)據(jù)、再確定各個節(jié)點位置，然后把各個節(jié)點連接起來形成單元，同時要定義單元的截面尺寸，設(shè)置節(jié)點約束，把柱腳設(shè)置成固定端約束。定義荷載工況，把壓力荷載定義為單元荷載，豎直加載到模型上，形成一個模型的建立及加載過程的模擬。

三、計算參數(shù)

（1）竹子的物理參數(shù)見表1。

（2）竹子的幾何參數(shù)見表2。

（3）竹材的泊松比取0.3。

（4）圖1是結(jié)構(gòu)平面圖，圖2是結(jié)構(gòu)正視圖，圖3是結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。各種桿件截面形式及尺寸見表2。

在一些假定和計算參數(shù)基礎(chǔ)上，采用Midas-Gen建立計算模型，如圖4所示。

四、內(nèi)力計算及位移計算

通過模擬結(jié)果可以看出，選定結(jié)構(gòu)與實際手工制作出來的結(jié)果，基本一致，達到預(yù)期的效果。對該結(jié)構(gòu)在均布荷載作用下的受力情況進行軸力、彎矩、位移的數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，柱子在承受較大壓力時會發(fā)生彎曲破壞，節(jié)點處會因承受較大彎矩而發(fā)生破壞。為防止結(jié)構(gòu)發(fā)生上述破壞，在制作時可以采取如下措施：

（1）在節(jié)點處粘接竹片粘接板，不僅起到連接構(gòu)件的作用，還能起到一定的抗壓作用。

（2）在梁柱節(jié)點處，用竹條纏繞節(jié)點，增大接觸面積，保證牢固。

承載力計算：

N=65÷39.25×15=22.84kg

本次結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽采用兩階段加載，第一階段加載成功后，要進行自主報加載重量的第二階段。

N=150÷43.09×15=52kg

根據(jù)受壓桿件：

根據(jù)受拉桿件：

經(jīng)計算分析，第三級加載后總重量為21kg，即第三級加載的質(zhì)量為6kg。（3張加載材料）

實際制作過程中，竹材的強度必定因膠水的存在而加強，所以應(yīng)根據(jù)實驗具體情況來確定第四級加載。

結(jié)語

大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽是一項極富創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性的科技競賽，是教育部確定的全國九大大學生學科競賽之一，通過設(shè)計、制作、有限元分析、實驗等一系列過程，鍛煉和培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)造能力。本文以全國第十屆大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽為例，基于Midas-Gen軟件，詳細介紹了模型建模過程，并分析其承載力、內(nèi)力和位移，同時結(jié)合賽題實際制作的需要，最終完成符合大賽要求的模型。

參考文獻

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