結構模型有限元計算分析

摘 要：土木工程專業結構模型設計競賽已成為培養學生創新能力、實踐能力和競爭意識的一個新興實踐教學環節?；诘谑畬萌珖髮W生結構設計競賽賽題，本文從基本假定、模型建立、計算參數、內力計算、位移計算、承載力計算等6個方面詳細介紹了結構模型計算分析過程。結果表明計算分析結果與實際的模型相符。

關鍵詞：結構模型；模型建立；計算分析

中圖分類號：TH122 文獻標識碼：A

結構模型有限元計算分析是對概念設計下結構模型的仿真計算，計算結果可以作為實際模型的參考。

一、基本假定

（1）假設材料順紋方向具有均一性。

（2）假設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）假設加載后各部分受力均勻，且受力后各部分變形均勻。

（4）假設竹材各方面性質不受空氣濕度、溫度的影響。

（5）假設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）假設制作過程中因生產的材料尺寸誤差忽略不計。

（7）假設各粘接點的膠水厚度忽略不計。

（8）假設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、構件截面數據、再確定各個節點位置，然后把各個節點連接起來形成單元，同時要定義單元的截面尺寸，設置節點約束，把柱腳設置成固定端約束。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

（1）竹子的物理參數見表1。

（2）竹子的幾何參數見表2。

（3）竹材的泊松比取0.3。

（4）圖1是結構平面圖，圖2是結構正視圖，圖3是結構側視圖。各種桿件截面形式及尺寸見表2。

在一些假定和計算參數基礎上，采用Midas-Gen建立計算模型，如圖4所示。

四、內力計算及位移計算

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

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

（2）在梁柱節點處，用竹條纏繞節點，增大接觸面積，保證牢固。

承載力計算：

N=65÷39.25×15=22.84kg

本次結構設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

根據受壓桿件：

根據受拉桿件：

經計算分析，第三級加載后總重量為21kg，即第三級加載的質量為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，所以應根據實驗具體情況來確定第四級加載。

結語

大學生結構設計競賽是一項極富創新性和挑戰性的科技競賽，是教育部確定的全國九大大學生學科競賽之一，通過設計、制作、有限元分析、實驗等一系列過程，鍛煉和培養學生的實踐能力和創造能力。本文以全國第十屆大學生結構設計大賽為例，基于Midas-Gen軟件，詳細介紹了模型建模過程，并分析其承載力、內力和位移，同時結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

[1]陳吉光.結構模型設計制作與分析——以2015年吉林省大學結構設計大賽為例 [J].中國新技術新產品，2016（3）：89-90.

[2]陳吉光.結構模型制作與方案確定[J].中國新技術新產品，2017（8）：78-79.

[3]Midas/Gen 應用實例教程及疑難解答[M].北京：中國建筑工業出版社，2010.