運用ANSYS軟件考慮結構自重時采用建模方法的分析

冷 光 張少欽

(南昌航空大學，江西 南昌 330063)

1 概述

當運用ANSYS有限元軟件對結構靜力特性進行分析時，往往要考慮到結構桿件本身的重量，在建模時結構自重通常有兩種考慮方式，一種是將結構桿件自重作為恒載的一部分，并通過荷載組合及荷載等效的方式作用在結構上；另一種是在建模時定義材料的密度，并在結構上施加重力加速度。之前對于考慮結構自重的問題只做了粗淺的研究，而且多是采用在建模時定義材料的密度，并在結構上施加重力加速度的方式。在結構設計計算中，結構的自重是作為荷載組合當中恒載的一部分，通過設計軟件計算就是采用這種方法。那么，在運用ANSYS對結構進行靜力分析時以施加重力加速度的方式去考慮自重是否合理的滿足設計計算的過程，或者以設計計算考慮結構自重的角度，即考慮結構自重是作為恒載的一部分，運用ANSYS軟件對結構進行靜力分析。分析比較這兩種考慮結構自重的方式，可得出較為合理的考慮自重的方式。

2 研究對象的選取與介紹

為了較為清晰直觀的比較兩種考慮自重的方式，假設結構僅受結構自身的自重而沒有任何其他外荷載作用于結構上。針對ANSYS軟件當中由桿單元建模而成的結構進行考慮結構自重的分析。以某正放四角錐網架作為研究對象，分析這兩種不同考慮結構自重的方法，通過比較得出一些結論：

鋼材密度為78.5 kN/m3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3。結構高度為5 m，柱跨度為6 m，鋼管采用φ60×3.5的截面，截面面積為659.4 mm2。

3 模型的建立與求解

3.1 有限元軟件ANSYS建模過程

ANSYS軟件是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，主要由前置處理器、解題程序、后置處理器以及時間歷程等組成[1]。ANSYS軟件結構分析包括結構的靜態分析、模態分析、諧波響應分析、瞬態分析、譜分析、非線性分析等[2]。軟件的分析的主要步驟為[3]：1)選擇單元類型；2)定義單元實常數；3)定義材料屬性；4)建立實體模型；5)有限元單元網格劃分；6)施加邊界條件和荷載，求解；7)后處理。

3.2 建模單元介紹

建模單元采用Link8單元。Link8單元能應用于模擬桁架、垂纜，桿件，彈簧等，該單元只能承受單軸的拉壓，每個節點具有三個自由度，即x,y,z三個方向的位移。施加荷載時將荷載等效并施加在節點上。

3.3 結構分析方法的選取

由于對結構進行靜力方面的分析，故而采用靜力分析方法(static)。

3.4 荷載的取值

計算結構桿件自重時，忽略球鉸節點的重量，桿件長度取節點與節點之間的長度。桿件截面面積為659.4 mm2。考慮桿件重量均勻分布，按荷載等效作用于桿件節點上。經計算桿件自重線荷載為0.052 kN/m。

研究時僅考慮結構的自重作用而不考慮其他荷載，包括活荷載及外荷載等。這里僅考慮由永久荷載效應控制的荷載效應組合,通過荷載組合的方式并根據荷載等效計算出施加在結構桿件節點上的荷載值如表1所示。

3.5 模型的建立

以下采用兩種不同的方式建模，運用APDL參數化命令對結構進行建模。

1)方式一：將結構桿件自重作為恒載的一部分，并通過荷載組合及荷載等效的方式作用在結構桿件的節點上。

表1 施加在結構桿件各節點上的荷載值 kN

建模部分命令如下：

/PREP7

D=60

A=3.1415926*D*D/4

ET,1,LINK8

R,1,A

MP,EX,1,210000

MP,PRXY,1,0.3

……

建立模型如圖1所示。

2)方式二：在建模時定義材料的密度，并在結構上施加重力加速度。

建模部分命令如下：

/PREP7

D=60

A=3.1415926*D*D/4

ro=78.5E-6

ET,1,LINK8

R,1,A

MP,EX,1,210000

MP,PRXY,1,0.3

MP,DENS,1,ro

……

運用ACEL命令設置結構在z軸方向的重力加速度為9.8 m/s2。建模時結構支座約束均考慮為固定支座。

建立模型如圖2所示。

4 ANSYS軟件計算結果分析對比

4.1 結構豎向位移對比分析

以方式一建模計算后結構豎向位移的結果如圖3所示。

以方式二建模計算后結構豎向位移的結果如圖4所示。

通過對比發現，采用方式二建模計算后結構豎向位移值明顯大于采用方式一建模計算的結果。

4.2 結構桿件應力對比分析

以方式一建模計算后結構桿件應力的結果如圖5所示。

以方式二建模計算后結構桿件應力的結果如圖6所示。

通過對比發現，采用方式二建模計算后結構桿件拉壓應力值明顯大于采用方式一建模計算的結果。由此可見，以往考慮結構自重時往往采用方式二進行建模計算對于結構計算分析時是偏于安全的。

5 結語

通過兩種考慮自重的方式進行建模計算對比后發現，在建模時定義材料密度并施加重力加速度的方式考慮自重在結構靜力分析當中是偏保守，偏安全的。同時，發現將結構自重作為恒載的一部分并通過荷載等效施加在桿件節點上對結構的影響并不大。那么，在對結構進行靜力分析時選取荷載組合，可以將結構自重包括在恒載當中，亦可不包括在里面。并且考慮結構自重時還是通過施加重力加速度的方式去考慮。

[1] 盛 超.基于ANSYS的橋梁結構自重仿真分析[J].科技信息,2010,14(1):334-335.

[2] 成 全,張文煥.ANSYS軟件對于結構自重的模擬[J].山西農業大學學報,2006(1):85-87.

[3] 陳慧剛,席丁民.基于ANSYS的現澆鋼筋混凝土空心板自重模擬[J].四川建筑科學研究,2007(3):53-55.