有限元计算在钢结构制造中的应用

庞延波 杨春松

摘 要：文章运用有限元计算软件ANSYS和ABAQUS，针对现代钢结构制作过程中的焊接变形、吊装、运输等工序进行有限元模拟分析，合理简化计算模型，求得的应力、应变等计算结果指导现场施工，减少现场工作量，保证制造质量。

关键词：钢结构；有限元；计算模型

1 有限元方法及软件介绍

有限元法可以称为有限单元法或有限元素法，基本思想是将物体（即连续求解域）离散成有限个且按一定方式相互连接在一起的单元组合，来模拟和逼近原来的物体，从而将一个连续的无限自由度问题简化为离散的有限自由度问题求解的数值分析法。

完整的有限元分析必须包含三个方面内容：有限元方法的基本数学力学原理、基于原理形成的实用软件和使用软件时必须配备的计算机硬件。有限元分析过程可分成三个阶段，前处理、处理和后处理。前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。

目前，通用的有限元计算软件主要有ANSYS、ADINA、ABAQUS、SAP、ALGOR等，其中，ANSYS软件在致力于线性分析的用户中具有很好的声誉，它在计算机资源的利用和用户界面开发等方面做出了很大的贡献，ABAQUS软件则致力于更复杂和深入的工程问题，其强大的非线性分析功能在设计和研究的高端用户群中得到了广泛的认可，文章就以ANSYS软件和ABAQUS软件为例，介绍有限元计算在钢结构制造中的应用情况。

2 有限元计算在钢结构制造中的应用

有限元计算在钢结构制造中应用广泛，计算内容包括热分析、焊接变形分析、静力结构分析、动力学分析、疲劳计算等。实际生产过程中，焊接变形分析和静力学分析运用最多，下面举例介绍钢结构项目的焊接变形分析和大型构件的整体吊装分析。

2.1 焊接变形分析

北京某钢桥主塔为三维异形门式结构，钢塔所有壁板均为三维曲面，钢索塔截面从塔底13.8m×12m渐变到塔顶3m×5m，钢箱塔柱截面采用矩形空心箱。

钢塔现场分节段进行吊装，节段长度8m，节段吊装精确定位后进行焊接，由于壁板板厚大，现场的焊接方法和焊接顺序对焊接变形影响极大，如何确定钢塔截面上焊缝的焊接顺序，直接关系到钢塔的整体安装精度和线形，下文在ABAQUS软件对现场焊接进行模拟的有限元分析，对不同的焊接方案进行结果比对，选出最优方案指导现场施工。

根据实际工程经验及大量计算结果，采用分中对称焊接方案对钢塔节段进行拼装焊接。分中对称焊接方案和顺序焊接方案相比较，焊接收缩量小，且截面各部分收缩差均较小。

最优焊接顺序为“先焊腹板外侧，然后焊短边外侧，再焊长边内侧”，最差焊接顺序为“先焊长边外侧，然后焊长边内侧，再焊短边外侧”，如图1所示，余下部分的焊接顺序对结果影响不大。

2.2 钢结构节段整体吊装分析

随着大型远洋运输设备和起重设备的快速发展，钢结构制作越来越来已整体节段和模块的形式进行运输，到达现场后整体吊装，极大地缩短了施工周期，同时又保证了产品质量。下面结合工程实例简要介绍钢结构整体吊装的有限元分析方法。

沪通铁路桥通航孔桥采用节段整体吊装，节段尺寸为28m（长）×36m（宽）×17.65M（高），总重约1780吨。采用通用有限元分析软件ANSYS 10.0进行建模计算，计算结果如图2和图3所示，由有限元计算结果可见，在吊装过程中，桁架节段最大应力和最大变形均在安全范围之内，可安全进行吊装作业。

3 结束语

现代钢结构设计和制造过程中涉及到大量的力学计算和焊接计算，传统的计算方法计算复杂，需要投入较多的人力和时间，计算精度较低。随着计算机硬件和软件行业的快速发展，利用ANSYS和ABAQUS等有限元分析软件进行强度、刚度以及焊接热分析，既准确、经济、可靠，又能得出构件在各种工况下的应力、应变参数。有限元计算时需要合理的简化计算模型，计算模型不能偏离实际问题本身，以最简单的计算方法模拟最真实的工况状态，为实际生产提供依据，指导生产，保证工程质量和安全。

参考文献

[1]马晓峰.ABAQUS 6.11中文版有限元分析从入门到精通[M].清华大学出版社，2013.

[2]商跃进，王红.有限元原理与ANSYS实践[M].清华大学出版社，2012.

[3]张洪才.ANSYS 14.0理论解析与工程应用实例[M].机械工业出版社，2013.

作者简介：庞延波（1981-），男，硕士研究生.