基于ansys的某网架的静力分析和模态分析

杨金彪 顾芳

摘 要：利用大型有限元分析Ansys软件，建立了20m×20m×2m的正四角锥网架模型，对该网架进行静载作用下的受力和变形分析，得出网架的最大位移与最大应力，均满足设计要求；然后对网架进行了前50阶模态分析，得出了前50阶模态的振型频率，分析了网架前四阶的振型变形云图，在前四阶的振型云图变化比较多，得出网架计算时需要考虑前多阶振型进行分析的结论。

关键词：网架结构 ansys 静力分析 模态分析

中图分类号：TU356 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）10（a）-0101-02

网架结构是一种通过杆件连接的结构，其具有轻便，灵活，只有承受轴力的特点，其平面布置灵活，现场加工量少，便于进行工业化施工，目前在体育场馆和工业化厂房得到了大量应用。

Ansys是美国ansys公司开发的大型有限元分析软件，是世界上增长范围最快的计算机辅助软件，其独特的APDL输入模式，可以通过建立循环函数的方式快速建立网架模型，并对其进行精确分析。

文中通过ansys建立网架结构模型，对其进行了静力分析和模态分析，取得较好效果。

1 结构建模

文章中采用网架平面尺寸20 m×20 m，高度为2 m，网格数为10×10，网格尺寸为2×2的正四角锥的网架结构模型。杆件采用的钢管截面积为28.26 cm2，网架结构的有限元模型如图1所示。

2 静力分析

2.1 网架平面单元的建立

本文的建模过程包括定义单元类型、材料属性、建立几何模型、施加约束和添加荷载等步骤。

2.1.1 单元类型

网架杆件采用三维杆件单元link8单元，link8单元是具有2节点的三维杆件单元，能承受单向拉力和压力，每个节点具有3个自由度，可以用来模拟三维空间桁架、网架、铰链和弹簧单元等。

2.1.2 材料属性

杆件选用Q235钢，钢材强度设计值为215 N/mm2，屈服强度标准值fy=235 N/mm2，钢材的弹性模量E=2.1E11，泊松比u=0.3，钢材的密度为7850 kg/m3。

2.1.3 添加约束

本网架的上弦平面四周节点铰接，约束3个自由度，其余节点和下平面自由。

2.1.4 施加荷载

本网架考虑重力荷载，g=9.80，方向沿Z轴向下，且每个下弦节点承受10 KN的竖向荷载，沿Z轴方向向下。

2.2 结果分析

结构受力及变形由图2和图3所示，该平面网架结构的最大变形为5 mm，发生最大位移的点位于网架的中心处，按照挠度控制指标1/500，该网架的挠度最大限制为40 mm，满足挠度控制要求。

上弦及下弦的杆件内力最大的地方位于跨中，边缘杆件内力最小，腹杆内力最大内力该平面网架的最大轴向拉力为35.29 kN，最大轴压力值为11.17 kN，满足设计要求。

3 网架模态分析

网架的固有频率有无限阶次，如果全部分析比较，比较繁琐，因此笔者只考虑了前50阶振型，本网架采用子空间迭代法进行分析，得到结果如表1所示。

从结果中可以看出，第一阶振型频率为16.582 Hz，第五十阶振型频率为157.24 Hz网架的振型频率的密集程度不高。

这里给出网架的前四阶结构振型云图。

从图4a可知，结构的一阶振型位移主要在中部，边缘的振动较小；图4b可知，结构的主要振型在网架的1/3和2/3处，从图4c可知，结构的振型与第二阶相似，但是刚好旋转了90°；从图4d的振型位移看，位移出现了4处位移较大部分，且出现了弯曲现象。

从振型分析可以看出：结构的前几阶振型并不是结构的主要振型，这证明了对于网架等振型密集型结构不能只考虑前几阶振型，尤其是仅考虑第一振型，要考虑其后高阶振型。

4 结论

（1）通过有限元分析软件ansys对网架结构分析，模拟得出各杆件的内力和变形，当前网架可以确保网架受力和挠度变形的要求，ansys软件可以较好地模拟网架的受力情况，可以在网架设计时较好地分析应用。

（2）通过模态分析可知，该模态自振频率变化较大，前几阶不是结构的主要整形。对其进行振型分析时要考虑多阶振型。

参考文献

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