工业厂房的有限元模拟及动力性能分析

文/杨海 沈阳建筑大学 辽宁沈阳 110000

工业厂房的有限元模拟及动力性能分析

文/杨海 沈阳建筑大学 辽宁沈阳 110000

目前在建筑工程中常用的数值计算方法主要有边界元、离散元、有限差分法等，其中有限元法是应用最为广泛的方法。ANSYS软件是现代工程技术与科研人员在数学、力学理论的基础上，经常被采用的模拟计算软件之一，用ANSYS软件能够获得满工程需要的数值解。本文利用ANSYS对五层工业厂房结构进行数值模拟计算，研究工业厂房内部的震动设备对厂房的影响情况，判断在设备运行过程中，是否会导致工业厂房出现共振的现象，进而判断厂房的安全性能。

工业厂房；有限元法；ANSYS软件；安全性

1、五层工业厂房的结构的有限元模型建立

1.1 单元的选择与材料性能

在对五层工业厂房的性数值模拟过程中，真实考虑到结构的实际材料组成和各类材料的在承载过程中的力学特点，根据ANSYS中单元库中所提供的各类单元的属性，依次选取了如下单元来模拟四层工业厂房在震动过程中的动力性能研究。

厂房立柱采用BEAM189梁单元，主梁与次梁也采用BEAM189梁单元，楼板采用SHELL63板单元，振动机械设备采用质量单元MASS21来模拟，振动机械设备与楼板的接触采用具有阻尼特点的COMBIN14单元来模拟。

厂房的立柱与主梁、次梁在力学特性上符合梁的特点，因此采用BEAM189来模拟。BEAM189梁单元适合于细长的stubby/thick的梁结构，该单元基于Timoshenko梁理论，包含切应变。BEAM189是二次(3-节点)3-D梁元素。BEAM189每个节点有6到7个自由度，即XY方向的平动和绕其的转动。需要时还会加上第7个自由度（翘曲量）。此单元能够有很好的适用于线性，大转角，和非线性大应变的情况。BEAM189包含有应力刚度，在默认情况下，应力刚度使得元素能够进行弯曲，侧向弯曲，和扭转稳定性的分析。BEAM189能够用定义任何截面形状。支持弹性、潜变、塑性的特性。

楼板结构的厚度不大，而且变形是以翘曲为主时，这种结构的力学性能为板壳结构特点，此时用SHELL63板壳单元来模拟楼板。

1.2有限元模型的建立与网格划分

1)墙体、横次梁、柱间的连接方法

本文的建模过程采用自上而下的建模过程，利用壳单元来模拟楼板，用梁单元模拟工业厂房立柱，用梁单元来模拟横梁、纵梁和圈梁结构。用质量单元来模拟振动机械设备，用弹簧单元来模拟减隔震设备。在ANSYS中不同单元的连接方法主要有弹簧连接法、共用节点连接法、耦合连接法等。本文建模过程中采用的方法为共用节点法。

2)有限元模型的建立

本文选取一个五层的框架结构用来研究振动机械设备对厂房振动效果的影响情况。五层工业厂房的模型尺寸为：五层结构，厂房占地面积为42m*56m。纵向9排立柱，纵向柱距7m。横向7排立柱，横向柱距为7m。以一层地面标高为0点，其中一层楼板标高4m，二层楼板标高8m，三层楼板标高14m，四层楼板标高20，五层楼板标高27m。各层设置圈梁，并且楼层顶设置有纵、横次梁。

振动机械设备安装在第三层的一侧，振动机械设备安装处的混凝土楼板被扣空被安装设备，为了保证安装设备的楼板具有足够的强度，在扣孔位置设置了纵、横两个方向的加强梁。另外为了方便货物的运输，在第一层、二层、三层楼板的中心处进行了楼板的开孔，方便货物的上下运输。混凝土芯柱寸为0.6m*0.6m，圈梁、主梁尺寸为0.4m*0.7m，次梁尺寸为0.3m*0.6m。

为了更为有效地分析该工业框架厂房的动力性能，在建模过程中，不考虑墙体对该厂房动力性能的贡献，因此不建立墙体结构，该有限元模型共11672个节点，9835个单元。

2、 模态分析

首先对五层框架厂房结构进行模态分析，通过对这模态分析，主要分析结构在自由振动条件下的固有频率和相应振型分析。

另外模态分析也是后续的其他动力分析所必须的前期分析过程。模态分析主要目的是为了：在结构的设计和使用过程中避免结构与设备发生共振，或者是结构按照特定的频率进行振动；了解结构在不同荷载作用下的动力响应；为其他的动力学分析计算提供相应的参数。

根据模态计算结果，提取了振型参与系数，并绘制了振型参与系数曲线，根据曲线得知，该厂房结构振动模态主要以前8阶为主，其中前八阶振型参与系数波动较大，并且主要以整体平动和转动为主，以后的模态出现了局部的扭转，可见前八阶对该厂房结构的模态分析较重要。

通过对振型的分析发现，结构在自振过程中，主要以x方向和振动和扭转其中一阶、二阶振型以x方向整体振动为主，三阶振型以扭动为主，四阶振型再次以x方向大幅度振动为主，五阶以后的振型以x方向振动和转动为主。在振动过程中这几阶没有出现局部模态情况，表面该厂房结构各局部刚度设计较为合理。

通过分析发现，该五层框架厂房的固有频率处于1.5426Hz～8.3851Hz，而前文提及的振动机械设备的自振频率为15Hz，可见振动设备的工作频率不在共振区，表明将机器设备安装到该厂房正常工作后，在振动筛正常工作时候二者不会发生共振现象。另外，该五层工业厂房的主振型方向为X方向，因此在后续谐响应分析过程中，应主要观察X方向的振动情况。

3、 总结：

利用ANSYS软件对对多层工业厂房进行数值建模，研究振动机械设备在工作过程中对结构的影响状态分析，结论如下。

1)首先利用ANSYS进行了结构自重的计算，结构的自重最大挠度为2mm。结构的自重最大等效应力为0.32MPa，结构自重结果均满足使用要求。

2)通过对振型的分析发现，结构在自振过程中，主要以x方向和振动和扭转其中一阶、二阶振型以x方向整体振动为主，三阶振型以扭动为主，四阶振型再次以x方向大幅度振动为主，五阶以后的振型以x方向振动和转动为主。在振动过程中这几阶没有出现局部模态情况，表明该厂房结构各局部刚度设计较为合理。

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杨海，1984.2.6,男，汉族，籍贯：辽宁省大连市，学历：本科，工作单位：沈阳建筑大学，研究方向：结构工程方向。