大型钢结构件有限元力学分析方法及应用

黄志海

（桂林长海发展有限责任公司 广西桂林 541001）

大型钢结构件有限元力学分析方法及应用

黄志海

（桂林长海发展有限责任公司 广西桂林 541001）

近年来，随着科技、经济的飞速发展和社会的不断进步，我国大型钢结构件的数量越来越多，呈现出多样化、复杂化等特征，为了保证大型钢结构件能够正常、高效运行，除了增强结构强度以外，还需要对大型钢结构件的有限元力学分析方法及应用情况进行详细分析。本文基于大型钢结构件的特点及载荷特点，对有限元建模及其力学分析方法进行了详细论述和剖析，以供参考，希望通过本文的介绍能够为该类结构件有限元力学分析提供帮助作用，从而保证设备能够正常、良好运行。

大型钢结构；有限元；力学分析方法

钢结构，是指由钢制材料组成的结构，它是主要的建筑结构类型之一，科技进步的同时，大型钢结构件呈现出数量大、尺寸大、结构复杂的特征，如：搅拌楼、起重机、搅拌站等。这些设备的力学性能非常重要，它直接关系到设备是否安全、可靠运行，然而最重要的是力学计算，计算后才能确定该设备是否结构强度可靠。本文应用ANSYS软件的有限元建模及其力学分析方法进行分析，促使设备正常运行。具体内容如下：

1 大型钢结构件的特点

关于大型钢结构件的特点主要有两大方面：①结构特点，其内容是：a.体积庞大，例如在建设一大型混凝土搅拌楼的主楼时，其长度为8m，宽度为8m，高度为28m，在工程领域，有的塔式起重机的高度在几十米到几百米不等；b.结构呈现出复杂性的特点，且零件比较多，如某混凝土搅拌楼主楼的零件可大3000多，庞大的零件数量为增强结构稳定性和强度提供了保障；c.桁架结构比较多，通常情况下，由钢板和钢梁经焊接、螺栓等联接后成为大型钢结构件的桁架结构。②载荷特点，其内容是：a.钢结构件自身的重量比较大，由于大型钢结构件的总体特点是结构复杂，体积庞大，且材料主要是钢制的，所以说其自身的重量是相当大的；b.所受风载荷比较大，大部分大型结构件是在露天环境下工作，其受风面积比较大，相应的风载荷也比较大；c.工作载荷大。基于这些特点，所以计算设备的力学性能颇为重要，直接关系到设备是否安全，是否正常运行。

2 大型钢结构件建模的特点

由于大型钢结构件体积庞大，结构复杂，所以在建模过程中具有一定的难度：①工作量比较大，要将多个零件组装成结构稳定的构件，所以在建立有限元模型过程中的工作量比较大；②对接模型时工序复杂，通常情况下，需要分布几个模块，由多个人共同完成，庞大的工作量，需要花费大量人力和无力，所以在模型对接时工序比较麻烦；③有限元模型和计算量都比较大。结构复杂，零件数量多，体积大，意味着计算量也比较大。甚至某个单元可达几十万。所以，在大型刚结构件有限元力学分析时，要结合建模特点及实际情况，综合考虑，注意方法和技巧。

3 大型钢结构件的有限元建模方法和技巧

通过了解上述大型钢结构件的特点极其有限元建模特点，得知建模工作量大、工序复杂，且计算量大，所以在建立模型时不但要把握好要点，而且要注意方法和技巧。具体内容表现在：

3.1 做好建模前的准备工作

为了建模方便：①在分析建模时要将焊接、铆接或螺栓连接而成的构件当成是刚性连接；②对于设备所受的主要荷载很小的部件或者者附件，在建模过程中除细节运算分析需要考虑以外，其他可忽略不计，不需要建立实际模型；③在建模时可以对主楼的外包装铁皮进行简化。做好准备工作后，可选取默认的笛卡尔坐标系作为建模坐标系，将坐标系的原点与原设备的几何尺寸标注成一致的，这样可以为建模提供诸多便利。

3.2 可实行分块建模的方式

基于建模工作量比较大，工序比较复杂的特点，所以可将模型分成若干块，实行独立分块建立模型。根据实际几何结构和参数，采用自下而上的方法进行建模，另外还要采用命令流的方式进行建模，避免在建模过程中出现反复修改。具体操作方法有：①采用间接建模的方法，即根据实际情况，先建立关键点，将这些关键点练成线，之后再由这些线构成面，再建立模型或单元。如果直接建节点，再生成单元的方式，在实际中可能要大量修改，不仅增加了建模工作量，甚至会影响建模效果。而这种间接建模的方法，可在一定程度上减少工作量，且修改性比较好。②点不能断。在连线时必修由多个点构成，不能省略中间的点。③在建立面元素时，有可能出现“U”形情况，这种情况需要画一条直线将该缺口封闭起来，但是在设置过程中要将这条线的截面设置到最小。④注意画线和画面的方法，每画一类相同参数的元素，需要将该类元素赋以截面参数或者利用单元划分来控制参数，之后将各个部分的程序进行组合或叠加，这种方法可以减少工作量，提高工作效率。另外，在连接过程中，可采用在关键点、线、面、节点和单元编号前加一个变量来完成，这种办法是说该变量的值为前面程序段的关键点、线、面、节点预计单元编号的最后编号，最后将各个程序直接组合叠加到一起即可如图1。⑤要做到两个尽量，尽量将少用“GLUE”“OVLAP”等编号、因为这些编号可能会造成后面程序中的有关编号需要修改，增加了工作量；尽量减少程序用量，技术人员要努力寻找变成规律，建议多用“KGEN”等编号，来达到提高计算速度，减少程序量命令的目的。

图1 线的连接方式

3.3 模型叠加处理

当各个模块建好后，要将他们叠加起来组成一个整体模型，通常要注意以下几点：①往往后续程序的关键点、线、面以及节点和单元编号的起点变量要赋以前面程序各个对应的关键点、线、面、节点、单元编号，避免出现叠加混乱；②后面程序的实参数编号不能与前面的重合；③遇到前后程序相同坐标值的关键点时，可用“!”屏蔽。

3.4 载荷处理

先给设备施加实际载荷，然后再进行计算，由于在实际工作中面，设备所受载荷不仅包括构件的自重，风载荷还包括工作载荷等多方面，特别要注意的是设备顶蓬载荷和风载荷。设备顶蓬的载荷只是其重力，为了避免由于自身重量过重，采用亚型钢板，这时就必须对其进行适当处理。因为在给钢板输入截面参数时，只能给定其厚度，不能直接给定惯性矩，而实际提供的参数只是彩钢板1m宽的惯性矩，所以在计算过程中务必要依据钢板的惯性矩计算钢板在具有相同刚度条件下的等效厚度。例如：一顶篷采用的是厚度为0.6mm的屋顶用压型彩钢板，采用板1m宽的惯性矩为13.85cm4/m，b=1m，得到h=11.85mm，多加的重量为11.25mm厚钢板的重量，所以在屋顶面上加一个向上的压强来抵消多加的重量，最终得到的总压强为7850×9.8×0.01185=911.6Pa；具体如图2，风载荷计算，大型钢结构件体积庞大，大部分是在露天环境下作业，该设备主要由钢桁架和平面钢板构成，和起重机结构有一定的相似之处，计算时可参照起重机风载计算，公式为：

PW=CKhQA

图2 有限元模型及加载图

式中：PW——代表作用在主楼上的风载荷；

C——代表风力系数；

Kh——代表风压高度变化系数；

Q——代表计算风压，N/m2；

A——代表垂直于风向的迎风面积。

为了保证设备的能够正常、稳定运行，当钢结构有限元模型建立完成后，下一步可对其进行计算，重点对面单元进行应力和变形分析，可直接绘制等效应力图和等效应变图观察各个面单元是否发生位移变化；对梁单元进行应力和变形分析，根据实际情况建立反应单元应力和应变单元表，再绘制等效应力图和等效应变图，获得可靠的结果。根据最终结果可以了解到大型钢结构件的最大变形值，最小变形值，最大应力值，最小应力值极其相应位置，结合材料的力学性能，估计设备的安全裕量，以此可作为优化设备的重要参考依据。

4 结语

综上，上文通过分析大型刚结构件的特点及建模特点等内容，最终得到设备需要的应力值、变形值和相关数值，为设备的进步优化和改进提供了数据支持，并且可以对改进后的设计状况进行分析计算。经实践证明，理论分析与大型钢结构件有限元力学分析一致，所以，可以将该有限力学分析方法应用于同类结构件分析中，保证设备的安全与正常运行。笔者希望更多人士参与到大型刚结构件有限元力学分析方法及应用研究当中来，为建筑行业的大发展做出贡献。

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TU391

A

1004-7344（2016）13-0323-02

2016-2-1

黄志海（1984-），男，助理工程师，本科，主要从事机械结构设计等工作。