结构模型有限元计算分析

摘 要：土木工程专业结构模型设计竞赛已成为培养学生创新能力、实践能力和竞争意识的一个新兴实践教学环节。基于第十届全国大学生结构设计竞赛赛题，本文从基本假定、模型建立、计算参数、内力计算、位移计算、承载力计算等6个方面详细介绍了结构模型计算分析过程。结果表明计算分析结果与实际的模型相符。

关键词：结构模型；模型建立；计算分析

中图分类号：TH122 文献标识码：A

结构模型有限元计算分析是对概念设计下结构模型的仿真计算，计算结果可以作为实际模型的参考。

一、基本假定

（1）假设材料顺纹方向具有均一性。

（2）假设竹材的强度不受胶水的影响，所有制作的杆件的强度与竹材强度相同。

（3）假设加载后各部分受力均匀，且受力后各部分变形均匀。

（4）假设竹材各方面性质不受空气湿度、温度的影响。

（5）假设加载的过程中没有扰动，加载面始终水平，加载过程中不受外界因素的影响。

（6）假设制作过程中因生产的材料尺寸误差忽略不计。

（7）假设各粘接点的胶水厚度忽略不计。

（8）假设承台板的尺寸零误差，且承台板水平。

二、模型建立

模型的分析使用Midas-Gen软件，首先确定屋盖的水平投影面积900mm×600mm，定义材料库中的材料的性质、构件截面数据、再确定各个节点位置，然后把各个节点连接起来形成单元，同时要定义单元的截面尺寸，设置节点约束，把柱脚设置成固定端约束。定义荷载工况，把压力荷载定义为单元荷载，竖直加载到模型上，形成一个模型的建立及加载过程的模拟。

三、计算参数

（1）竹子的物理参数见表1。

（2）竹子的几何参数见表2。

（3）竹材的泊松比取0.3。

（4）图1是结构平面图，图2是结构正视图，图3是结构侧视图。各种杆件截面形式及尺寸见表2。

在一些假定和计算参数基础上，采用Midas-Gen建立计算模型，如图4所示。

四、内力计算及位移计算

通过模拟结果可以看出，选定结构与实际手工制作出来的结果，基本一致，达到预期的效果。对该结构在均布荷载作用下的受力情况进行轴力、弯矩、位移的数值模拟分析发现，柱子在承受较大压力时会发生弯曲破坏，节点处会因承受较大弯矩而发生破坏。为防止结构发生上述破坏，在制作时可以采取如下措施：

（1）在节点处粘接竹片粘接板，不仅起到连接构件的作用，还能起到一定的抗压作用。

（2）在梁柱节点处，用竹条缠绕节点，增大接触面积，保证牢固。

承载力计算：

N=65÷39.25×15=22.84kg

本次结构设计竞赛采用两阶段加载，第一阶段加载成功后，要进行自主报加载重量的第二阶段。

N=150÷43.09×15=52kg

根据受压杆件：

根据受拉杆件：

经计算分析，第三级加载后总重量为21kg，即第三级加载的质量为6kg。（3张加载材料）

实际制作过程中，竹材的强度必定因胶水的存在而加强，所以应根据实验具体情况来确定第四级加载。

结语

大学生结构设计竞赛是一项极富创新性和挑战性的科技竞赛，是教育部确定的全国九大大学生学科竞赛之一，通过设计、制作、有限元分析、实验等一系列过程，锻炼和培养学生的实践能力和创造能力。本文以全国第十届大学生结构设计大赛为例，基于Midas-Gen软件，详细介绍了模型建模过程，并分析其承载力、内力和位移，同时结合赛题实际制作的需要，最终完成符合大赛要求的模型。

參考文献

[1]陈吉光.结构模型设计制作与分析——以2015年吉林省大学结构设计大赛为例 [J].中国新技术新产品，2016（3）：89-90.

[2]陈吉光.结构模型制作与方案确定[J].中国新技术新产品，2017（8）：78-79.

[3]Midas/Gen 应用实例教程及疑难解答[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.