基于Ansys Workbench的单层塔架抗震受力仿真

许丰，杨煜新，林旭

(广东金明精机股份有限公司，广东 汕头 515098)

重包吹膜机组的塔架比较高，塔架刚度不足会容易晃动。针对此类问题，应用Ansys Workbench对不同结构特点的单层塔架做单一变量对比分析，直观地得出薄弱环节的位置，找出改进刚度的方向。从结构、质量、成本方面去平衡，采用相对合适的方式，并有针对性的加以改善。利用管理软件进行分析和模拟设计，通过系统把控核心质量点，避免盲目的改动造成不必要的浪费。

线性材料结构动力学分析经常应用于土木行业的塔架、桥梁等的抗震计算，同时也在机械行业的振动疲劳分析等有广泛应用。在Ansys Workbench中，做建筑物地震分析一般采用瞬态动力学分析或响应谱分析。瞬态动力学分析是时域分析；响应谱分析是频域分析。

瞬态动力学分析（亦称时间历程分析）是用于确定承受任意的随时间变化载荷结构的动力学响应的一种方法。可以用瞬态动力学分析确定结构在稳态载荷、瞬态载荷和简谐载荷的随意组合作用下的随时间变化的位移、应变、应力及力。载荷和时间的相关性使得惯性力和阻尼作用比较重要。瞬态动力学分析可采用三种方法：完全法、模态叠加法以及缩减法。

1 建立几何模型

塔架按照立柱、梁、柱脚、支撑斜杆这几个部分进行搭接，根据前期经验选用型材规格及尺寸，根据不同单一变量依次修改立柱、梁、支撑斜杆型材大小与长度。根据前期经验，影响塔架刚度的无非是立柱的型材大小/厚度，支撑斜杆的型材大小/长度，通过Solidworks创建出不同的几何模型，如图1所示。

图1 几种不同的塔架solidworks模型

其中（a）为改善前模型 ，（b）为立柱方管加大，（c）为立柱方管加厚，（d）为支撑斜杆型材加大，（e）为支撑斜杆加长，（f）为立柱方管加大，横拉杆型材加大，加竖撑，（g）为立柱方管加大，横拉杆采用方管，加竖撑。

单层塔架主要尺寸参数：（a）框架槽钢200 mm×75 mm，立柱间距4 200 mm×4 200 mm，层高2 980 mm，支撑斜杆100 mm×48 mm，立柱200 mm×200 mm×6 mm，支撑斜杆高度1 700 mm；（b）框架槽钢200 mm×75 mm，立柱间距4 200 mm×4 200 mm，层高2 980 mm，支撑斜杆100 mm×48 mm，立柱250 mm×250 mm×6 mm，支撑斜杆高度1 700 mm；（c）框架槽钢200 mm×75 mm，立柱间距4 200 mm×4 200 mm，层高2 980 mm，支撑斜杆100 mm×48 mm，立柱200 mm×200 mm×10 mm，支撑斜杆高度1 700 mm；（d）框架槽钢200 mm×75 mm，立柱间距4 200 mm×4 200 mm，层高2 980 mm，支撑斜杆160 mm×65 mm，立柱200 mm×200 mm×6 mm，支撑斜杆高度1 700 mm；（e）框架槽钢200 mm×75 mm，立柱间距4 200 mm×4 200 mm，层高2 980 mm，支撑斜杆100 mm×48 mm，立柱200 mm×200 mm×6 mm，支撑斜杆高度900 mm；（f）框架槽钢200 mm×75 mm，立柱间距4 200 mm×4 200 mm，层高2 980 mm，支撑斜杆100 mm×48 mm，立柱250 mm×250 mm×6 mm，横拉杆160 mm×65 mm，加竖撑120 mm×53 mm，支撑斜杆高度1 700 mm；（g）框架槽钢200 mm×75 mm，立柱间距4 200 mm×4 200 mm，层高2 980 mm，支撑斜杆100 mm×48 mm，立柱250 mm×250 mm×6 mm，横拉杆160 mm×80 mm×6 mm，加竖撑120 mm×53 mm，支撑斜杆高度1 700 mm。

2 受力仿真模拟过程

（1）创建瞬态动力学分析

动力学问题遵循的平衡方程为：

式中，[M]是质量矩阵；[C]是阻尼矩阵；[K]是刚度矩阵；{x}是位移矢量；{F(t)}是力矢量；{x′}是速度矢量；{x"}是加速度矢量。

动力学分析适用于快速加载、冲击碰撞的情况，在这种情况下惯性力和阻尼的影响不能被忽略。如果结构静定，载荷速度较慢，则动力学计算结果将等同于静力学计算结果。由于动力学问题需要考虑结构的惯性，因此对于动力学分析来说，材料参数必须定义密度，另外材料的弹性模量和泊松比也是必不可少的输入参数。

瞬态动力学分析具有广泛的应用。对承受各种随时间变化的载荷的结构，如桥梁、建筑物等，都可以用瞬态动力学分析来对它们的动力响应过程中的刚度、强度进行计算模拟。如图2所示。

知识内化则主要以课堂教学为主，老师可以结合学生刻苦学习的实质情况，针对学生所存在的不足进行有效的辅导。因此，翻转课堂能够有效地促进学生课前预习时间的延长，在完成主体教学之后，学生可以在课外观看不同的视频，采取不同的手段和途径查阅相关的教学资料和学习资料，对个人所学习的知识进行进一步的巩固。老师则可以结合学生作业完成的实质情况对学生的知识点进行有效的检验，以此来为后续教学活动的开展提供更多的依据。

图2 瞬态动力学分析项目

（2）导入几何模型

本文通过Ansys Workbench对重包吹膜机组的单层塔架进行受力仿真分析，首先将创建的单层塔架几何模型导入Ansys Workbench中，导入后查看模型是否正常合理，有无缺陷。导入后的模型如图3所示。由于导入方法一致，分析方法一致，模型外观相近，故在此受力仿真模拟过程中仅显示改善前模型的分析过程，其他模型的模拟基本一致。图3显示的仅为改善前模型，其他模型暂不赘述。

图3 改善前模型

（3）添加材料信息

本文选择的材料Structural Steel（结构钢），此材料为Ansys Workbench19.0默认被选中的材料，故不需要设置。

（4）网格划分

本文主要分析塔架震动变形量与结构设计的关联性，故网格大小对变形量大小影响不大，主要是影响应力表现。设置网格大小为50 mm，其余采用默认设置。网格划分结果如图4所示。

图4 网格划分结果

（5）施加约束

先对立柱四个柱脚节点施加固定约束。在Analysis Settings里设置时间步参数，设置步数为20步，每步为0.1 s，选择求解器类型Direct，其余选项为默认，再输入地震加速度谱数据。由于我们做的是对比分析，而且动力学分析所需的计算时间较长。在此由于要减少计算量，加快计算速度，对地震加速度谱数据做了调整，只取前2 s的数值进行分析。如图5所示。

图5 地震加速度谱

约束条件的设定如图6所示。

图6 约束条件

3 受力仿真模拟结果分析

模拟分析结果及输出的变形曲线可以看出，变形量最大的时间为0.92 s，此时塔架变形量最大处为支撑斜杆横拉杆，变形量为2.1 404 mm。变形量大小依照横拉杆、平台框架、立柱递减。通过软件后处理的Probe，可得到局部个别面的变形量，通过分析得到两个方向的平台变形量，可以看到塔架平台在X轴方向的变形量为1.263 mm，在Y轴方向的变形量为0.9 903 mm，对比得到塔架平台的变形量。如图7、图8、图9所示。

图7 总变形量

图8 X轴方向的变形量

图9 Y轴方向的变形量

由此分析进程对其他几种模型进行受力分析，得到的结果如图10所示。

图10 几种不同塔架的变形量结果

其中（a）为改善前模型 ，（b）为立柱方管加大，（c）为立柱方管加厚，（d）为支撑斜杆型材加大，（e）为支撑斜杆加长，（f）为立柱方管加大，横拉杆型材加大，加竖撑，（g）为立柱方管加大，横拉杆采用方管，加竖撑。

以下为模拟后的具体结果数值，如表1所示。

表1 几种不同塔架的变形量结果数值

从结果可以看出，改善后的模型对比改善前的抗震性能均有不同程度的提升。塔架变形量最大处均为支撑斜杆横拉杆，变形量大小均为依照横拉杆、平台框架、立柱递减。从塔架最大形变差作对比，立柱方管加大，横拉杆型材加大，加竖撑和立柱方管加大，横拉杆采用方管，加竖撑提升效果最明显。从平台最大形变差作对比，支撑斜杆加长有最为明显的提升。从塔架重量差作对比，立柱方管加大和支撑斜杆加长最为经济，成本增加最少。

4 结语

（1）重包吹膜机组由于其工艺性，其塔架一般都会比较高，整个塔架的高宽比会比较大，单独取一层来做模拟分析，能够定性、直观地得出薄弱环节的位置，并有针对性的加以改善，避免盲目的改动造成不必要的浪费。

（2）立柱、横梁的截面惯性矩是决定刚度的主要因素，而全部采用高惯性矩的型材（如宽翼H钢等），则会大大增加成本。

（3）软件分析是基于理想状态下的运算，而实际贴合面的平整度、螺栓锁紧力等因素均未考虑进去。塔架都是用螺栓拼接紧固的，贴合面的锁紧力、烤漆后的摩擦系数都会对塔架刚度产生影响。

（4）结合不同结构的数据分析，为合理控制成本，对重包吹膜机组的塔架可以采用立柱方管加大和支撑斜杆加长的方案，同时局部采用支撑斜杆型材加大的方案。

（5）应用Ansys Workbench进行有限元分析，可提前了解结构的受力变形情况，为结构的设计和优化提供依据。