有限元計算在鋼結構制造中的應用

龐延波 楊春松

摘 要：文章運用有限元計算軟件ANSYS和ABAQUS，針對現代鋼結構制作過程中的焊接變形、吊裝、運輸等工序進行有限元模擬分析，合理簡化計算模型，求得的應力、應變等計算結果指導現場施工，減少現場工作量，保證制造質量。

關鍵詞：鋼結構；有限元；計算模型

1 有限元方法及軟件介紹

有限元法可以稱為有限單元法或有限元素法，基本思想是將物體（即連續求解域）離散成有限個且按一定方式相互連接在一起的單元組合，來模擬和逼近原來的物體，從而將一個連續的無限自由度問題簡化為離散的有限自由度問題求解的數值分析法。

完整的有限元分析必須包含三個方面內容：有限元方法的基本數學力學原理、基于原理形成的實用軟件和使用軟件時必須配備的計算機硬件。有限元分析過程可分成三個階段，前處理、處理和后處理。前處理是建立有限元模型，完成單元網格劃分；后處理則是采集處理分析結果，使用戶能簡便提取信息，了解計算結果。

目前，通用的有限元計算軟件主要有ANSYS、ADINA、ABAQUS、SAP、ALGOR等，其中，ANSYS軟件在致力于線性分析的用戶中具有很好的聲譽，它在計算機資源的利用和用戶界面開發等方面做出了很大的貢獻，ABAQUS軟件則致力于更復雜和深入的工程問題，其強大的非線性分析功能在設計和研究的高端用戶群中得到了廣泛的認可，文章就以ANSYS軟件和ABAQUS軟件為例，介紹有限元計算在鋼結構制造中的應用情況。

2 有限元計算在鋼結構制造中的應用

有限元計算在鋼結構制造中應用廣泛，計算內容包括熱分析、焊接變形分析、靜力結構分析、動力學分析、疲勞計算等。實際生產過程中，焊接變形分析和靜力學分析運用最多，下面舉例介紹鋼結構項目的焊接變形分析和大型構件的整體吊裝分析。

2.1 焊接變形分析

北京某鋼橋主塔為三維異形門式結構，鋼塔所有壁板均為三維曲面，鋼索塔截面從塔底13.8m×12m漸變到塔頂3m×5m，鋼箱塔柱截面采用矩形空心箱。

鋼塔現場分節段進行吊裝，節段長度8m，節段吊裝精確定位后進行焊接，由于壁板板厚大，現場的焊接方法和焊接順序對焊接變形影響極大，如何確定鋼塔截面上焊縫的焊接順序，直接關系到鋼塔的整體安裝精度和線形，下文在ABAQUS軟件對現場焊接進行模擬的有限元分析，對不同的焊接方案進行結果比對，選出最優方案指導現場施工。

根據實際工程經驗及大量計算結果，采用分中對稱焊接方案對鋼塔節段進行拼裝焊接。分中對稱焊接方案和順序焊接方案相比較，焊接收縮量小，且截面各部分收縮差均較小。

最優焊接順序為“先焊腹板外側，然后焊短邊外側，再焊長邊內側”，最差焊接順序為“先焊長邊外側，然后焊長邊內側，再焊短邊外側”，如圖1所示，余下部分的焊接順序對結果影響不大。

2.2 鋼結構節段整體吊裝分析

隨著大型遠洋運輸設備和起重設備的快速發展，鋼結構制作越來越來已整體節段和模塊的形式進行運輸，到達現場后整體吊裝，極大地縮短了施工周期，同時又保證了產品質量。下面結合工程實例簡要介紹鋼結構整體吊裝的有限元分析方法。

滬通鐵路橋通航孔橋采用節段整體吊裝，節段尺寸為28m（長）×36m（寬）×17.65M（高），總重約1780噸。采用通用有限元分析軟件ANSYS 10.0進行建模計算，計算結果如圖2和圖3所示，由有限元計算結果可見，在吊裝過程中，桁架節段最大應力和最大變形均在安全范圍之內，可安全進行吊裝作業。

3 結束語

現代鋼結構設計和制造過程中涉及到大量的力學計算和焊接計算，傳統的計算方法計算復雜，需要投入較多的人力和時間，計算精度較低。隨著計算機硬件和軟件行業的快速發展，利用ANSYS和ABAQUS等有限元分析軟件進行強度、剛度以及焊接熱分析，既準確、經濟、可靠，又能得出構件在各種工況下的應力、應變參數。有限元計算時需要合理的簡化計算模型，計算模型不能偏離實際問題本身，以最簡單的計算方法模擬最真實的工況狀態，為實際生產提供依據，指導生產，保證工程質量和安全。

參考文獻

[1]馬曉峰.ABAQUS 6.11中文版有限元分析從入門到精通[M].清華大學出版社，2013.

[2]商躍進，王紅.有限元原理與ANSYS實踐[M].清華大學出版社，2012.

[3]張洪才.ANSYS 14.0理論解析與工程應用實例[M].機械工業出版社，2013.

作者簡介：龐延波（1981-），男，碩士研究生.