基于ANSYS的溫室用弧形鋼架的受力仿真分析

楊泉

摘 要：本文結合我國最新的建筑結構荷載規范，利用大型通用有限元軟件ansys12.0對溫室用弧形鋼架在雪荷載下的結構狀態進行了模擬仿真，指出了利用ansys軟件的進行弧形鋼架受力仿真分析的合理建模、正確施加約束、正確加載思路。

關鍵詞：弧形鋼架；雪荷載；有限元分析；ANSYS軟件；溫室

1.工程實例

本實例中溫室的跨度為10m，其弧形鋼架結構形式為雙管弧形鋼架腹桿結構，如圖1所示，將弧形鋼架的空間結構簡化成南北向的平面結構，見圖2。

2.荷載計算

本文對荷載的計算過程不作詳細介紹，在此直接給出弧形鋼架的荷載值、荷載分布形式以及整個弧形鋼架的雪荷載分布情況。

我國最新《建筑結構荷載規范》對永久荷載和可變荷載，規定了不同的分項系數。對永久荷載，當其效應對結構不利時，取1.2；對可變荷載，一般情況下取1.4。因此本實例中的弧形鋼架的荷載組合設計值為1.2×（G1 +G2+G3 +G4）+1.4×（Sk+Q1+V）。

3. ansysy建模仿真分析

本文將直接通過節點和單元的方法生成弧形鋼架的有限元模型，這種方法更加便捷有效。啟動ANSYS軟件12.0進行如下操作：

3.1創建單元類型

在ANSYS軟件的圖形用戶界面的左邊點擊main menu / preprocessor / element type / add /edit / delete ，在彈出的對話框中點擊add，在彈出的對話框，為弧形鋼架上弦和下弦選擇單元類型beam 2node 188，點擊Apply，為腹桿選擇單元類型link spar 8 ，點擊ok按鈕，再點擊close按鈕，創建單元類型完成。

3.2定義實常數

點擊main menu / preprocessor / real constants / add / edit / delete，在彈出的對話框中點擊add按鈕，在彈出的對話框，點選tpye 1 和type 2，分別為beam188和link8定義實常數。點選type 2，點擊ok按鈕，在彈出的對話框中輸入腹桿的橫截面積：0.00016（單位：m2）。點擊ok按鈕，在點擊close按鈕，完成實常數定義。

3.3定義材料屬性

所有材料均考慮為線彈性，各向同性，鋼材密度7850kg/m3，彈性模量E=2×105MPa，泊松比為0.3。點擊菜單main menu / preprocessor / material props / material models，在彈出的對話框中，依次點擊structural、linear、elastic、isotropic，在打開的對話框，輸入彈性模量值和泊松比值。點擊ok按鈕，完成材料屬性定義。

3.4設置beam188截面參數

點擊main menu / preprocessor / sections/beam / common sections，在彈出的beam tool對話框中，在ID中輸入1，代表弧形鋼架的上弦的截面參數。在sub-type的下拉式菜單中選擇與上弦（鋼管）截面相似的圖形符號。然后在下面的輸入框中輸入上弦的外徑和內徑。點擊apply，同樣的做法，完成弧形鋼架下的截面參數設置。

3.5創建節點

點擊main menu / preprocessor / modeling / creat /nodes / in active cs，在彈出的對話框，輸入第一個節點號及其坐標軸（本例中節點號及其坐標是在CAD圖中確定的，在此不作詳細介紹），然后點擊apply按鈕，依次輸入剩余節點的節點號及其坐標軸，最后點擊ok按鈕，完成節點的創建。

3.6創建單元，生成有限模型

點擊main menu / preprocessor / modeling / creat / elements / elem attributes，彈出單元屬性對話框。選擇element type number下拉式菜單下的 1beam188，點擊ok按鈕。接下來創建1 beam188 單元（弧形鋼架上弦），點擊element / auto numbered / thru nodes，彈出element from nodes對話框，在ANSYS主界面點選1、2節點，點擊apply按鈕，建成一個單元，再點選2、3節點，點擊apply，再建成一個單元，按照這樣的方式，直到點選44、45節點，點擊ok按鈕，完成弧形鋼架上弦的所有單元的創建。同理，回到單元屬性對話框，選擇相應的單元屬性并創建相應的單元，依次創建腹桿單元和弧形鋼架下弦單元。

3.7施加位移約束

在弧形鋼架的兩端施加邊界條件，約束其各方向自由度。在實際情況中，弧形鋼架的兩端分別通過連接板固定在鋼筋混凝土中，位移約束情況與實際情況基本相同。

3.8施加荷載并求解

為方便計算，把上弦上的均布力簡化為作用于上弦節點的垂直向下的集中力，按照上述荷載組合施加荷載。

4.結論

在上述荷載組合下，弧形鋼架的變形情況為：X方向最大位移（7.398mm）的位置在前屋面中部靠南處，Y方向最大位移（3.545mm）的位置在屋脊附近，總位移的最大位移（13.402mm）在前屋面中部靠南處；并且受載后的變形是波浪形，這與實際情況中的溫室雪荷載變形情況基本一致的，說明本文講述的ansysy模擬分析過程是合理可行的。

參考文獻：

[1]王雙喜.設施農業裝備[M].北京：中國農業大學出版社，2010.

[2]余克強.晉中地區溫室金屬拱架的有限元分析[D].山西農業大學碩士學位論文，2012.6.