基于ansys的某網(wǎng)架的靜力分析和模態(tài)分析

楊金彪 顧芳

摘 要：利用大型有限元分析Ansys軟件，建立了20m×20m×2m的正四角錐網(wǎng)架模型，對該網(wǎng)架進行靜載作用下的受力和變形分析，得出網(wǎng)架的最大位移與最大應(yīng)力，均滿足設(shè)計要求；然后對網(wǎng)架進行了前50階模態(tài)分析，得出了前50階模態(tài)的振型頻率，分析了網(wǎng)架前四階的振型變形云圖，在前四階的振型云圖變化比較多，得出網(wǎng)架計算時需要考慮前多階振型進行分析的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)架結(jié)構(gòu) ansys 靜力分析 模態(tài)分析

中圖分類號：TU356 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（a）-0101-02

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是一種通過桿件連接的結(jié)構(gòu)，其具有輕便，靈活，只有承受軸力的特點，其平面布置靈活，現(xiàn)場加工量少，便于進行工業(yè)化施工，目前在體育場館和工業(yè)化廠房得到了大量應(yīng)用。

Ansys是美國ansys公司開發(fā)的大型有限元分析軟件，是世界上增長范圍最快的計算機輔助軟件，其獨特的APDL輸入模式，可以通過建立循環(huán)函數(shù)的方式快速建立網(wǎng)架模型，并對其進行精確分析。

文中通過ansys建立網(wǎng)架結(jié)構(gòu)模型，對其進行了靜力分析和模態(tài)分析，取得較好效果。

1 結(jié)構(gòu)建模

文章中采用網(wǎng)架平面尺寸20 m×20 m，高度為2 m，網(wǎng)格數(shù)為10×10，網(wǎng)格尺寸為2×2的正四角錐的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)模型。桿件采用的鋼管截面積為28.26 cm2，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖1所示。

2 靜力分析

2.1 網(wǎng)架平面單元的建立

本文的建模過程包括定義單元類型、材料屬性、建立幾何模型、施加約束和添加荷載等步驟。

2.1.1 單元類型

網(wǎng)架桿件采用三維桿件單元link8單元，link8單元是具有2節(jié)點的三維桿件單元，能承受單向拉力和壓力，每個節(jié)點具有3個自由度，可以用來模擬三維空間桁架、網(wǎng)架、鉸鏈和彈簧單元等。

2.1.2 材料屬性

桿件選用Q235鋼，鋼材強度設(shè)計值為215 N/mm2，屈服強度標準值fy=235 N/mm2，鋼材的彈性模量E=2.1E11，泊松比u=0.3，鋼材的密度為7850 kg/m3。

2.1.3 添加約束

本網(wǎng)架的上弦平面四周節(jié)點鉸接，約束3個自由度，其余節(jié)點和下平面自由。

2.1.4 施加荷載

本網(wǎng)架考慮重力荷載，g=9.80，方向沿Z軸向下，且每個下弦節(jié)點承受10 KN的豎向荷載，沿Z軸方向向下。

2.2 結(jié)果分析

結(jié)構(gòu)受力及變形由圖2和圖3所示，該平面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的最大變形為5 mm，發(fā)生最大位移的點位于網(wǎng)架的中心處，按照撓度控制指標1/500，該網(wǎng)架的撓度最大限制為40 mm，滿足撓度控制要求。

上弦及下弦的桿件內(nèi)力最大的地方位于跨中，邊緣桿件內(nèi)力最小，腹桿內(nèi)力最大內(nèi)力該平面網(wǎng)架的最大軸向拉力為35.29 kN，最大軸壓力值為11.17 kN，滿足設(shè)計要求。

3 網(wǎng)架模態(tài)分析

網(wǎng)架的固有頻率有無限階次，如果全部分析比較，比較繁瑣，因此筆者只考慮了前50階振型，本網(wǎng)架采用子空間迭代法進行分析，得到結(jié)果如表1所示。

從結(jié)果中可以看出，第一階振型頻率為16.582 Hz，第五十階振型頻率為157.24 Hz網(wǎng)架的振型頻率的密集程度不高。

這里給出網(wǎng)架的前四階結(jié)構(gòu)振型云圖。

從圖4a可知，結(jié)構(gòu)的一階振型位移主要在中部，邊緣的振動較小；圖4b可知，結(jié)構(gòu)的主要振型在網(wǎng)架的1/3和2/3處，從圖4c可知，結(jié)構(gòu)的振型與第二階相似，但是剛好旋轉(zhuǎn)了90°；從圖4d的振型位移看，位移出現(xiàn)了4處位移較大部分，且出現(xiàn)了彎曲現(xiàn)象。

從振型分析可以看出：結(jié)構(gòu)的前幾階振型并不是結(jié)構(gòu)的主要振型，這證明了對于網(wǎng)架等振型密集型結(jié)構(gòu)不能只考慮前幾階振型，尤其是僅考慮第一振型，要考慮其后高階振型。

4 結(jié)論

（1）通過有限元分析軟件ansys對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)分析，模擬得出各桿件的內(nèi)力和變形，當前網(wǎng)架可以確保網(wǎng)架受力和撓度變形的要求，ansys軟件可以較好地模擬網(wǎng)架的受力情況，可以在網(wǎng)架設(shè)計時較好地分析應(yīng)用。

（2）通過模態(tài)分析可知，該模態(tài)自振頻率變化較大，前幾階不是結(jié)構(gòu)的主要整形。對其進行振型分析時要考慮多階振型。

參考文獻

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