工業廠房的有限元模擬及動力性能分析

[摘要]目前在建筑工程中常用的數值計算方法主要有邊界元、離散元、有限差分法等，其中有限元法是應用最為廣泛的方法。ANSYS軟件是現代工程技術與科研人員在數學、力學理論的基礎上，經常被采用的模擬計算軟件之一，用ANSYS軟件能夠獲得滿工程需要的數值解。本文利用ANSYS對五層工業廠房結構進行數值模擬計算，研究工業廠房內部的震動設備對廠房的影響情況，判斷在設備運行過程中，是否會導致工業廠房出現共振的現象，進而判斷廠房的安全性能。

[關鍵詞]工業廠房；有限元法；ANSYS軟件；安全性

1、五層工業廠房的結構的有限元模型建立

1.1單元的選擇與材料性能

在對五層工業廠房的性數值模擬過程中，真實考慮到結構的實際材料組成和各類材料的在承載過程中的力學特點，根據ANSYS中單元庫中所提供的各類單元的屬性，依次選取了如下單元來模擬四層工業廠房在震動過程中的動力性能研究。

廠房立柱采用BEAMl89梁單元，主梁與次梁也采用BEAMl89梁單元，樓板采用SHELL63板單元，振動機械設備采用質量單元MASS21來模擬，振動機械設備與樓板的接觸采用具有阻尼特點的COMBINl4單元來模擬。

廠房的立柱與主梁、次梁在力學特性上符合梁的特點，因此采用BEAMl89來模擬。BEAMl89梁單元適合于細長的stubby/thick的梁結構，該單元基于Timoshenko梁理論，包含切應變。BEAMl89是二次（3一節點）3-D梁元素。BEAMl89每個節點有6到7個自由度，即X＼Y＼Z方向的平動和繞其的轉動。需要時還會加上第7個自由度（翹曲量）。此單元能夠有很好的適用于線性，大轉角，和非線性大應變的情況。BEAMl89包含有應力剛度，在默認情況下，應力剛度使得元素能夠進行彎曲，側向彎曲，和扭轉穩定性的分析。BEAMl89能夠用定義任何截面形狀。支持彈性、潛變、塑性的特性。

樓板結構的厚度不大，而且變形是以翹曲為主時，這種結構的力學性能為板殼結構特點，此時用SHELL63板殼單元來模擬樓板。

1.2有限元模型的建立與網格劃分

1）墻體、橫次梁、柱間的連接方法

本文的建模過程采用自上而下的建模過程，利用殼單元來模擬樓板，用梁單元模擬工業廠房立柱，用梁單元來模擬橫梁、縱梁和圈梁結構。用質量單元來模擬振動機械設備，用彈簧單元來模擬減隔震設備。在ANSYS中不同單元的連接方法主要有彈簧連接法、共用節點連接法、耦合連接法等。本文建模過程中采用的方法為共用節點法。

2）有限元模型的建立

本文選取一個五層的框架結構用來研究振動機械設備對廠房振動效果的影響情況。五層工業廠房的模型尺寸為：五層結構，廠房占地面積為42m*56m。縱向g排立柱，縱向柱距7m。橫向7排立柱，橫向柱距為7m。以一層地面標高為0點，其中一層樓板標高4m，二層樓板標高8m，三層樓板標高14m，四層樓板標高20，五層樓板標高27m。各層設置圈梁，并且樓層頂設置有縱、橫次梁。

振動機械設備安裝在第三層的一側，振動機械設備安裝處的混凝土樓板被扣空被安裝設備，為了保證安裝設備的樓板具有足夠的強度，在扣孔位置設置了縱、橫兩個方向的加強梁。另外為了方便貨物的運輸，在第一層、二層、三層樓板的中心處進行了樓板的開孔，方便貨物的上下運輸。混凝土芯柱寸為0.6m*0.6m，圈梁、主梁尺寸為0.4m*0.7m，次梁尺寸為0.3m*0.6m。

為了更為有效地分析該工業框架廠房的動力性能，在建模過程中，不考慮墻體對該廠房動力性能的貢獻，因此不建立墻體結構，該有限元模型共11672個節點，9835個單元。

2、模態分析

首先對五層框架廠房結構進行模態分析，通過對這模態分析，主要分析結構在自由振動條件下的固有頻率和相應振型分析。

另外模態分析也是后續的其他動力分析所必須的前期分析過程。模態分析主要目的是為了：在結構的設計和使用過程中避免結構與設備發生共振，或者是結構按照特定的頻率進行振動；了解結構在不同荷載作用下的動力響應；為其他的動力學分析計算提供相應的參數。

根據模態計算結果，提取了振型參與系數，并繪制了振型參與系數曲線，根據曲線得知，該廠房結構振動模態主要以前8階為主，其中前八階振型參與系數波動較大，并且主要以整體平動和轉動為主，以后的模態出現了局部的扭轉，可見前八階對該廠房結構的模態分析較重要。

通過對振型的分析發現，結構在自振過程中，主要以x方向和振動和扭轉其中一階、二階振型以x方向整體振動為主，三階振型以扭動為主，四階振型再次以x方向大幅度振動為主，五階以后的振型以x方向振動和轉動為主。在振動過程中這幾階沒有出現局部模態情況，表面該廠房結構各局部剛度設計較為合理。

通過分析發現，該五層框架廠房的固有頻率處于1.5426Hz～8.3851 Hz，而前文提及的振動機械設備的自振頻率為15Hz，可見振動設備的工作頻率不在共振區，表明將機器設備安裝到該廠房正常工作后，在振動篩正常工作時候二者不會發生共振現象。另外，該五層工業廠房的主振型方向為X方向，因此在后續諧響應分析過程中，應主要觀察X方向的振動情況。

3、總結：

利用ANSYS軟件對對多層工業廠房進行數值建模，研究振動機械設備在工作過程中對結構的影響狀態分析，結論如下。

1）首先利用ANSYS進行了結構自重的計算，結構的自重最大撓度為2mm。結構的自重最大等效應力為0.32MPa，結構自重結果均滿足使用要求。

2）通過對振型的分析發現，結構在自振過程中，主要以×方向和振動和扭轉其中一階、二階振型以x方向整體振動為主，三階振型以扭動為主，四階振型再次以x方向大幅度振動為主，五階以后的振型以x方向振動和轉動為主。在振動過程中這幾階沒有出現局部模態情況，表明該廠房結構各局部剛度設計較為合理。