結(jié)構(gòu)模型有限元計(jì)算分析

摘 要：土木工程專業(yè)結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)競(jìng)賽已成為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力和競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)的一個(gè)新興實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。基于第十屆全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽賽題，本文從基本假定、模型建立、計(jì)算參數(shù)、內(nèi)力計(jì)算、位移計(jì)算、承載力計(jì)算等6個(gè)方面詳細(xì)介紹了結(jié)構(gòu)模型計(jì)算分析過(guò)程。結(jié)果表明計(jì)算分析結(jié)果與實(shí)際的模型相符。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)模型；模型建立；計(jì)算分析

中圖分類號(hào)：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

結(jié)構(gòu)模型有限元計(jì)算分析是對(duì)概念設(shè)計(jì)下結(jié)構(gòu)模型的仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果可以作為實(shí)際模型的參考。

一、基本假定

（1）假設(shè)材料順紋方向具有均一性。

（2）假設(shè)竹材的強(qiáng)度不受膠水的影響，所有制作的桿件的強(qiáng)度與竹材強(qiáng)度相同。

（3）假設(shè)加載后各部分受力均勻，且受力后各部分變形均勻。

（4）假設(shè)竹材各方面性質(zhì)不受空氣濕度、溫度的影響。

（5）假設(shè)加載的過(guò)程中沒(méi)有擾動(dòng)，加載面始終水平，加載過(guò)程中不受外界因素的影響。

（6）假設(shè)制作過(guò)程中因生產(chǎn)的材料尺寸誤差忽略不計(jì)。

（7）假設(shè)各粘接點(diǎn)的膠水厚度忽略不計(jì)。

（8）假設(shè)承臺(tái)板的尺寸零誤差，且承臺(tái)板水平。

二、模型建立

模型的分析使用Midas-Gen軟件，首先確定屋蓋的水平投影面積900mm×600mm，定義材料庫(kù)中的材料的性質(zhì)、構(gòu)件截面數(shù)據(jù)、再確定各個(gè)節(jié)點(diǎn)位置，然后把各個(gè)節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)形成單元，同時(shí)要定義單元的截面尺寸，設(shè)置節(jié)點(diǎn)約束，把柱腳設(shè)置成固定端約束。定義荷載工況，把壓力荷載定義為單元荷載，豎直加載到模型上，形成一個(gè)模型的建立及加載過(guò)程的模擬。

三、計(jì)算參數(shù)

（1）竹子的物理參數(shù)見(jiàn)表1。

（2）竹子的幾何參數(shù)見(jiàn)表2。

（3）竹材的泊松比取0.3。

（4）圖1是結(jié)構(gòu)平面圖，圖2是結(jié)構(gòu)正視圖，圖3是結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。各種桿件截面形式及尺寸見(jiàn)表2。

在一些假定和計(jì)算參數(shù)基礎(chǔ)上，采用Midas-Gen建立計(jì)算模型，如圖4所示。

四、內(nèi)力計(jì)算及位移計(jì)算

通過(guò)模擬結(jié)果可以看出，選定結(jié)構(gòu)與實(shí)際手工制作出來(lái)的結(jié)果，基本一致，達(dá)到預(yù)期的效果。對(duì)該結(jié)構(gòu)在均布荷載作用下的受力情況進(jìn)行軸力、彎矩、位移的數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，柱子在承受較大壓力時(shí)會(huì)發(fā)生彎曲破壞，節(jié)點(diǎn)處會(huì)因承受較大彎矩而發(fā)生破壞。為防止結(jié)構(gòu)發(fā)生上述破壞，在制作時(shí)可以采取如下措施：

（1）在節(jié)點(diǎn)處粘接竹片粘接板，不僅起到連接構(gòu)件的作用，還能起到一定的抗壓作用。

（2）在梁柱節(jié)點(diǎn)處，用竹條纏繞節(jié)點(diǎn)，增大接觸面積，保證牢固。

承載力計(jì)算：

N=65÷39.25×15=22.84kg

本次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽采用兩階段加載，第一階段加載成功后，要進(jìn)行自主報(bào)加載重量的第二階段。

N=150÷43.09×15=52kg

根據(jù)受壓桿件：

根據(jù)受拉桿件：

經(jīng)計(jì)算分析，第三級(jí)加載后總重量為21kg，即第三級(jí)加載的質(zhì)量為6kg。（3張加載材料）

實(shí)際制作過(guò)程中，竹材的強(qiáng)度必定因膠水的存在而加強(qiáng)，所以應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)具體情況來(lái)確定第四級(jí)加載。

結(jié)語(yǔ)

大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽是一項(xiàng)極富創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性的科技競(jìng)賽，是教育部確定的全國(guó)九大大學(xué)生學(xué)科競(jìng)賽之一，通過(guò)設(shè)計(jì)、制作、有限元分析、實(shí)驗(yàn)等一系列過(guò)程，鍛煉和培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)造能力。本文以全國(guó)第十屆大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽為例，基于Midas-Gen軟件，詳細(xì)介紹了模型建模過(guò)程，并分析其承載力、內(nèi)力和位移，同時(shí)結(jié)合賽題實(shí)際制作的需要，最終完成符合大賽要求的模型。

參考文獻(xiàn)

[1]陳吉光.結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)制作與分析——以2015年吉林省大學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽為例 [J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2016（3）：89-90.

[2]陳吉光.結(jié)構(gòu)模型制作與方案確定[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2017（8）：78-79.

[3]Midas/Gen 應(yīng)用實(shí)例教程及疑難解答[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.