基于有限元法的某加工棚鋼構靜態特性分析 *

左芳君，劉平平，李剛俊，張慧潔

(成都工業學院 智能制造學院，四川 成都 611730)

0 引 言

加工棚屬于一種常見的鋼結構，廣泛應用于建筑施工工地，由于其工作地點常見于野外，容易遭遇大風等惡劣天氣，因此，在設計安裝加工棚時非常有必要考察結構在風載荷作用下的強度特性。強度特性屬于靜態特性分析的一種，工程上能夠用于結構靜態特性分析的方法有很多，有限元法便是應用最為廣泛的方法之一。李劍英等人[1]和文廣等人[2]分別利用有限元軟件ANSYS分析了某電動車和某桁架式門式起重機的靜態特性。錢忠杰等人[3]、張增密等人[4]和周瑞等人[5]分別借助有限元軟件ANSYS Workbench對某落地鏜銑床的y向雙驅進給系統、叉車轉向橋和某圓柱凸輪傳動式數控轉臺的靜態特性進行了分析。姜子钘等人[6]則基于有限元法分析了某摩擦焊機主軸系統的靜態特性。楊威等人[7]使用有限元仿真方法對某滑枕的靜態特性展開了分析。嚴曉麗等人[8]利用NX Nastran仿真軟件對某甘蔗深松旋耕聯合作業機機架開展了靜力學分析。筆者選用有限元軟件ANSYS對某工地安裝使用的加工棚鋼構的靜態特性展開分析，分析結果為鋼構的安全使用提供了理論依據。

1 加工棚鋼構有限元模型

文中的分析對象為某工地使用的鋼筋加工棚鋼構，該鋼構安裝于地面上，使用時可能會遇到八級大風。該鋼構主體結構材料為Q235B鋼，其材料特性參數如表1所列，在進行強度校核時，引入安全系數1.34，則該材料的許用應力為175 MPa。分析前，利用有限元軟件建立其有限元模型，考慮到該鋼構主要為細長的型鋼組合而成，文中選擇使用梁單元beam188來模擬整個鋼構，該鋼構網格劃分后的有限元模型如圖1所示，整個模型共有243個單元，127個節點。

表1 Q235B鋼材料特性參數

圖1 加工棚鋼構有限元模型

2 加工棚鋼構靜態特性分析

文中主要分析某加工棚鋼構在以下三種工況下的靜態特性：①工況一：八級大風從側面吹向鋼構，同時考慮鋼構自身重力的影響；②工況二：八級大風從正面吹向鋼構，同時考慮鋼構自身重力的影響；③工況三：八級大風從背面吹向鋼構，同時考慮鋼構自身重力的影響。

文中計算的風壓大小參考《起重機設計規范》中有關起重運輸機械遭遇八級大風時的計算風壓數值，取500 Pa。

2.1 工況一

按照工況一的載荷組合進行約束和加載，具體的載荷和約束如下：①約束鋼構底部所有關鍵點的全部自由度；②在鋼構側面所有節點上施加風載荷大小(將側面迎風面所受風載荷按節點力均勻施加到側面所有節點上)；③通過施加重力加速度來模擬重力的作用。約束和加載后的有限元模型如圖2所示。

圖2 工況一加載后的有限元模型

分析計算完成后，通過定義BEAM188輸出結果單元表來提取鋼構的單元應力。圖3(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分別給出了工況一下結構的單元拉壓應力云圖、繞單元y軸正方向的彎曲應力云圖、繞單元y軸負方向的彎曲應力云圖、繞單元z軸正方向的彎曲應力云圖、繞單元z軸負方向的彎曲應力云圖。

圖3工況一靜態分析結果

從圖3可以看出，結構承受的最大拉應力為7.816 MPa，最大壓應力為5.979 MPa；結構單元繞y軸正向彎曲拉應力最大值為57.274 MPa，彎曲壓應力最大值為56.291 MPa；結構單元繞y軸負向彎曲拉應力最大值為56.291 MPa，彎曲壓應力最大值為57.274 MPa；結構單元繞z軸正向彎曲拉應力最大值為4.646 MPa，彎曲壓應力最大值為4.644 MPa；結構單元繞z軸負向彎曲拉應力最大值為4.644 MPa，彎曲壓應力最大值為4.646 MPa。上述單元應力值均小于材料許用應力。

2.2 工況二

按照工況二的載荷組合進行約束和加載，具體的載荷和約束如下：①約束鋼構底部所有關鍵點的全部自由度；②在鋼構正面所有節點上施加風載荷大小(將正面迎風面所受風載荷按節點力均勻施加到側面所有節點上)；③通過施加重力加速度來模擬重力的作用。約束和加載后的有限元模型如圖4所示。

圖4 工況二加載后的有限元模型

工況二下結構的單元拉壓應力云圖、繞單元y軸正方向的彎曲應力云圖、繞單元y軸負方向的彎曲應力云圖、繞單元z軸正方向的彎曲應力云圖、繞單元z軸負方向的彎曲應力云圖分別如圖5(a)、(b)、(c)、(d)、(e)所示。

圖5可看出，結構承受的最大拉應力為7.792 MPa，最大壓應力為5.975 MPa；結構單元繞y軸正向彎曲拉應力最大值為57.367 MPa，彎曲壓應力最大值為56.457MPa；結構單元繞y軸負向彎曲拉應力最大值為56.457 MPa，彎曲壓應力最大值為57.367 MPa；結構單元繞z軸正向彎曲拉應力最大值為4.683 MPa，彎曲壓應力最大值為4.68 MPa；結構單元繞z軸負向彎曲拉應力最大值為4.68 MPa，彎曲壓應力最大值為4.683 MPa。上述單元應力值也均小于材料許用應力。

圖5 工況二靜態分析結果

2.3 工況三

按照工況三的載荷組合進行約束和加載，具體的載荷和約束如下：①約束鋼構底部所有關鍵點的全部自由度；②在鋼構背面所有節點上施加風載荷大小(將背面迎風面所受風載荷按節點力均勻施加到側面所有節點上)；③通過施加重力加速度來模擬重力的作用。約束和加載后的有限元模型如圖6所示。

圖6 工況三加載后的有限元模型

工況三下結構的單元拉壓應力云圖、繞單元y軸正方向的彎曲應力云圖、繞單元y軸負方向的彎曲應力云圖、繞單元z軸正方向的彎曲應力云圖、繞單元z軸負方向的彎曲應力云圖分別如圖7(a)～(e)所示。

圖7 工況三靜態分析結果

圖7可看出，結構承受的最大拉應力為7.791 MPa，最大壓應力為5.975 MPa；結構單元繞y軸正向彎曲拉應力最大值為57.367 MPa，彎曲壓應力最大值為56.457 MPa；結構單元繞y軸負向彎曲拉應力最大值為56.457 MPa，彎曲壓應力最大值為57.367 MPa；結構單元繞z軸正向彎曲拉應力最大值為4.683 MPa，彎曲壓應力最大值為4.681 MPa；結構單元繞z軸負向彎曲拉應力最大值為4.681 MPa，彎曲壓應力最大值為4.683 MPa。上述單元應力值也均小于材料許用應力。

3 加工棚鋼構穩定性分析

鋼構結構所有桿件在工作時主要承受壓力和彎曲的共同作用，因此，對其進行穩定性進行分析時可將其看成受彎矩和壓力共同作用的梁，其穩定性按式(1)計算：

(1)

式中：N為作用在構件上的軸向力；φ為穩定性系數；可以參考起重機設計規范中的相關表格中數據。A為構件橫截面面積；My、My、Mz、Mz為構件承受的彎矩及截面彎曲系數；[σ]為構件材料的許用應力。

利用公式(1)分別對文中的三種計算工況下的應力計算結果進行穩定性計算。查起重機設計規范GB/T3811-2008得桿件穩定性系數的最小值為φ=0.119，為了使計算結果更保守，文中就取穩定性系數為φ=0.119。

工況一時，最大拉壓應力值為7.816 MPa，單元繞y軸彎曲應力最大值為57.274 MPa，單元繞z軸彎曲應力最大值為4.646 MPa，將工況一下的各應力計算值代入式(1)得到結構桿件的穩定性分析結果如下：

7.816/0.119+57.274+4.646=127.6 MPa≤[σ]

=175 MPa

(2)

工況二時，最大拉壓應力值為7.792 MPa，單元繞y軸彎曲應力最大值為57.367 MPa，單元繞z軸彎曲應力最大值為4.683 MPa，將工況二下的各應力計算值代入式(1)得到結構桿件的穩定性分析結果如下：

7.792/0.119+57.367+4.683=127.53 MPa≤[σ]

=175 MPa

(3)

工況三時，最大拉壓應力值為7.791 MPa，單元繞y軸彎曲應力最大值為57.367 MPa，單元繞z軸彎曲應力最大值為4.683 MPa，將工況三下的各應力計算值代入式(1)得到結構桿件的穩定性分析結果如下：

7.791/0.119+57.367+4.683=127.52 MPa≤[σ]

=175 MPa

(4)

從式(2)～(4)中計算的結果可以看出，桿件的穩定性滿足使用要求。

4 結 論

以某工地使用的鋼筋加工棚鋼構為例，對其進行靜態特性分析，通過分析計算得出如下主要結論：

(1) 在三種計算工況載荷作用下，整個鋼結構的單元應力值均小于材料許用應力。

(2) 該鋼結構所有桿件的穩定性均滿足使用要求。

(3) 分析結果對該加工棚鋼構的使用安全性的評估提供了理論依據，也為其他同類結構的靜態特性分析提供了參考。