焊接缺陷对钢框架动力特性影响的数值模拟分析

吴成建

摘 要：随着经济的发展，钢结构的应用范围也随之广阔了起来，并且迅速的在包括钢结构领域内得到应用。焊接的优点是显而易见的，它的刚度大的特性使得钢框架结构更加安全。但是焊接也是有一定缺陷的，在动力载荷的作用下焊接的缺陷会更加明显，在一定情况下，焊接的节点也会由于动力载荷而遭到大幅度的破坏。本文基于ANSYS软件特点，建立合理的分析过程及分析方法。

关键词：焊接缺陷；钢框架；ANSYS模拟分析

众所周知，焊接构件的时限性由焊接质量决定。要确保焊接具有质量保证，就要在焊接工作进行的时候把一切可能出现的隐患消灭或者避免掉。对现有技术而言，监测焊接缺陷主要是依赖技术人员的工作经验，由于没有建成相应的体系，主观因素比较多。焊接缺陷对钢框架动力特性的影响主要是什么，是在哪几个阶段进行影响的，都需要模拟实验来进行分析，然而，模拟实验又有一定的局限性，所以必须按照实际情况来进行系统的研究。

1 动力分析理论

1.1 模态分析

模态分析的优点主要有三点：（1）能够在结构设计的过程中固定频率，避免共振；（2）让工程师了解动力载荷，明晰其响应原则；（3）对其它动力分析有帮助，辅助估算控制参数。但是，振动这个特性在一定情况下起着决定性的作用，比如能够决定许多动力载荷是否得到响应。所以，模态分析是其它动力分析进行的前提和基础。

1.2 模态提取方式

ANSYS软件是融结构、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/E，NASTRAN， I-DEAS， AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。目前在ANSYS中的提取方式主要有六种：“Block Lanczos”，“子空间”法。“Power Dynamics”法；“缩减”法；“不对称”法，“阻尼”法，根据模型的大小来确定模态要用什么样的方法进行提取，这六种方法都有其各自的特点。

2 ANSYS分析概述

ANSYS软件是一种有限元分析软件，主要是将结构、流体和电场还有磁场和声场分析等融合在一起的一种大型的软件。这款软件涵盖了三个部分，前期的处理，这块模块的功能比较强大，可以根据需要按照客户需要构建有限元这个模块，非常灵敏，优化分析能力也比较强。中期的分析计算和最后阶段的处理，最后的处理这一模块是用来显示彩色等值线的，可以根据已经计算的结果来进行显示，计算结果的显示形式是多样的。我们现在所介绍的模块的实体建模方法只有两种，一种是从上往下的方式，一种是从下往上的方式。从上往下的实体建模是给用户提供模型的最高级图元，把球等叫做基元，程序通过基元自动定义出面、线、和关键的地方。这些高级图元是用来给用户提供直接的几何模型的，布尔运算就是把这些数据集组合起来的有效方法，用这个方法雕塑出一个有效模型。

3 焊接缺陷对动力特性影响的模拟实验数据分析

模态分析的试验过程主要有两步，第一步是要测算出模态响应函数，这个过程是需要通过模态试验来获得的。第二步是把频率和函数进行响应，通过曲线拟合大方法来得到模态参数，频响函数也要通过激励和响应的。用函数曲线来体现事件震动特性，要准确的反映，是要通过模态试验来完成的，这种试验方法可以把所有显示的函数曲线拟合起来，进而将固有频率确定，还能够确定模态参数。总体上来看，产生共振的频率是比较稳定的，不同的地方就体现在输入激励的部分，要得出准确的模态结果，就要通过平均和叠加的方式处理频响函数。在分析结构动力特性的时候，要把前八个阶的固有频率通过动力特性来完整地研究，后面几阶可以不用特别考虑。把每一个对象的前面八个阶的固有频率的数值测量出来，再求出每一个个体分别体现的平均值，并将进行完全焊接的各个阶段的平均值做出比较，有必要的话可以直接绘图。通过模态试验的每个阶段来看，前三个阶段是焊接缺陷对钢构架频率影响不太大的阶段，第四以及以后的阶段，按照焊接率的不同，构件固有的频率也会发生比较明显的变化，得出的结果就是焊接率越大，构件的固有频率也会变大。在真正的工程中，对前两个阶段的要求比较高，考虑的情况也比较多，对后面几阶的频率考虑不多，或者在一定情况下根本不会进行考虑。因此，在焊接缺陷对前两个阶的影响非常小，所以可以用连续焊缝处理的方式计算固有频率。

4 结语

经过模拟分析，用函数曲线来体现事件震动特性，要准确的反映，就要通过模态试验来完成，这种试验方法可以把所有显示的函数曲线拟合起来，进而将固有频率确定，还能够确定模态参数。通过理论分析方法，收集大量的数据与检测结果。通过数值分析的方法得出，焊接缺陷对钢框架动力的影响主要是在模拟的后期的八个阶段，对前两个阶段的影响比较小的这一结论。

参考文献：

[1]石永久，王萌，王元清等.钢框架改进型梁柱节点滞回性能有限元分析[J].沈阳建筑大学学报（自然科学版），2010（02）.

[2]刘蒨，王万祯，黄俊伟等.基于椭球面强度模型的钢框架梁柱节点断裂分析[J].兰州工业高等专科学校学报，2010（04）.

[3]温煦.带悬臂梁段拼接的加强型梁柱连接的抗震性能分析[D].兰州理工大学，2011.

[4]暴伟.铸钢件连接钢框架梁柱节点性能及设计方法研究[D].哈尔滨工业大学，2012.endprint