基于ANSYS的温室用弧形钢架的受力仿真分析

杨泉

摘 要：本文结合我国最新的建筑结构荷载规范，利用大型通用有限元软件ansys12.0对温室用弧形钢架在雪荷载下的结构状态进行了模拟仿真，指出了利用ansys软件的进行弧形钢架受力仿真分析的合理建模、正确施加约束、正确加载思路。

关键词：弧形钢架；雪荷载；有限元分析；ANSYS软件；温室

1.工程实例

本实例中温室的跨度为10m，其弧形钢架结构形式为双管弧形钢架腹杆结构，如图1所示，将弧形钢架的空间结构简化成南北向的平面结构，见图2。

2.荷载计算

本文对荷载的计算过程不作详细介绍，在此直接给出弧形钢架的荷载值、荷载分布形式以及整个弧形钢架的雪荷载分布情况。

我国最新《建筑结构荷载规范》对永久荷载和可变荷载，规定了不同的分项系数。对永久荷载，当其效应对结构不利时，取1.2；对可变荷载，一般情况下取1.4。因此本实例中的弧形钢架的荷载组合设计值为1.2×（G1 +G2+G3 +G4）+1.4×（Sk+Q1+V）。

3. ansysy建模仿真分析

本文将直接通过节点和单元的方法生成弧形钢架的有限元模型，这种方法更加便捷有效。启动ANSYS软件12.0进行如下操作：

3.1创建单元类型

在ANSYS软件的图形用户界面的左边点击main menu / preprocessor / element type / add /edit / delete ，在弹出的对话框中点击add，在弹出的对话框，为弧形钢架上弦和下弦选择单元类型beam 2node 188，点击Apply，为腹杆选择单元类型link spar 8 ，点击ok按钮，再点击close按钮，创建单元类型完成。

3.2定义实常数

点击main menu / preprocessor / real constants / add / edit / delete，在弹出的对话框中点击add按钮，在弹出的对话框，点选tpye 1 和type 2，分别为beam188和link8定义实常数。点选type 2，点击ok按钮，在弹出的对话框中输入腹杆的横截面积：0.00016（单位：m2）。点击ok按钮，在点击close按钮，完成实常数定义。

3.3定义材料属性

所有材料均考虑为线弹性，各向同性，钢材密度7850kg/m3，弹性模量E=2×105MPa，泊松比为0.3。点击菜单main menu / preprocessor / material props / material models，在弹出的对话框中，依次点击structural、linear、elastic、isotropic，在打开的对话框，输入弹性模量值和泊松比值。点击ok按钮，完成材料属性定义。

3.4设置beam188截面参数

点击main menu / preprocessor / sections/beam / common sections，在弹出的beam tool对话框中，在ID中输入1，代表弧形钢架的上弦的截面参数。在sub-type的下拉式菜单中选择与上弦（钢管）截面相似的图形符号。然后在下面的输入框中输入上弦的外径和内径。点击apply，同样的做法，完成弧形钢架下的截面参数设置。

3.5创建节点

点击main menu / preprocessor / modeling / creat /nodes / in active cs，在弹出的对话框，输入第一个节点号及其坐标轴（本例中节点号及其坐标是在CAD图中确定的，在此不作详细介绍），然后点击apply按钮，依次输入剩余节点的节点号及其坐标轴，最后点击ok按钮，完成节点的创建。

3.6创建单元，生成有限模型

点击main menu / preprocessor / modeling / creat / elements / elem attributes，弹出单元属性对话框。选择element type number下拉式菜单下的 1beam188，点击ok按钮。接下来创建1 beam188 单元（弧形钢架上弦），点击element / auto numbered / thru nodes，弹出element from nodes对话框，在ANSYS主界面点选1、2节点，点击apply按钮，建成一个单元，再点选2、3节点，点击apply，再建成一个单元，按照这样的方式，直到点选44、45节点，点击ok按钮，完成弧形钢架上弦的所有单元的创建。同理，回到单元属性对话框，选择相应的单元属性并创建相应的单元，依次创建腹杆单元和弧形钢架下弦单元。

3.7施加位移约束

在弧形钢架的两端施加边界条件，约束其各方向自由度。在实际情况中，弧形钢架的两端分别通过连接板固定在钢筋混凝土中，位移约束情况与实际情况基本相同。

3.8施加荷载并求解

为方便计算，把上弦上的均布力简化为作用于上弦节点的垂直向下的集中力，按照上述荷载组合施加荷载。

4.结论

在上述荷载组合下，弧形钢架的变形情况为：X方向最大位移（7.398mm）的位置在前屋面中部靠南处，Y方向最大位移（3.545mm）的位置在屋脊附近，总位移的最大位移（13.402mm）在前屋面中部靠南处；并且受载后的变形是波浪形，这与实际情况中的温室雪荷载变形情况基本一致的，说明本文讲述的ansysy模拟分析过程是合理可行的。

参考文献：

[1]王双喜.设施农业装备[M].北京：中国农业大学出版社，2010.

[2]余克强.晋中地区温室金属拱架的有限元分析[D].山西農业大学硕士学位论文，2012.6.