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基于ansys的某网架的静力分析和模态分析

2016-01-04杨金彪顾芳

科技创新导报 2015年28期
关键词:模态分析

杨金彪 顾芳

摘 要:利用大型有限元分析Ansys软件,建立了20m×20m×2m的正四角锥网架模型,对该网架进行静载作用下的受力和变形分析,得出网架的最大位移与最大应力,均满足设计要求;然后对网架进行了前50阶模态分析,得出了前50阶模态的振型频率,分析了网架前四阶的振型变形云图,在前四阶的振型云图变化比较多,得出网架计算时需要考虑前多阶振型进行分析的结论。

关键词:网架结构 ansys 静力分析 模态分析

中图分类号:TU356 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2015)10(a)-0101-02

网架结构是一种通过杆件连接的结构,其具有轻便,灵活,只有承受轴力的特点,其平面布置灵活,现场加工量少,便于进行工业化施工,目前在体育场馆和工业化厂房得到了大量应用。

Ansys是美国ansys公司开发的大型有限元分析软件,是世界上增长范围最快的计算机辅助软件,其独特的APDL输入模式,可以通过建立循环函数的方式快速建立网架模型,并对其进行精确分析。

文中通过ansys建立网架结构模型,对其进行了静力分析和模态分析,取得较好效果。

1 结构建模

文章中采用网架平面尺寸20 m×20 m,高度为2 m,网格数为10×10,网格尺寸为2×2的正四角锥的网架结构模型。杆件采用的钢管截面积为28.26 cm2,网架结构的有限元模型如图1所示。

2 静力分析

2.1 网架平面单元的建立

本文的建模过程包括定义单元类型、材料属性、建立几何模型、施加约束和添加荷载等步骤。

2.1.1 单元类型

网架杆件采用三维杆件单元link8单元,link8单元是具有2节点的三维杆件单元,能承受单向拉力和压力,每个节点具有3个自由度,可以用来模拟三维空间桁架、网架、铰链和弹簧单元等。

2.1.2 材料属性

杆件选用Q235钢,钢材强度设计值为215 N/mm2,屈服强度标准值fy=235 N/mm2,钢材的弹性模量E=2.1E11,泊松比u=0.3,钢材的密度为7850 kg/m3。

2.1.3 添加约束

本网架的上弦平面四周节点铰接,约束3个自由度,其余节点和下平面自由。

2.1.4 施加荷载

本网架考虑重力荷载,g=9.80,方向沿Z轴向下,且每个下弦节点承受10 KN的竖向荷载,沿Z轴方向向下。

2.2 结果分析

结构受力及变形由图2和图3所示,该平面网架结构的最大变形为5 mm,发生最大位移的点位于网架的中心处,按照挠度控制指标1/500,该网架的挠度最大限制为40 mm,满足挠度控制要求。

上弦及下弦的杆件内力最大的地方位于跨中,边缘杆件内力最小,腹杆内力最大内力该平面网架的最大轴向拉力为35.29 kN,最大轴压力值为11.17 kN,满足设计要求。

3 网架模态分析

网架的固有频率有无限阶次,如果全部分析比较,比较繁琐,因此笔者只考虑了前50阶振型,本网架采用子空间迭代法进行分析,得到结果如表1所示。

从结果中可以看出,第一阶振型频率为16.582 Hz,第五十阶振型频率为157.24 Hz网架的振型频率的密集程度不高。

这里给出网架的前四阶结构振型云图。

从图4a可知,结构的一阶振型位移主要在中部,边缘的振动较小;图4b可知,结构的主要振型在网架的1/3和2/3处,从图4c可知,结构的振型与第二阶相似,但是刚好旋转了90°;从图4d的振型位移看,位移出现了4处位移较大部分,且出现了弯曲现象。

从振型分析可以看出:结构的前几阶振型并不是结构的主要振型,这证明了对于网架等振型密集型结构不能只考虑前几阶振型,尤其是仅考虑第一振型,要考虑其后高阶振型。

4 结论

(1)通过有限元分析软件ansys对网架结构分析,模拟得出各杆件的内力和变形,当前网架可以确保网架受力和挠度变形的要求,ansys软件可以较好地模拟网架的受力情况,可以在网架设计时较好地分析应用。

(2)通过模态分析可知,该模态自振频率变化较大,前几阶不是结构的主要整形。对其进行振型分析时要考虑多阶振型。

参考文献

[1] 刘希良.第六届全国现代结构工程学术研讨会[M].北京:中国工业出版社,2006.

[2] 李权.ANSYS在土木工程中的应用[M].北京:人民邮电出版社,2004.

[3] 黄书珍,胡仁喜.Ansys 12.0土木工程有限元分析从入门到精通[M].北京:机械工业出版社,2010.

[4] 王兴涛,吕燕.某网架屋盖结构的静力和模态分析[J].工程建设,2013,45(2):32-34.

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