基于ansys对H型钢梁抗弯强度与模态分析

邹濡锐

摘 要：用有限元分析软件ANSYS对建筑钢梁结构中常用H型钢梁进行了强度与模态仿真模拟分析，获得了在简化载荷作用下的应力分布图与各阶下的模态图，可清晰直观得发现H型钢梁中的易损破坏的部位与变形较大的区域，这在提高钢梁强度设计中与工程实践中具有一定的参考价值。

关键词：H型钢梁;有限元法;模态分析;强度理论

近几年来，H型钢梁已经普遍使用在我国各种民用和工业建筑结构以及各种大跨度的工业厂房和高层建筑中，我国平均每年的H 型钢使用量占总用钢量的4%—8%。此钢型具有截面模数大、重量轻、节省金属结构使用空间的优点，这使得H型钢在焊接操作更加简便，可以节约材料并一定程度上缩短了施工时长，所以已经被广泛应用。但生产时，对H型钢的工艺要求也很高，因为其在建筑横梁结构中受到压力，剪力，弯矩等载荷的作用，若是一处设计出现缺陷，就会导致总体结构承载力不足，如在遇到如地震、飓风等突发灾害时，将会无法承受巨大的压力与弯矩，导致总体的稳定性失衡。所以为了防范特殊情况破坏得发生，本文将进一步应用ANSYS对H型钢梁的实体模型进行了强度与振动模态仿真分析。

1 建立简化模型

H型钢大小规格的表示方法为：高度H×宽度B×腹板厚度t1×翼板厚度t2。其中窄翼缘H型钢特点是截面高度H与宽度B比值大于等于二，并且这种钢型主要应用于梁架结构中。所以这里我们选用400×200×8×13规格、Q235B材质的窄翼缘H型钢作为模型。为了方便用ansys仿真模拟，对房梁结构中等截面的H型钢梁模型进行简化成受均布载荷作用的双跨梁力学模型如图1，根据《钢结构设计规范》，定义模型的弹性模量为206000MPa，泊松比为0.3，密度为7800 Kg/m3，取钢梁长度为钢梁的长度L=6000mm并且一般房屋结构中的均布载荷标准值为q=2000N/㎡。

2 H型钢梁的强度与模态分析

2.1 强度分析

2.1.1 建立H型钢梁模型

此模型选用8节点solid185单元，此单元适用于三维实体模型，具有很好的可塑性和超弹性。设置Q235B材质的H型钢弹性模量，泊松比，密度，建立点1（0.1，0，0），2（0.1，0.013，0），3（0.004，0.013，0），4（0.004，0.0387，0），5（0.1，0.387，0），6（0.1，0.4，0），再利用对称构造出完整H型钢梁截面的12个关键点，使用Lines把12个关键点依次连接，再沿Z轴方向拉伸6m形成H型钢梁三维实体模型。

2.1.2 模型网格划分

设置网格单元长度为0.1m，选择H型钢梁三维实体模型使用sweep方式进行网格划分。

2.1.3 施加边界条件与载荷

按照钢梁简化示意图，在左面上施加X，Y，Z方向约束，在右侧截面上施加Y，Z方向约束，最后在钢梁的中点处施加Y，Z方向约束。接下來施加载荷与重力，在模型的上表面施加2000N/㎡的均布载荷，并在钢梁模型的重心点定义9.8m/s2的重力加速度。

2.1.4 求解与通用后处理

点击Solve，求解完成后，在通用后处理模块中显示第三强度理论应力分布图如图2。

2.2 模态分析

建立H型钢梁模型，模型网格划分与强度分析之前建立过程相同，选择Block Lanczos法，设置为20阶模态分析与频率为1000，并从当前步进行求解，求解完成后，在通用后处理模块中选择10阶模态图如图3。

3 结语

使用ansys仿真软件对H型钢梁进行了强度和振动模态的分析，并且在后处理中生成的第三强度理论应力图和模态分析中模态图都可以清晰发H型钢梁结构受力最大和变形破坏的危险部位，这时需要在设计施工中增加对该部位的约束防护或改进材料的力学性能来提高构件的可靠性。此案例分析为结构的安全性间接的提供了校核方法，并对教学以及工程实践中同类问题的提供参考价值。

参考文献：

[1]范国利.高层建筑结构中H型钢的应用[J].建筑知识，1997（02）：4-5.

[2]凌万春.基于ANSYS的起重机关键件强度及模态分析[J].机械工程与自动化，2014（02）：80-81.