基于有限元法的某加工棚钢构静态特性分析 *

左芳君，刘平平，李刚俊，张慧洁

(成都工业学院 智能制造学院，四川 成都 611730)

0 引 言

加工棚属于一种常见的钢结构，广泛应用于建筑施工工地，由于其工作地点常见于野外，容易遭遇大风等恶劣天气，因此，在设计安装加工棚时非常有必要考察结构在风载荷作用下的强度特性。强度特性属于静态特性分析的一种，工程上能够用于结构静态特性分析的方法有很多，有限元法便是应用最为广泛的方法之一。李剑英等人[1]和文广等人[2]分别利用有限元软件ANSYS分析了某电动车和某桁架式门式起重机的静态特性。钱忠杰等人[3]、张增密等人[4]和周瑞等人[5]分别借助有限元软件ANSYS Workbench对某落地镗铣床的y向双驱进给系统、叉车转向桥和某圆柱凸轮传动式数控转台的静态特性进行了分析。姜子钘等人[6]则基于有限元法分析了某摩擦焊机主轴系统的静态特性。杨威等人[7]使用有限元仿真方法对某滑枕的静态特性展开了分析。严晓丽等人[8]利用NX Nastran仿真软件对某甘蔗深松旋耕联合作业机机架开展了静力学分析。笔者选用有限元软件ANSYS对某工地安装使用的加工棚钢构的静态特性展开分析，分析结果为钢构的安全使用提供了理论依据。

1 加工棚钢构有限元模型

文中的分析对象为某工地使用的钢筋加工棚钢构，该钢构安装于地面上，使用时可能会遇到八级大风。该钢构主体结构材料为Q235B钢，其材料特性参数如表1所列，在进行强度校核时，引入安全系数1.34，则该材料的许用应力为175 MPa。分析前，利用有限元软件建立其有限元模型，考虑到该钢构主要为细长的型钢组合而成，文中选择使用梁单元beam188来模拟整个钢构，该钢构网格划分后的有限元模型如图1所示，整个模型共有243个单元，127个节点。

表1 Q235B钢材料特性参数

图1 加工棚钢构有限元模型

2 加工棚钢构静态特性分析

文中主要分析某加工棚钢构在以下三种工况下的静态特性：①工况一：八级大风从侧面吹向钢构，同时考虑钢构自身重力的影响；②工况二：八级大风从正面吹向钢构，同时考虑钢构自身重力的影响；③工况三：八级大风从背面吹向钢构，同时考虑钢构自身重力的影响。

文中计算的风压大小参考《起重机设计规范》中有关起重运输机械遭遇八级大风时的计算风压数值，取500 Pa。

2.1 工况一

按照工况一的载荷组合进行约束和加载，具体的载荷和约束如下：①约束钢构底部所有关键点的全部自由度；②在钢构侧面所有节点上施加风载荷大小(将侧面迎风面所受风载荷按节点力均匀施加到侧面所有节点上)；③通过施加重力加速度来模拟重力的作用。约束和加载后的有限元模型如图2所示。

图2 工况一加载后的有限元模型

分析计算完成后，通过定义BEAM188输出结果单元表来提取钢构的单元应力。图3(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分别给出了工况一下结构的单元拉压应力云图、绕单元y轴正方向的弯曲应力云图、绕单元y轴负方向的弯曲应力云图、绕单元z轴正方向的弯曲应力云图、绕单元z轴负方向的弯曲应力云图。

图3工况一静态分析结果

从图3可以看出，结构承受的最大拉应力为7.816 MPa，最大压应力为5.979 MPa；结构单元绕y轴正向弯曲拉应力最大值为57.274 MPa，弯曲压应力最大值为56.291 MPa；结构单元绕y轴负向弯曲拉应力最大值为56.291 MPa，弯曲压应力最大值为57.274 MPa；结构单元绕z轴正向弯曲拉应力最大值为4.646 MPa，弯曲压应力最大值为4.644 MPa；结构单元绕z轴负向弯曲拉应力最大值为4.644 MPa，弯曲压应力最大值为4.646 MPa。上述单元应力值均小于材料许用应力。

2.2 工况二

按照工况二的载荷组合进行约束和加载，具体的载荷和约束如下：①约束钢构底部所有关键点的全部自由度；②在钢构正面所有节点上施加风载荷大小(将正面迎风面所受风载荷按节点力均匀施加到侧面所有节点上)；③通过施加重力加速度来模拟重力的作用。约束和加载后的有限元模型如图4所示。

图4 工况二加载后的有限元模型

工况二下结构的单元拉压应力云图、绕单元y轴正方向的弯曲应力云图、绕单元y轴负方向的弯曲应力云图、绕单元z轴正方向的弯曲应力云图、绕单元z轴负方向的弯曲应力云图分别如图5(a)、(b)、(c)、(d)、(e)所示。

图5可看出，结构承受的最大拉应力为7.792 MPa，最大压应力为5.975 MPa；结构单元绕y轴正向弯曲拉应力最大值为57.367 MPa，弯曲压应力最大值为56.457MPa；结构单元绕y轴负向弯曲拉应力最大值为56.457 MPa，弯曲压应力最大值为57.367 MPa；结构单元绕z轴正向弯曲拉应力最大值为4.683 MPa，弯曲压应力最大值为4.68 MPa；结构单元绕z轴负向弯曲拉应力最大值为4.68 MPa，弯曲压应力最大值为4.683 MPa。上述单元应力值也均小于材料许用应力。

图5 工况二静态分析结果

2.3 工况三

按照工况三的载荷组合进行约束和加载，具体的载荷和约束如下：①约束钢构底部所有关键点的全部自由度；②在钢构背面所有节点上施加风载荷大小(将背面迎风面所受风载荷按节点力均匀施加到侧面所有节点上)；③通过施加重力加速度来模拟重力的作用。约束和加载后的有限元模型如图6所示。

图6 工况三加载后的有限元模型

工况三下结构的单元拉压应力云图、绕单元y轴正方向的弯曲应力云图、绕单元y轴负方向的弯曲应力云图、绕单元z轴正方向的弯曲应力云图、绕单元z轴负方向的弯曲应力云图分别如图7(a)～(e)所示。

图7 工况三静态分析结果

图7可看出，结构承受的最大拉应力为7.791 MPa，最大压应力为5.975 MPa；结构单元绕y轴正向弯曲拉应力最大值为57.367 MPa，弯曲压应力最大值为56.457 MPa；结构单元绕y轴负向弯曲拉应力最大值为56.457 MPa，弯曲压应力最大值为57.367 MPa；结构单元绕z轴正向弯曲拉应力最大值为4.683 MPa，弯曲压应力最大值为4.681 MPa；结构单元绕z轴负向弯曲拉应力最大值为4.681 MPa，弯曲压应力最大值为4.683 MPa。上述单元应力值也均小于材料许用应力。

3 加工棚钢构稳定性分析

钢构结构所有杆件在工作时主要承受压力和弯曲的共同作用，因此，对其进行稳定性进行分析时可将其看成受弯矩和压力共同作用的梁，其稳定性按式(1)计算：

(1)

式中：N为作用在构件上的轴向力；φ为稳定性系数；可以参考起重机设计规范中的相关表格中数据。A为构件横截面面积；My、My、Mz、Mz为构件承受的弯矩及截面弯曲系数；[σ]为构件材料的许用应力。

利用公式(1)分别对文中的三种计算工况下的应力计算结果进行稳定性计算。查起重机设计规范GB/T3811-2008得杆件稳定性系数的最小值为φ=0.119，为了使计算结果更保守，文中就取稳定性系数为φ=0.119。

工况一时，最大拉压应力值为7.816 MPa，单元绕y轴弯曲应力最大值为57.274 MPa，单元绕z轴弯曲应力最大值为4.646 MPa，将工况一下的各应力计算值代入式(1)得到结构杆件的稳定性分析结果如下：

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

=175 MPa

(2)

工况二时，最大拉压应力值为7.792 MPa，单元绕y轴弯曲应力最大值为57.367 MPa，单元绕z轴弯曲应力最大值为4.683 MPa，将工况二下的各应力计算值代入式(1)得到结构杆件的稳定性分析结果如下：

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

=175 MPa

(3)

工况三时，最大拉压应力值为7.791 MPa，单元绕y轴弯曲应力最大值为57.367 MPa，单元绕z轴弯曲应力最大值为4.683 MPa，将工况三下的各应力计算值代入式(1)得到结构杆件的稳定性分析结果如下：

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

=175 MPa

(4)

从式(2)～(4)中计算的结果可以看出，杆件的稳定性满足使用要求。

4 结 论

以某工地使用的钢筋加工棚钢构为例，对其进行静态特性分析，通过分析计算得出如下主要结论：

(1) 在三种计算工况载荷作用下，整个钢结构的单元应力值均小于材料许用应力。

(2) 该钢结构所有杆件的稳定性均满足使用要求。

(3) 分析结果对该加工棚钢构的使用安全性的评估提供了理论依据，也为其他同类结构的静态特性分析提供了参考。