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基于 ANSYS 的空间网架结构静力分析
摘要: 利用有限元分析软件 ANSYS 对某空间网架结构进行结构静力分析,分别采用两
向正交正放网架和两向正交斜放网架的结构形式,来对同一空间网架结构平面进行分
析。得到不同网架结构连接形式下,结构杆件的应力与应变大小和分布的一些不同,
以便为我们选择合理的结构形式提供一些信息。同时,分析不同单元格大小形式下,
结构的整体受力情况,为选择合理的单元格大小提供依据,以达到最优化、最合理的
设计方案。
关键词:空间网架 正交正放 正交斜放 单元格 静力分析
引言
空间网架结构是杆件按照一定的规律布置,通过节点连接而成的网格状空间杆系
结构,因其具有重量轻、跨度大、整体刚度好、抗震性能好、造型美观、现场施工周
期短、可工业化生产等优点,在大跨度工业厂房、候机楼、体育馆等各类建筑中获得
了广泛的应用。
本文采用 ANSYS 有限元分析软件,通过对某体育馆的大型空间网架结构,采用不同
的的参数化建模形式,进行整体结构静力分析,确定网架的最大变形和各杆的轴力。通过
模型自我分析,得到合理选用和布置杆件尺寸的一些信息,通过不同模型之间的比较,
分析不同模型受力性能的不同,为选择最优化、合理的结构模型提供参考。
一、 网架有限元模型的建立
1.1 模型简化与假设
1
假定网架结构的计算模型为空间铰接杆系结构,即节点铰接杆件仅承受轴向力,
忽略节点刚度的影响,不计次应力对杆件内力所引起的变化。模型试验和工程实践都
说明这个假定是完全许可的,所带来的误差可忽略不计。结构材料为线弹性,各向同
性。网架结构的外载荷按静力等效原则集中作用在网架节点上,荷载作用下,杆件变
形很小,符合小变形原理。
1.2 ANSYS 参数化模型建立
由于网架结构的杆件和节点较多,杆件、节点可达上数百。如此数量的单元和节点,
若靠在 ANSYS 图形用户界面(GUI)上手工输入,是非常困难的,甚至是不可能的。
ANSYS 自带的参数设计语言 APDL 是用来自动完成某些功能或建模的一种脚本语言,
它为用户提供了完成建立模型,施加约束和荷载,求解以及后处理等一般命令,同时,还提
供了对这些命令的循环判断等流程控制功能。因此,在该网架建模过程中利用 APDL
语言,编制了生成正交正放、正交斜放网架节点和单元的命令流文件,然后在 ANSYS
中调用该文件执行命令,即可生成相应的有限元模型。
1.3 钢网架概况
某空间网架结构平面为 24m
×
30m 的长方形,采用螺栓球节点,两向正交正放和
两向正交斜放两种网格形式。钢材弹性模量 E 为 2.1e11,泊松比为 0.3,密度为
7850kg/ 。杆件直径:上弦杆 0.03m;下弦杆 0.04m;斜腹杆 0.02m。
当采用正交正放的网格形式时,上弦周边长边方向节点数为 21、短边方向节点数
为 17,上、下弦网架单元格边长均为 1.5m,上、下弦平面距离 1.5m。上弦周边节点
铰接,面荷载分布为 (包括恒载与活载),则下弦节点承受垂直向下的荷载
10KN。
2
为保证对比试验的实现,当采用正交斜放的网格形式时,应保证除网格形式之外
的其他因素都尽量相同。在此,保证网架单元格的尺寸及上下弦平面距离不变,即上、
下弦网架单元格边长均为 1.5m,上、下弦平面距离 1.5m,经计算,上弦周边长边方
向节点数为 16、短边方向节点数为 13。上弦周边节点铰接,面荷载分布为
(包括恒载与活载),则下弦节点承受垂直向下的荷载 10KN。
二、 两向正交正放网架
2.1 ANSYS 建模 APDL 命令流及说明
部分命令流如下:
FINISH !清除当前数据文件,并开始一个新的启动
/CLEAR !进入前处理器
/PREP7
!(1)用户界面设计,输入基本几何参数
MULTIPRO,'START',5 !生成多行提示对话框
*CSET,1,3,lx,'Grid side lx= (m)',1.5 !输入默认网格长边边长
*CSET,4,6,ly,'Grid side ly= (m)',1.5 !输入默认网格短边边长
*CSET,7,9,n,'grid Number Of The Long Side N The Top Surface =',21
!输入默认上表面网格长边方向节点数
*CSET,10,12,m,'grid Number Of The Short Side N The Top Surface
=',17
!输入默认上表面网格短边方向节点数
*CSET,13,15,z,'distance Between The Top And The Bottom Surface
z=(m)',-1.5
!输入上下表面网格之间的垂直距离
*CSET,61,62,'Please Input Geometry Parameters Of The Grid.'
3
!在对话框顶部显示提示“ Please Input Geometry Parameters Of The Grid”
MULTIPRO,'END'
……
2.2 运行 2.1 中的 APDL 命令流
(1) 网架结构几何参数
输入上弦平面的长边节点数 n、短边节点数 m、网格边长 lx、ly 和上弦平面之间
的距离(竖杆的长度)z 等控制参数,如图 2-1 所示。
图 2-1 网架结构几何参数输入对话框
(2)选择单元类型,如图 2-2 所示。
4
图 2-2 单元类型设定对话框
(3) 输入截面特性(只列了第一种上弦杆),如图 2-3 所示。
5
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