某工字型钢梁的数值仿真

摘 要：某工字钢梁薄壁结构受力复杂,为较好把握薄壁梁的受力行为,基于有限元软件对某简支工字型钢梁进行有限元分析,分析结果表明有限元软件能够较好地处理结构分析的效果,为桥梁结构精确分析提供参考.

关 键 词 ：简支工字型钢梁；内力分析；SAP2000

0 前言

某简支工字型钢梁,利用有限元软件分析一型钢梁的应力,钢梁的材料特性如下：弹性模量E等于2.1e11N/m2,泊松比∪等于0.3,屈服强度fy等于3.45e8N/m2；长度为6米,翼板宽为0.2米,腹板厚度为0.08米,高度为0.3米.由于工字型钢梁变形复杂受力多变,为较好把握该结构的受力特点,现基于通用有限元程序对该结构进行内力分析,现把该结构计算模型的简化、有限元模型的建立以及求解做一介绍[1].

1.创建三维模型

三维模型的建立是通过几何模型的建立,在几何模型的基础上根据结构的特点进行几何模型的单元划分,从而建立与几何模型相应的有限元模型.根据该结构的特点,采用杆系结构对该结构进行几何模型简化得到相应的计算几何模型, 几何模型建立以后就可以根据几何模型的尺寸进行单元的划分.

2.分析条件的引入

2.1 材料和截面属性

在Module列表中选择Property功能模块,此模块中可以定义钢梁的材料本构模型和截面属性,并将截面属性赋予在相应的区域上填入弹性模量,泊松比、屈服强度等点击确定即可创建材料,之后就可以在Create Section对话框中完成截面属性的定义,并给部件赋予截面属性,此时模型由白色变成绿色.

2.2 定义荷载及约束条件

在环境栏的Module列表中选择Load功能模块进行荷载及边界条件的定义.第一步是施加荷载,分析步的载荷类型设为Pressure,点击continue,在Magnitude后面输入3.5e5,保持其他参数不变,退出Edit load对话框,完成型钢梁荷载的定义,加载后便是定义边界条件,将step设为initial,将施加边界条件的方式选为位移/转角形式,保持剩余参数默认值不变,点击continue,在Edit Boundary condition对话框中,选中U1等于U2等于UR2等于UR3等于O,对选中面施加铰接约束,点击OK,完成对所选截面边界条件的定义.该结构约束条件是一个固定铰支座其余采用活动铰支座,固定铰支座设置在梁的左端.结构约束的施加在梁的节点上,是通过节点约束选项进行施加完成[2].

2.3 定义装配件及分析步骤

在环境栏的Module列表中选择Assembly功能模块,,在Create Instance对话框中完成装配件的定义. 在环境栏的Module列表中选择Step功能模块,出现如图对话框,选择step,在下拉菜单中选择static general项,然后保持其他参数不变,点击continue,进入下图第二个界面,保持参数不变,点击确认即可.

3.有限元模型的建立

在环境栏的Module列表中选择Mesh功能模块,对模型进行网格划分.将环境栏中的Object项设为Part：beam,即为部件beam划分网格,首先是要对型钢梁进行分割,将上翼缘和腹板,下翼缘和腹板分割开来,之后在边界上布置种子,在Approximate glolbal size后面输入0.05,保持其余参数默认值不变,点击Apply,模型即按要求布满种子,点击OK后,点击划分网格按钮,模型按照前面定义的种子自动划分网格,模型由绿色变成青色.

在环境栏的Module列表中选择Job功能模块进行作业提交.首先是创建分析作业,然后是提交分析,点击Submit,对话框中的状态提示由Submitted变为Running最终显示为Completed,点击对话框中的Results,自动进入Visualization模块.分析后需要对分析的结果进行处理,对型钢梁已经进行过运算分析,节点变形后的网格模型如上图5所示.在显示出应力云纹图的同时,还可以显示节点的Mises应力随时间变化的的关系曲线,选择型钢梁跨中底部中间节点,即最先屈服节点.在XY Data from ODB Field output 对话框中的Position标签页下,点击U：Spatial displacement旁边的三角形,选中U2,点击Plot,绘图区显示此节点也即型钢梁跨中底部中间节点Y方向挠度随时间变化的关系曲线：

5.结语

通过对该简支工字钢梁的数值模拟分析可以得出以下结论：

1）有限元软件可以方便地对桥梁结构进行仿真数值分析获得较理想的效果,与传统的手算比较获得较大的经济效应.

2）在钢结构的分析中数值分析具有更广泛的应用,比如静动力分析、非线性分析以及疲劳分析等都能进行全面的分析与获得满意的结果,建议提出更多的合适的单元来发展有限元程序在结构分析中的应用.