工字鋼與槽鋼組合門字架受力變形分析.ppt

計(jì)算力學(xué)課程設(shè)計(jì),工字鋼與槽鋼組合門字架受力變形分析,研究的目的和意義,結(jié)構(gòu)力學(xué)靜力分析，鞏固有限元理論知識(shí)，掌握邊界處理方法，能夠用有限元分析軟件ansys求解工程實(shí)際問(wèn)題。例如本次的門字架結(jié)構(gòu)的受力變形分析。,基本理論,一、門字架的分析（一）、結(jié)構(gòu)組成輕型門式鋼剛架的結(jié)構(gòu)體系包括以下組成部分：（1）主結(jié)構(gòu)：橫向剛架（包括中部和端部剛架）、樓面梁、托梁、支撐體系等；（2）次結(jié)構(gòu)：屋面檁條和墻面檁條等；（3）圍護(hù)結(jié)構(gòu)：屋面板和墻板；（4）輔助結(jié)構(gòu)：樓梯、平臺(tái)、扶欄等；（5）基礎(chǔ)。,平面門式剛架和支撐體系再加上托梁、樓面梁等組成了輕型鋼結(jié)構(gòu)的主要受力骨架，即主結(jié)構(gòu)體系。屋面檁條和墻面檁條既是圍護(hù)材料的支承結(jié)構(gòu)，又為主結(jié)構(gòu)梁柱提供了部分側(cè)向支撐作用，構(gòu)成了輕型鋼建筑的次結(jié)構(gòu)。屋面板和墻面板起整個(gè)結(jié)構(gòu)的圍護(hù)和封閉作用，由于蒙皮效應(yīng)事實(shí)上也增加了輕型鋼建筑的整體剛度。外部荷載直接作用在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上。其中，豎向和橫向荷載通過(guò)次結(jié)構(gòu)傳遞到主結(jié)構(gòu)的橫向門式剛架上，依靠門式剛架的自身剛度抵抗外部作用?？v向風(fēng)荷載通過(guò)屋面和墻面支撐傳遞到基礎(chǔ)上。,（二）、結(jié)構(gòu)布置,輕型門式鋼剛架的跨度和柱距主要根據(jù)工藝和建筑要求確定。結(jié)構(gòu)布置要考慮的主要問(wèn)題是溫度區(qū)間的確定和支撐體系的布置?？紤]到溫度效應(yīng)，輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑的縱向溫度區(qū)段長(zhǎng)度不應(yīng)大于300m，橫向溫度區(qū)段不應(yīng)大于150m。當(dāng)建筑尺寸超過(guò)時(shí)，應(yīng)設(shè)置溫度伸縮縫。溫度伸縮縫可通過(guò)設(shè)置雙柱，或設(shè)置次結(jié)構(gòu)及檁條的可調(diào)節(jié)構(gòu)造來(lái)實(shí)現(xiàn)。支撐布置的目的是使每個(gè)溫度區(qū)段或分期建設(shè)的區(qū)段建筑能構(gòu)成穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)骨架。布置的主要原則如下：（1）柱間支撐和屋面支撐必須布置在同一開間內(nèi)形成抵抗縱向荷載的支撐桁架。支撐桁架的直桿和單斜桿應(yīng)采用剛性系桿，交叉斜桿可采用柔性構(gòu)件。剛性系桿是指圓管、H型截面、Z或C型冷彎薄壁截面等，柔性構(gòu)件是指圓鋼、拉索等只受拉截面。柔性拉桿必須施加預(yù)緊力以抵消其自重作用引起的下垂；（2）支撐的間距一般為30m-40m，不應(yīng)大于60m；（3）支撐可布置在溫度區(qū)間的第一個(gè)或第二個(gè)開間，當(dāng)布置在第二個(gè)開間時(shí)，第一開間的相應(yīng)位置應(yīng)設(shè)置剛性系桿；（4）的支撐斜桿能最有效地傳遞水平荷載，當(dāng)柱子較高導(dǎo)致單層支撐構(gòu)件角度過(guò)大時(shí)應(yīng)考慮設(shè)置雙層柱間支撐；,二、結(jié)構(gòu)矩陣分析,結(jié)構(gòu)矩陣分析是結(jié)構(gòu)力學(xué)的一種分析方法。結(jié)構(gòu)矩陣分析方法認(rèn)為：結(jié)構(gòu)整體可以看作是由有限個(gè)力學(xué)小單元相互連接而組成的集合體，每個(gè)單元的力學(xué)性能可以比作建筑物中的磚瓦，裝配在一起就提供整體結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性。在有限元法中的基本思想是：1.假想把連續(xù)系統(tǒng)分割成數(shù)目有限的單元，單元只在數(shù)目有限的節(jié)點(diǎn)相連。在節(jié)點(diǎn)引進(jìn)等效載荷，代替實(shí)際作用與系統(tǒng)的外載荷2.對(duì)每個(gè)單元由分塊近似的思想，按一定的規(guī)則建立求解未知量與節(jié)點(diǎn)相互作用之間的關(guān)系3.把所有單元的這種特性關(guān)系按一定條件集合起來(lái)，引入邊界條件，構(gòu)成一組以節(jié)點(diǎn)變量為未知量的代數(shù)方程組，求解就得到有限個(gè)節(jié)點(diǎn)處的待求變量所以，有限元法實(shí)質(zhì)上是把具有無(wú)限個(gè)自由度的聯(lián)系系統(tǒng)，理想化為只有有限個(gè)自由度的單元集合體，使問(wèn)題轉(zhuǎn)化為適合于數(shù)值求解的結(jié)構(gòu)型問(wèn)題結(jié)構(gòu)力學(xué)靜力分析用于求解靜力載荷作用下結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力等。靜力分析包括線性和非線性分析。而非線性分析涉及塑性，應(yīng)力剛化，大變形，大應(yīng)變，超彈性，接觸面和蠕變。本次分析為結(jié)構(gòu)線性靜力分析結(jié)構(gòu)力學(xué)靜力分析用于計(jì)算由那些不包括慣性和阻尼效應(yīng)的固定不變的載荷作用于結(jié)構(gòu)或部件上引起的位移，應(yīng)力，應(yīng)變和力。固定不變的載荷和響應(yīng)是一種假定；即假定載荷和結(jié)構(gòu)的響應(yīng)隨時(shí)間的變化非常緩慢。靜力分析所施加的載荷包括：l.外部施加的作用力和壓力2.穩(wěn)態(tài)的慣性力（如中力和離心力）3.位移載荷4.溫度載荷,三.有限元方法及軟件,有限元分析（FEA，F(xiàn)initeElementAnalysis）利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模擬。還利用簡(jiǎn)單而又相互作用的元素，即單元，就可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無(wú)限未知量的真實(shí)系統(tǒng)。有限元分析是用較簡(jiǎn)單的問(wèn)題代替復(fù)雜問(wèn)題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對(duì)每一單元假定一個(gè)合適的(較簡(jiǎn)單的）近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問(wèn)題的解。這個(gè)解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因?yàn)閷?shí)際問(wèn)題被較簡(jiǎn)單的問(wèn)題所代替。由于大多數(shù)實(shí)際問(wèn)題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。,概念,有限元是那些集合在一起能夠表示實(shí)際連續(xù)域的離散單元。有限元的概念早在幾個(gè)世紀(jì)前就已產(chǎn)生并得到了應(yīng)用，例如用多邊形（有限個(gè)直線單元）逼近圓來(lái)求得圓的周長(zhǎng)，但作為一種方法而被提出，則是最近的事。有限元法最初被稱為矩陣近似方法，應(yīng)用于航空器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，并由于其方便性、實(shí)用性和有效性而引起從事力學(xué)研究的科學(xué)家的濃厚興趣。經(jīng)過(guò)短短數(shù)十年的努力，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和普及，有限元方法迅速?gòu)慕Y(jié)構(gòu)工程強(qiáng)度分析計(jì)算擴(kuò)展到幾乎所有的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，成為一種豐富多彩、應(yīng)用廣泛并且實(shí)用高效的數(shù)值分析方法。,特點(diǎn),有限元方法與其他求解邊值問(wèn)題近似方法的根本區(qū)別在于它的近似性僅限于相對(duì)小的子域中。20世紀(jì)60年代初首次提出結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算有限元概念的克拉夫（Clough）教授形象地將其描繪為：“有限元法=RayleighRitz法分片函數(shù)”，即有限元法是RayleighRitz法的一種局部化情況。不同于求解（往往是困難的）滿足整個(gè)定義域邊界條件的允許函數(shù)的RayleighRitz法，有限元法將函數(shù)定義在簡(jiǎn)單幾何形狀（如二維問(wèn)題中的三角形或任意四邊形）的單元域上（分片函數(shù)），且不考慮整個(gè)定義域的復(fù)雜邊界條件，這是有限元法優(yōu)于其他近似方法的原因之一。,步驟,對(duì)于不同物理性質(zhì)和數(shù)學(xué)模型的問(wèn)題，有限元求解法的基本步驟是相同的，只是具體公式推導(dǎo)和運(yùn)算求解不同。有限元求解問(wèn)題的基本步驟通常為：第一步：?jiǎn)栴}及求解域定義：根據(jù)實(shí)際問(wèn)題近似確定求解域的物理性質(zhì)和幾何區(qū)域。第二步：求解域離散化：將求解域近似為具有不同有限大小和形狀且彼此相連的有限個(gè)單元組成的離散域，習(xí)慣上稱為有限元網(wǎng)絡(luò)劃分。顯然單元越小（網(wǎng)絡(luò)越細(xì)）則離散域的近似程度越好，計(jì)算結(jié)果也越精確，但計(jì)算量及誤差都將增大，因此求解域的離散化是有限元法的核心技術(shù)之一。第三步：確定狀態(tài)變量及控制方法：一個(gè)具體的物理問(wèn)題通?？梢杂靡唤M包含問(wèn)題狀態(tài)變量邊界條件的微分方程式表示，為適合有限元求解，通常將微分方程化為等價(jià)的泛函形式。第四步：?jiǎn)卧茖?dǎo)：對(duì)單元構(gòu)造一個(gè)適合的近似解，即推導(dǎo)有限單元的列式，其中包括選擇合理的單元坐標(biāo)系，建立單元試函數(shù)，以某種方法給出單元各狀態(tài)變量的離散關(guān)系，從而形成單元矩陣（結(jié)構(gòu)力學(xué)中稱剛度陣或柔度陣）。為保證問(wèn)題求解的收斂性，單元推導(dǎo)有許多原則要遵循。對(duì)工程應(yīng)用而言，重要的是應(yīng)注意每一種單元的解題性能與約束。例如，單元形狀應(yīng)以規(guī)則為好，畸形時(shí)不僅精度低，而且有缺秩的危險(xiǎn)，將導(dǎo)致無(wú)法求解。第五步：總裝求解：將單元總裝形成離散域的總矩陣方程（聯(lián)合方程組），反映對(duì)近似求解域的離散域的要求，即單元函數(shù)的連續(xù)性要滿足一定的連續(xù)條件?？傃b是在相鄰單元結(jié)點(diǎn)進(jìn)行，狀態(tài)變量及其導(dǎo)數(shù)（可能的話）連續(xù)性建立在結(jié)點(diǎn)處。第六步：聯(lián)立方程組求解和結(jié)果解釋：有限元法最終導(dǎo)致聯(lián)立方程組。聯(lián)立方程組的求解可用直接法、選代法和隨機(jī)法。求解結(jié)果是單元結(jié)點(diǎn)處狀態(tài)變量的近似值。對(duì)于計(jì)算結(jié)果的質(zhì)量，將通過(guò)與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則提供的允許值比較來(lái)評(píng)價(jià)并確定是否需要重復(fù)計(jì)算。簡(jiǎn)言之，有限元分析可分成三個(gè)階段，前處理、處理和后處理。前處理是建立有限元模型，完成單元網(wǎng)格劃分；后處理則是采集處理分析結(jié)果，使用戶能簡(jiǎn)便提取信息，了解計(jì)算結(jié)果,實(shí)例：門字鋼架的受力分析,4.1問(wèn)題描述4.2理論值計(jì)算,4.3GUI求解步驟4.4結(jié)果分析,4.1問(wèn)題描述,已知：一個(gè)門字架，跨度L=10，均布外載w=314N/m,彈性模量E=210GPa，泊松比=0.3。工字鋼截面W1=W2=140mm，W3=360mm，t1=t2=12.8mm，t3=7.5mm；W1=W2=60mm，W3=140mm，t1=t2=7.5mm，t3=4.4mm。試用BEAM188單元計(jì)算在均布載荷下的轉(zhuǎn)角，軸力和彎矩。,4.2理論值計(jì)算,根據(jù)材料力學(xué)知識(shí)可以對(duì)鋼架進(jìn)行理論計(jì)算。經(jīng)求解可得最大彎矩為1413，最大剪力3805.最大軸力1570.,4.3GUI求解過(guò)程,（一）：前處理1.設(shè)定單元類型：PreprocessorElementTypesAdd/Edit/Deleteadd添加Beam類型中的2node188。2.設(shè)定單元截面形式：PreprocessorSectionsBeamCommonSects將出現(xiàn)梁工具對(duì)話框.按已知條件輸入?yún)?shù)4.定義材料屬性PreprocessorMaterialPropsMaterialModelsStructuralLinerElasticIsotropic按照楊氏模量E=2.1e11Pa,泊松比u=0.3定義材料1,5.創(chuàng)建模型（1）.創(chuàng)建六個(gè)點(diǎn)PreprocessorModelingCreateKeypointsInActiveCS創(chuàng)建六個(gè)點(diǎn)1：（0，0，0）2：（10，0，0）3：（10，5，0）4：（10，5，-3）5；（0，5，-3）6；（0，5，0）（2）.創(chuàng)建直線PreprocessorModelingCreateLinesStraightLine依次選擇1和6，3和6，2和3創(chuàng)建三條直線（3）.給模型賦予屬性PreprocessorMeshingMeshAttributesPickedLines選擇直線1，材料屬性MAT選擇1，單元類型TYPE選擇1BEAM188，單元截面形狀SECT選擇1，,選擇5點(diǎn)作為左側(cè)柱子的定向關(guān)鍵點(diǎn)。選擇直線2，在材料屬性MAT選擇1，單元類型TYPE選擇1BEAM188，單元截面形狀SECT選擇2，,選擇1點(diǎn)作為右側(cè)柱子的定向關(guān)鍵點(diǎn)。選擇直線3，在材料屬性MAT選擇1，單元類型TYPE選擇1BEAM188，單元截面形狀SECT下拉列表中選擇1，,選擇4點(diǎn)作為橫梁的定向關(guān)鍵點(diǎn)。（4）.劃分單元PreprocessorMeshingMeshToolline選擇全部，設(shè)置劃分分?jǐn)?shù)DAIV為10。MeshLines劃分直線。,（6）.此時(shí)，圖形窗口中，可看到鋼架的有限元模型，如圖所示,（二）、施加載荷及求解,（1）.PreprocessorLoadsDefineLoadsApplyStructuralDisplacement選擇底端的1和2點(diǎn)，建立全約束ALLDOF（2）.PreprocessorLoadsDefineLoadsApplyStructuralPressure選擇橫梁，按已知條件設(shè)定壓力方向?yàn)?，VALI為314（3）.SolutionSolveCurrentLS求解,（三）、后處理,求門式鋼架的剪力值和最大彎距值（1）.建立節(jié)點(diǎn)剪力和彎距的單元表GeneralPostprocElementTableDefineTable在Lab文本框輸入Ishear，在Bysequencenum在上列表選擇SMISC在右下框輸入5建立I節(jié)點(diǎn)剪力的單元表數(shù)據(jù)在Lab文本框輸入Jshear，在Bysequencenum在上列表選擇SMISC在右下框輸入18建立J節(jié)點(diǎn)剪力的單元表數(shù)據(jù)在Lab文本框輸入IM，在Bysequencenum在上列表選擇SMISC在右下框輸入2建立I節(jié)點(diǎn)彎距的單元表數(shù)據(jù)在Lab文本框輸入JM，在Bysequencenum在上列表選擇SMISC在右下框輸入15建立J節(jié)點(diǎn)剪力彎距的單元表數(shù)據(jù),（2）.GeneralPostprocListResultsElemTableDate，可查看所求的各項(xiàng)值，如圖所示,畫出門式鋼架的剪力圖和彎距圖GeneralPostprocPlotResultsContourPlotLineElementRes（1）.在LabI列表中選擇IM在LabJ列表中JM繪出門式鋼架的彎距圖如圖所示（2）.在LabI列表中選擇Ishear在LabJ列表中Jshear繪出門式鋼架的剪力圖如圖所示,求門式鋼架的最大轉(zhuǎn)角GeneralPostprocListResultsNodalSolution在彈出的ListNodalSolution左列表中選擇DOFsolution右列表中選擇Rotationvectorsum單擊OK其所求各項(xiàng)值如圖所示,畫出門式鋼架的變形圖GeneralPostprocPlotResultsDeformedShape選擇Defshapeonly顯示門式鋼架的變形圖如圖所,求軸力GeneralPostprocElementTableDefineTable在Lab中輸入FX,在Bysequencenum在上列表選擇SMISC在右下框輸入1建立軸力的單元表數(shù)據(jù)。如圖,命令流,/PREP7ET,1,BEAM188!定義單元類型MPTEMP,MPTEMP,1,0MPDATA,EX,1,2.1e11!定義材料屬性（泊松比和彈性模量）MPDATA,PRXY,1,0.3SECTYPE,1,BEAM,CHAN,0SECOFFSET,CENT!定義截面參數(shù)SECDATA,0.06,0.06,0.14,0.0075,0.0075,0.0044,0,0,0,0SECTYPE,2,BEAM,I,0SECOFFSET,CENTSECDATA,0.14,0.14,0.36,0.0128,0.0128,0.0075,0,0,0,0K,!創(chuàng)建點(diǎn)K,10,K,10,5,K,10,5,-3,K,0,5,-3,K,0,5,0,LSTR,1,6!創(chuàng)建直線LSTR,6,3LSTR,3,2,CM,_