金屬拱形波紋屋面建模

1、長沙中揚(yáng)鋼結(jié)構(gòu)有限公司專注拱形波紋鋼屋蓋設(shè)計(jì)制作安裝金屬拱形波紋 屋面建模金屬拱形波紋屋面是一種新型薄壁殼體結(jié)構(gòu)，此種特種結(jié)構(gòu)集承重，保溫 和圍護(hù)等于一身，具有建筑空間大，施工速度快，抗震能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但是由于波紋形式的出現(xiàn)，使該結(jié)構(gòu)的性能極為復(fù)雜，同時(shí)也給建模帶來 了很大困難。本文針對(duì)這一問題，運(yùn)用三種的不同建模方式，并進(jìn)行了分析和 比較。1 金屬拱形波紋屋面建模方法1.1采用ANS丫鍬件建模ANS YS軟件是融結(jié)構(gòu)傳熱學(xué)流體電磁學(xué)聲學(xué)爆破分析于一體的大型通用有 限元軟件，它具有功能極為強(qiáng)大的前后處理及計(jì)算分析能力，能夠同時(shí)模擬結(jié) 構(gòu)熱流體電磁聲學(xué)壓電以及多種物理場間的耦合效應(yīng)，目前在全世界

2、擁有廣泛 的用戶，近年來我國ANS YS的用戶也越來越多，很多大型結(jié)構(gòu)如浦東國際機(jī)場 在設(shè)計(jì)時(shí)就采用ANSYS進(jìn)行分析。采用ANSYS軟件對(duì)金屬拱形波紋屋面建模過程如下：1 通過計(jì)算常數(shù)的等效計(jì)算將金屬拱形波紋屋面簡化為同一厚度的小撓度金 屬薄板2選擇Preprocessor/ Element Type命令定義單元類。，由于金屬拱形波紋屋 面屬于空間薄壁殼體，故選用薄板彈性單元（選用 SHELL18單元）作為初始構(gòu) 形。3選擇Preprocessor/RealConstants命令定義實(shí)常數(shù)。包括橫截面面積，繞各 軸的面積矩，材料密度Density、厚度T等，其中厚度為依靠波地址：湖南省長 沙

3、市新建西路 1 26號(hào)中江麗晶苑 4單元 208室長沙中揚(yáng)鋼結(jié)構(gòu)有限公司專注拱形波紋鋼屋蓋設(shè)計(jì)制作安裝紋類型所得的 等效厚度。4 選擇 Preprocessor/ Meterial Models 命令定義材料屬性。將金屬拱形波紋 屋面定義為正交異性材料及楊氏彈性模量 EX泊松比PRXY等。其中楊氏彈性 模量和泊松分別采用等效彈性模量和等效泊松比。5 選擇 Preprocessor/ Modeling 命令生成單元。6 選擇 Preprocessor/Meshtool 命令劃分單元。由于金屬拱形波紋屋面的翼 緣與腹板相比十分狹窄，所以在劃分單元時(shí)應(yīng)小些，或采用局部細(xì)分，否則， 單元將成為一塊長條

4、板，精度不能保證。7 選擇 Solution/ Define loads 命令施加位移約束和荷載。因?yàn)榻M成金屬拱形 波紋屋面的各部分都是互相咬合在一起的，橫向相互擠壓，變形較小，可以忽 略不及。所以在豎直方向?yàn)殂q接支座，水平方向?yàn)閺椈摄q座（選用 COMBIN14 或COMBIN40單元）。在加載時(shí)，若給金屬拱形波紋屋面全截面上加均布荷 載，那么它的局部變形將遠(yuǎn)大于整體變形，這和工程實(shí)際，試驗(yàn)結(jié)果相去甚 遠(yuǎn)。故在加載時(shí)，將荷載按等代荷載法等效加到金屬拱形波紋屋面腹板的兩條 邊上。8選擇Postprocessor命令進(jìn)入后處理。1.2采用MALAB語言建模MATLAB是80年代中期推出的數(shù)學(xué)軟件，

5、時(shí)至今日，MATLAB已經(jīng)發(fā)展成為適合多學(xué)科、多種工作平臺(tái)的功能強(qiáng)勁的大型軟件。其突出特點(diǎn)在于簡潔的 的代碼及眾多涉及各學(xué)科的工具箱。2000年張建明教授運(yùn)用MATLAB語言編制了一套程序，用來對(duì)金屬拱形波 紋屋面建模。地址：湖南省長沙市新建西路 1 26號(hào)中江麗晶苑 4單元 208室長沙中揚(yáng)鋼結(jié)構(gòu)有限公司專注拱形波紋鋼屋蓋設(shè)計(jì)制作安裝結(jié)構(gòu)框圖如 下：子程序 1 根據(jù)界面上根據(jù)界面上輸入的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)（跨度，矢高，板 厚，板型）計(jì)算體現(xiàn)其結(jié)構(gòu)特征的各關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)。子程序 2 是自動(dòng)劃分有限元網(wǎng)格，生成各區(qū)域內(nèi)的結(jié)點(diǎn)，單元編號(hào)及單元 結(jié)點(diǎn)劃分?jǐn)?shù)據(jù)。子程序 3 將相鄰區(qū)域邊界上的重合結(jié)點(diǎn)合并，形成整

6、體，統(tǒng)一的有限元網(wǎng) 格。子程序 4 按約束部位的坐標(biāo)將約束自動(dòng)施加到相應(yīng)結(jié)點(diǎn)。子程序 5 將程序所生成的數(shù)據(jù)輸入有限元分析程序。1.3采用SAP93建模由文獻(xiàn)(2)知，結(jié)構(gòu)計(jì)算單元由腹板、上翼緣、下翼緣，用 ViziCAD系統(tǒng) 把三者分別建立有限元模型。作靜力分析時(shí)用DECODS命令進(jìn)行譯碼，形成.SST文件，然后用二次COMBSSTH命令把三者粘合在一起，形成.SNT文件，然后用二 次COMBSNT命令把三者粘合在一起，形成整個(gè)結(jié)構(gòu)計(jì)算單元的模型。具體步驟 如下：1. 在SUPPERDRAW中以米為單位按實(shí)際尺寸繪出單拱下翼緣的圓弧線，利 用自動(dòng)劃分網(wǎng)格的方法形成網(wǎng)格圖 ,然后復(fù)制出結(jié)構(gòu)計(jì)算

7、單元的下翼緣模型 ,形 成.ESD文件。2. 對(duì)上述文件添加邊界條件和荷載后，在SUPPERDRAW中用TRANSFER:STRE命令(線性)、NONLINE命令(非線性)或在 DOS下直地 址：湖南省長沙市新建西路 1 26號(hào)中江麗晶苑 4 單元 208室長沙中揚(yáng)鋼結(jié)構(gòu)有限公司專注拱形波紋鋼屋蓋設(shè)計(jì)制作安裝接用 DECODOS (線性)、DECODN(非線性)進(jìn)行譯碼，分析類型根據(jù)需要可選靜力分析、板 殼屈曲分析或幾何非線性分析，譯碼后生成.SST文件，并進(jìn)行保存。3 采用相同的方法，建立腹板及上翼緣有限元模型。4利用COMBSSTI將上述.SST文件粘結(jié)在一起，形成計(jì)算單元模型。5 進(jìn)入對(duì)

8、計(jì)算單元進(jìn)行可視化圖形校核，發(fā)現(xiàn)問題就回到(1)、(2)、( 3)作相應(yīng)修改，再重復(fù)( 4)、 (5),直至校核無誤，符合要求為止。2 三種建模方法的分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較為了檢驗(yàn)三種建模方法的有效性，分別將這三種建模方法的分析結(jié)果與試 驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。由于條件限制，本文根據(jù)分別來自文獻(xiàn)（2），（ 3）的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)建模。表 1 MIC-240 金屬拱形波紋屋面計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果的比較Table 1 Comparision of test data and computer data of MIC-240 archedcorrugate metal roof3 小結(jié)通過上述介紹及分析數(shù)據(jù)的比較，可以看出：采用ANS YSS序建模其優(yōu)點(diǎn)在于建模方法較為簡單，但其缺點(diǎn)也顯而易見，就是分析數(shù)據(jù)不夠精確，劃分 單元比較困難，在分析金屬拱形波紋屋面的屈曲變形及破壞形式時(shí)可采用此種 建模方式；而采用MATLAB語言建模，程序中的網(wǎng)格自動(dòng)劃分，重合節(jié)點(diǎn)合 并，約束自動(dòng)施加子程序均為有限元建模的通地址：湖南省長沙市新建西路 126號(hào)中江麗晶苑 4單元 208室長沙中揚(yáng)鋼結(jié)構(gòu)有限公司專注拱形波紋鋼屋蓋設(shè)計(jì)制作安裝用子程序，故 上述程序有良好的通用性，它還有良好的操作界面，運(yùn)行時(shí)只須按界面上