门式刚架轻型钢结构有限元分析.docx
《门式刚架轻型钢结构有限元分析.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《门式刚架轻型钢结构有限元分析.docx（21页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
门式刚架轻型钢结构有限元分析
门式刚架轻型钢结构有限元分析
摘要：
本文用ANSYS分析变截面门式刚架空间非线性工作特性进行计算分析，主要包含静力分析、模态分析。
关键字：
门式钢架、静力分析、模态分析
1.前言
门式刚架轻型钢结构是单层工业厂房
中一种广泛采用的结构形式。
因为其用钢量少，结构自重轻，施工速度快，综合经济效益高，近年来得到迅速的发展。
到现在为止，轻型门式刚架的结构设计和施工技术基本已经成熟。
门式刚架结构设计理论相对比较简单，易于被设计人员掌握。
门式刚架轻钢厂房的主承力结构为由横梁、柱组成的平面门式刚架。
檩条、墙梁及支撑体系使单独的平面刚架形成空间体系，增加了厂房的整体性，提高了承受风、地震及吊车制动力等水平载荷的能力。
与传统的以屋架作为平面框架横梁的钢结构厂房比较，门式刚架的构件种类和数量少，室内整洁，建筑体新颖美观。
由于门式刚架一般为超静定结构，内力分布较均匀，有利于充分发挥构件材料的作用，故构件截面较小，可以有效利用建筑空间，结构的自重较轻，便于制作、运输和安装。
2.问题描述
实际工程中的门式刚架由于跨度都比
较大，且钢构件本身比较软，因此往往出现挠度变形偏大，结构有一定的几何非线性。
现有的门式刚架计算模型主要是平面模型，很少考虑空间模型，更没有讨论变截面门式刚架。
本文就变截面门式刚架空间非线性工作特性进行计算分析，主要包含静力分析、模态分析以及时程分析。
轻型钢结构厂房各构件的名称及功能见表1。
表1单层厂房钢结构各构件名称、功能及常见形式
编号
构件名称
作用
轻钢厂房中的常见形式
1
框架柱
承担重力，抵抗横向荷载引起的弯矩和剪力
变截面H钢柱
2
框架梁
支撑屋面檩条、屋面系统
变截面H钢柱
3
檩条
支撑屋面板，承受屋面荷载
C形、Z形薄壁型钢
4
墙架梁
支撑山墙面，承担墙面及其自身重量与墙面风荷载
C形钢
5
山墙柱
支撑墙架梁，承担墙面和墙架自重产生的竖向载荷及其水平风载荷
H形钢
6
支撑
与边缘撑杆构成稳定的支撑体系
圆钢
3.力学及有限元模型
门式刚架按照梁、柱的连接性质，可以
分为刚性连接和铰接两种。
山墙柱与主框架刚性连接或铰接，在此认为是刚性连接。
3.1力学模型
计算假设如下：
（1）梁柱采用变截面梁BEAM44来
模拟，且梁柱的刚接与铰接可以通过BEAM44的自由度释放实现。
柱间圆钢支撑用LINK10来模拟，檩条、墙架梁采用2节点线性梁单元BEAM188来模拟。
山墙柱采用可自定义截面的梁单元BEAM44来模拟。
（2）屋面檩条与刚架梁柱的连接采
用刚接，圆钢支撑与结构连接采用铰节点。
柱脚节点可根据实际确定，本分析对两种连接进行了分析。
（3）梁柱及其他钢结构构件均假定
为理想弹性材料。
（4）所有钢结构构件材料本构模型
均假定为线弹性材料，符合胡克定律，同时不考虑钢板的蒙皮效应。
蒙皮效应是指在屋面板和墙板利用本身的刚度和强度对建筑物整体刚度的加强作用。
梁柱如为铰接，则柱脚节点不能也是铰接，否则结构成为一个可变机构。
3.2梁柱刚接与铰接比较
门式刚架的厂房中按照梁柱的连接性质，可以分为刚性连接和铰接两种。
在此了解两
种连接的性质是十分重要的。
不同连接方式下构件的最大弯矩相差较大，一般来讲，刚接的梁上最大弯矩是铰接梁上最大弯矩的一半。
经验表明：
梁柱采用刚接时，整个斜梁只有很少一部分弯矩比较大，不到整个钢梁长度的
，整个变截面梁设计可以很合理，而采用铰接时，发现整个斜梁的中间一大段弯矩都很大，为了控制变形量，势必需要增大整段梁的截面，同时整个系统也不够稳固。
另外，如果梁柱节点铰接则柱脚必须刚接，否则结构是可变的，梁柱节点铰接，柱脚刚接为排架结构。
即不是弯矩大小的问题，是结构形式的问题。
梁柱铰接主要用来设计混凝土柱同钢梁的连接，混凝土柱刚度大，这么做是合理的，而且梁柱的连接不宜刚接，所以用铰接。
从另外一个角度来说，如采用铰接，梁为简支梁，梁柱相交处无弯矩，最大弯矩出现在整个跨度的中间，也就是屋脊处，而且很大，导致挠度非常大，设计时截面也会变的很大。
采用刚接，则梁柱相交处有弯矩存在，梁上最大弯矩和最大挠度都会比铰接时小。
3.3BEAM44单元
BEAM44是一种具有承受拉、压、扭
转和弯曲能力的单轴梁。
单元每个节点
有6个自由度：
x、y、z方向的平移和x、y、
z轴向的转动。
这个单元允许具有不对称的端面结构，并且允许端面节点偏离截面形心位置。
BEAM44还允许使用对称截面，同时可以释放梁节点的相关自由度。
BEAM44几何示意图2和图3所示。
梁默认时的连接是刚接，如果要模拟梁柱铰接或檩条与梁铰接，并不是释放所有梁单元的自由度，而是释放特殊位置的转动自由度，如梁柱铰接处。
图2BEAM44单元几何示意图一
图3BEAM44单元几何示意图二
3.4BEAM188单元
BEAM188适用于分析细长的梁。
元素是基于Timoshenko梁理论的。
具有扭切变形效果。
BEAM188是一个二节点的三维线性梁。
BEAM188在每个节点上有6或7个自由度每节点有6个自由度。
分别是沿x,y,z的位移及绕其的转动。
当KEYOPT
（1）=1时,会添加第七个自由度（翘曲量）。
此元素能很好的应用于线性分析，大偏转，大应力的非线性分析。
BEAM188的几何示意图如图4所示。
图4BEAM188单元几何示意图
3.5LINK10单元
LINK10单元独一无二的双线性刚度矩阵特性使其成为一个轴向仅受拉或仅受压杆单元。
使用只受拉选项时，如果单元受压，刚度就消失，以此来模拟缆索的松弛或链条的松弛。
这一特性对于将整个钢缆用一个单元来模拟的钢缆静力问题非常有用。
如果分析的目的时研究单元的运动（没有松弛单元），那么应该使用类似于LINK10的不能松弛的单元，比如：
LINK8或PIPE59。
对于最终收敛结果为绷紧状态的结构，如果迭代过程中可能出现松弛状态，那么这种静力收敛问题也不能使用LINK10单元。
这时候应该采用其它单元或者采用“缓慢动力”技术。
LINK10单元在每个节点上有三个自由度：
沿节点坐标系X、Y、Z方向的平动，不管是仅受拉（缆）选项，还是仅受压（裂口）选项，本单元都不包括弯曲刚度。
本单元具有应力刚化、大变形功能。
LINK10单元几何示意图如图5所示。
图5LINK10单元几何示意图
4.动力学分析
ANSYS可以进行结构动力分析类型包括：
瞬态动力学分析、模态分析、谐响应分析、谱分析及其随机振动响应分析。
本分析主要做了模态分析和瞬态动力学分析。
（1）模态分析。
用于确定结构的振
动特性，比如固有频率和各阶振型。
固有频率和各阶振型是结构承受动力载荷设计中的重要参数，也是其他各类动力学分析的基础。
ANSYS求解模态分析的方法有子空间法、分块Lanczos法、缩减法等。
本分析采用默认的Lanczos法提取前四阶模态。
（2）瞬态动力学分析。
用于确定结
构在任意时间随载荷变化下响应的一种分析方法，也称为时间历程分析。
可以利用瞬态动力学分析确定结构在静载荷、瞬态载荷、简谐载荷任意组合下的位移、应力、应变等随时间变化的规律。
瞬态动力学分析的过程比模态分析复杂，在ANSYS中求解瞬态动力学分析方法有完全法、缩减法和模态叠加法。
如表2所示
表2瞬态动力学分析方法表
完全法
（Full）
缩减法
（Reduced）
模态叠加法
（ModeSuperposition）
优点
易于使用，使用完全矩阵。
允许各种非线性，也允许各种载荷，JCG、ICCG求解效率高
比完全法快
速度最快，允许考虑模态阻尼
缺点
计算费用高
需扩展得到完整结果，所有的载荷必须施加到主自由度上，只支持简单的点点接触，恒定时间步长
恒定时间步长，只支持简单的点点接触
可用阻尼
瑞利阻尼，单元阻尼
材料相关的阻尼，
瑞利阻尼，单元阻尼
材料相关的阻尼，
瑞利阻尼，恒定阻尼比
材料相关的阻尼，
振型阻尼
本分析采用完全法，用完全法计算结构的时程响应时，虽然操作简单，计算精确，但是在阻尼处理上其会忽略恒定阻尼比和振型阻尼。
常用Raleigh阻尼来表征系统的总阻尼矩阵。
（3）阻尼。
阻尼是动力分析的一大
特点，也是动力分析中的一个易于引起困惑之处，而且由于它只是影响动力响应的衰减，出了错不容易擦觉。
各阻尼特点如表3
表3结构分析中常用的输入阻尼
阻尼种类
作用
注意事项
ALPHAD阻尼
阻尼参数，也称为质量阻尼，其与周期成线性比例，和结构的运动相关，可极大程度地衰减掉长周期分量
阻尼与质量有关，主要影响低阶振型，只有当粘度阻尼是主要因素时才规定此值
BETAD阻尼
阻尼参数，也称为刚度阻尼，其与频率成线性比例，和结构的变形相关，可极大程度地衰减掉高频分量
阻尼与刚度有关，主要影响高阶振型；如果要做的是非线性瞬态分析，同时刚度变化很大时，使用
阻尼很可能会造成收敛上的困难
恒定阻尼比
表示实际阻尼和临界阻尼的比值
对于粘性阻尼，恒定阻尼是指定结构阻尼的最简单的方法，只对响应谱分析、谐分析及使用模态叠加法的瞬态分析有效
振型阻尼比
振型阻尼用于对不同振动模态指定不同的阻尼比
振型阻尼是在模态坐标下对各个模态定义各自的模态阻尼比，只对响应谱分析、谐分析及使用模态叠加法的瞬态分析有效
材料阻尼
材料阻尼又叫滞回阻尼，其最显著的特点是与结构响应频率无关
通用性好，常用于转换其他阻尼。
5.模型建立
5.1参数定义
FINI
/CLE
/FILNAME,EX
/TITLE,THEANALYSISOFTHEMSGJ
!
几何参数设定
*SET,H,12!
檐口高12
*SET,H1,10!
下檐高10
*SET,B,32!
横距32
*SET,L,64!
纵跨距64
!
材料参数设定
*SET,E_LZ,2.1E11!
弹性模量（
）
*SET,U_LZ,0.3!
泊松比
*SET,DENS_LZ,7800!
密度，
*SET,E_LT_SQ,2.1E11!
弹性模量（
）
*SET,U_LT_SQ,0.3!
泊松比
*SET,DENS_LT_SQ,7800!
密度，
*SET,E_XC,2.1E11!
弹性模量（
）
*SET,U_XC,0.3!
泊松比
*SET,DENS_XC,7800!
密度，
*SET,INI_STRAIN,0.00314!
初始应变
!
定义材料阻尼
*set,dampration,0.02
*set,FREQ1,3.0215
*set,mp_betad,dampration/（acos（-1）*FREQ1）
/PREP7
!
定义采用单元类型
ET,1,44!
变界面梁BEAM44
ET,2,188!
采用BEAM188
ET,3,10!
杆单元LINK80
ET,200,82!
PLANE82单元划分梁截面
!
梁柱材料属性
MP,EX,1,E_LZ!
弹性模量
MP,PRXY,1,U_LZ!
泊松比
MP,DENS,1,DENS_LZ!
密度
!
檩条墙架梁山墙柱的材料属性
MP,EX,2,E_LT_SQ!
弹性模量
MP,PRXY,2,U_LT_SQ!
泊松比
MP,DENS,1,DENS_LT_SQ!
密度
!
斜支撑材料属性
MP,EX,3,E_XC!
弹性模量
MP,PRXY,3,U_XC!
泊松比
MP,DENS,1,DENS_XC!
密度
mp,damp,1,mp_betad
mp,damp,2,mp_betad
mp,damp,3,mp_betad
!
自定义截面如图6
RECTNG,0,0.5,0,0.3,!
生成矩形
CYL4,0.14,0.125,0.09,-180,!
左下半个圆
CYL4,0.14,0.175,0.09,180,!
左上半个圆
CYL4,0.36,0.125,0.09,-180,!
右下半个圆
CYL4,0.36,0.175,0.09,180,!
右上半个圆
RECTNG,0.05,0.23,0.125,0.175,
!
左边连接矩形
RECTNG,0.27,0.45,0.125,0.175,
!
生成右边连接矩形
ASEL,U,,,1!
在当前选择集中不选择面1
CM,AREA0,AREA!
定义面集合AREA0
ALLSEL,ALL!
选择所有元素
ASBA,1,AREA0!
布尔减
ESIZE,0.04!
控制截面划分尺寸
TYPE,200!
选择单元类型
AMESH,ALL!
划分网格
SECWRITE,USERBEAM,SECT,,200
!
写入用户定义截面
ACLEAR,ALL!
清除网格
ADELE,ALL,,1!
删除面及其下属元素
LDELE,ALL,,,1!
删除线及其下属元素
SECTYPE,200,BEAM,MESH,SECT1
!
由截面号指定截面
SECOFFSET,CENT,,,!
截面无偏移
SECREAD,'USERBEAM','SECT','',MESH!
读入用户定义截面
ESIZE,,5!
修改网格控制
!
屋面檩条利用单元库中的截面工子型188
SECTYPE,1,BEAM,I!
定义工子梁截面
SECOFFSET,CENT!
截面无偏移
SECDATA,0.3,0.3,0.3,0.02,0.02,0.012
!
截面数据
!
墙架梁利用单元库中的截面工子型188
SECTYPE,2,BEAM,I!
定义工子梁截面
SECOFFSET,CENT!
截面无偏移
SECDATA,0.3,0.3,0.3,0.02,0.02,0.012
!
截面数据
!
定义变截面的实常数
R,1,1.652E-2,8.16667E-4,1.42198E-3,0.35,0.1
75,0,!
第1段变截面I节点
RMODIF,1,7,1.7187E-2,8.16667E-4,1.74344E-3,0.38335,0.175!
第1段变截面J节点
R,2,1.7187E-2,8.16667E-4,1.74344E-3,0.38335,0.175,!
第2段变截面I节点
RMODIF,2,7,1.7853E-2,8.16667E-4,2.10287E-3,0.41665,0.175,!
第2段变截面J节点
R,3,1.7853E-2,8.16667E-4,2.10287E-3,0.41665,0.175,!
第3段变截面I节点
RMODIF,3,7,1.852E-2,8.16667E-4,2.50283E-3,0.45,0.175,!
第3段变截面J节点
R,4,1.852E-2,8.16667E-4,2.50283E-3,0.45,0.175,!
第4段变截面I节点
RMODIF,4,7,1.9187E-2,8.16667E-4,2.9443E-3,0.48335,0.175,!
第4段变截面J节点
R,5,1.9187E-2,8.16667E-4,2.9443E-3,0.48335,0.175,!
第5段变截面I节点
RMODIF,5,7,1.9853E-2,8.16667E-4,3.428E-3,0.51665,0.175,!
第5段变截面J节点
R,6,1.9853E-2,8.16667E-4,3.428E-3,0.51665,0.175,!
第6段变截面I节点
RMODIF,6,7,1.9853E-2,8.16667E-4,3.428E-3,0.51665,0.175,!
第6段变截面J节点
R,7,2.252E-2,8.16667E-4,5.82412E-3,0.65,0.175,0,!
第7段变截面I节点
RMODIF,7,7,2.027E-2,0.000816667,3.75E-3,0.5375,0.175,0,!
第7段变截面J节点
R,8,2.027E-2,8.16667E-4,3.75E-3,0.5375,0.175,!
第8段变截面I节点
RMODIF,8,7,1.9145E-2,0.000816667,2.922E-3,0.48125,0.175,0!
第8段变截面J节点
R,9,1.9145E-2,8.16667E-4,2.922E-3,0.48125,0.175,!
第9段变截面I节点
RMODIF,9,7,1.802E-2,8.16667E-4,2.1992E-3,0.425,0.175,0!
第9段变截面J节点
R,10,1.3808E-2,6E-4,1.6564E-3,0.425,0.15,!
第10段变截面I节点
RMODIF,10,7,1.3808E-2,6E-4,1.6564E-3,0.425,0.15,!
第10段变截面J节点
R,11,INI_STRAIN!
初始应变
图6自定义梁截面
5.2实体建模
!
生成关键点
K,1,-B/2,0K,2,-B/2,H1/6,0K,3,-B/2,（H1/6）*2,0K,4,-B/2,（H1/6）*3,0K,5,-B/2,（H1/6）*4,0K,6,-B/2,（H1/6）*5,0K,7,-B/2,（H1/6）*6,0K,8,-3*B/8,H1+（H-H1）/4K,9,-B/4,H1+2*（H-H1）/4,0K,10,-B/8,H1+3*（H-H1）/4,0K,11,-0,H,0
*DO,I,1,10,1!
循环控制
L,I,I+1!
连线
*ENDDO!
循环结束
*DO,I,1,10,!
循环控制
LSEL,S,,,I!
选择线
LATT,1,I,1!
赋予属性
*ENDDO!
循环结束
ALLSEL!
选择所有元素
LMESH,ALL!
划分所有线
/ESHAPE,1,ON
/REPLOT
LGEN,6,ALL,,,,,8,100!
复制所有线每次向Z方向偏移8M编号增加100
图7变截面梁柱
!
生成檩条
*DO,I,3,11,1!
循环控制
*DO,J,1,5,1!
循环控制
*IF,I,EQ,4,OR,I,EQ,6,THEN
!
条件判断
I=I+1!
条件
*ENDIF!
条件结束
L,I+（J-1）*100,I+J*100!
连线
LATT,2,,2,,,,1!
赋予属性
*ENDDO!
循环结束
*ENDDO!
循环结束
LSEL,ALL!
选择所有线
LSEL,S,TYPE,,2!
利用单元号选择线
ESIZE,,5!
指定划分数
LMESH,ALL!
划分当前选择集中所
有线
图8檩条生成
!
生成墙架梁BEAM188
KSEL,S,,,501,505,2!
选择关键点
KGEN,5,ALL,,,4,,,100!
复制关键点每次向X方向偏移4M编号增加100
*DO,I,503,505,2!
循环控制
*DO,J,1,4,1!
循环控制
L,（J-1）*100+I,J*100+I!
连线
LATT,2,,2,,,,2!
赋予属性
*ENDDO!
循环结束
*ENDDO!
循环结束
LSEL,ALL!
选择所有线
LSEL,S,TYPE,,2!
利用单元号选择线
LSEL,R,SEC,,2!
利用截面号选择线
LMESH,ALL!
划分当前选择集中所有线
!
生成山墙柱（自定义截面）BEAM44
*DO,I,601,901,100!
循环控制
*DO,J,1,2,1!
循环控制
L,（J-1）*2+I,J*2+I!
连线
LATT,2,,2,,,,200!
赋予属性
*ENDDO!
循环结束
*ENDDO!
循环结束
ALLSEL!
选择所有元素
L,508,605
L,509,705L,510,805L,511,905LATT,2,,2,,,,200!
赋予属性
LSEL,ALL!
选择所有线
LSEL,S,TYPE,,2!
利用单元号选择线
LSEL,R,SEC,,200!
利用截面号选择线
LESIZE,ALL,,,2!
指定划分数
LMESH,ALL,,,1
ALLSEL!
选择所有元素
!
生成支撑
*DO,I,7,407,100!
循环控制
L,I,I+94!
连线
LATT,3,11,3!
赋予属性
*ENDDO!
循环结束
*DO,I,1,401,100!
循环控制
L,I,I+106!
连线
LATT,3,11,3!
赋予属性
*ENDDO!
循环结束
ALLSEL!
选择所有元素
L,8,107
L,107,208L,208,307L,307,408L,408,507L,408,509L,509,410L,410,511L,8,109L,109,10L,10,111LATT,3,11,3!
赋予属性
LSEL,ALL!
选择所有线
LSEL,S,TYPE,,3!
利用单元号选择线
LESIZE,ALL,,,1!
指定划分数
LMESH,ALL!
划分当前选择集中所有线
图9墙架梁生成
图10山墙柱生成
图11支撑生成
!
镜像全模型
ALLSEL!
选择所有元素
LSYMM,X,ALL!
关于YZ面镜像
ALLSEL!
选择所有元素
LSYMM,Z,ALL!
关于XY面镜像
ALLSEL!
选择所有元素
NUMMRG,ALL!
压缩所有元素编号
SAVE,MSGJ,DB,,ALL!
保存为MSGJ.DB
图12全模型
!
边界条件
NSEL,S,LOC,Y,0!
选择Z坐标为0的点
D,ALL,UX!
约束X方向平动位移
D,ALL,UY!
约束Y方向平动位移
D,ALL,UZ!
约束Z方向平动位移
图13施加边界约束
5.3静力分析
在考虑自重应力场的情况下，模拟静载作用下（屋面结构自重、积雪等）的变形。
5.3.1加载和求解
/SOLU
ANTYPE,STATIC!
指定为静力分析
SSTIF,ON!
打开预应力开关
ACEL,0,-9.8!
施加重力加速度
LSEL,S,TYPE,,1!
利用单元号选择线
LSEL,R,LOC,X,-B/2+0.01,0
!
选择屋面上左半边刚性梁
ESLL,S!
选择附着线选单元
SFBEAM,ALL,2,PRES,1500,1500
!
施加均布压力
LSEL,S,TYPE,,1
升级会员 