钢结构两种载荷施加方式的仿真方法对比分析*

钢结构两种载荷施加方式的仿真方法对比分析* 钢结构两种载荷施加方式的仿真方法对比分析*

陈崇茂，陈义东

(中国联合工程公司，浙江 杭州 310052)

摘要：对仿真模拟加载时两种不同的加载方式进行了分析，并将得到的结果与试验值进行对比，提供了一种较为简单且与试验值基本符合的仿真加载方法。

关键词：钢结构；仿真方法；载荷

1 软件介绍

在很多机械结构进行试验之前，为验证其结构受力是否满足标准要求，要先进行仿真模拟，这样可以大大减少试验次数、节约研发经费及周期，这已经是机械行业比较熟悉和普遍应用的一种方法。对于机械部件，我们期望通过仿真模拟的方法来改进部件的结构，在仿真结果比较合理后进行样品试制，再将仿真模拟结果与试验结果进行对比，这样既验证了仿真模拟的正确性，也从另一方面验证了试验方法的正确性。

本文中采用的仿真模拟软件Workbench是ANSYS软件中的一个重要模块，能实现与各种主流CAD软件的无缝衔接，可以方便地导入非常复杂的三维模型进行仿真模拟分析。对大型复杂的装配件进行分析时，可以依据模型的几何形状建立高品质的网格，缩短运算时间，也确保分析准确。Workbench可以全自动识别相邻零件的接触关系，自动建立相互之间的接触模式。定义好几何模型并进行网格划分后，定义载荷和边界条件时应尽量与试验的加载、约束情况一致。

Workbench有5种接触方式：Bond(绑定)、No separation(不分离)、Frictionless(无摩擦)、Rough(粗糙)和frictional(摩擦)。不同的接触方式适用于不同的接触状态。本文分析钢结构时采用了No separation(不分离)的方式，该方式与试验加载和约束情况更为吻合，其特点是：法向力为0，切向力≠0，法向不分离，切向可有小位移。

2 试验分析

本文以一款曲面钢结构为例进行加载试验。相关试验标准如下：静载状态时，将(200×300×25) mm垫块作用在钢结构上，垫块长200 mm的边对应钢结构件长边，施加0.15 MPa载荷，要求变形不超过4 mm，构件无破裂，无永久变形。

试验时，将载荷均布在垫块的200 mm×300 mm面积上，以消除垫块对钢结构件的影响。钢结构件两端固定在试验台上，模型加载示意图如图1所示。

加载确定后，在钢结构件的中间位置设置百分表，读数得到的试验最大变形为1.38 mm。

图1 模型加载示意图

3 仿真模拟

针对如何仿真模拟试验真实加载情况，分别做了载荷作用于垫板上、载荷作用于钢结构件表面两种模型的分析，其他边界条件一致。

3.1 载荷作用于垫板上

垫板与钢结构件之间采用Bond接触模式，由Workbench自动探测接触区域，直接在垫板上施加载荷即可，如图2所示。

图2 载荷作用于垫板上的模型

3.2 载荷作用于钢结构件表面

载荷作用于钢结构件表面时，则需先对钢结构件进行加载区域划分，在Workbench自带的MD模块中将加载区域切割出来，载荷施加在与200 mm×300 mm相同的构件表面，如图3所示。

3.3 仿真结果分析

图4、图5分别为载荷作用于垫板上和载荷作用于构件表面上的变形云图。由图4、图5可知，载荷作用于垫板上，构件变形为1.183 mm；载荷直接作用于构件表面上，构件变形为1.201 mm。由此可知两种载荷施加方法对结果影响非常小。

图3 载荷作用于构件表面上的模型

4 仿真结果与试验结果对比分析

本文采用ANSYS Workbench平台分析计算了构件在不同加载方式时的变形情况，并与试验值进行了对比。载荷作用于构件表面计算数据仅比载荷作用于垫板上大1.5%，可见模拟计算时两种加载方式对变形影响很小，完全可忽略不计。载荷作用于构件表面与试验值相差12.9%，在可接受范围内，模拟计算与试验是基本吻合的。对复杂构件，可采用在构件表面直接加载的方式，减少接触计算，并极大地减少了网格数量，提升了计算速度，具有较大的现实意义。

图4 载荷作用于垫板上的变形云图 图5 载荷作用于构件表面上的变形云图

参考文献：

[1] 王勖成,邵敏.有限单元法基本原理和数值方法[M].北京：清华大学出版社,1997.

[2] 李子云.ANSYS Workbench之仿真计算模块的研究与应用[J].科技创新导报,2011(7)：52.

[3] 成大先.机械设计手册[M].第3版.北京：化学工业出版社，2007.

[4] 杜成斌,任青文. 用于接触面模拟的三维非线性接触单元[J]. 东南大学学报(自然科学版),2001(4)：92-96.

Simulation Analysis and Comparison of Two Types of Loading Methods

CHEN Chong-mao, CHEN Yi-dong

(China United Engineering Corporation, Hangzhou 310052, China)

Abstract：In this paper, two different ways of loading were simulated and analyzed, and the results are compared with the experimental values, to provide a simple load simulation method fitting in with the test.

Key words：steel structure; simulation method; load

*收稿日期：2016-07-18；

修订日期：2017-01-08

作者简介：陈崇茂(1985-)，男，浙江临海人，工程师，硕士，主要从事建设工程管理工作。

文章编号：1672-6413(2017)02-0094-02

中图分类号：TP391.7

文献标识码：A