基于ANSYS的门式刚架结构优化设计

基于ANSYS的门式刚架结构优化设计

摘要:运用大型有限元分析软件ANSYS对工程中广泛使用的门式刚架结构进行了截面优化设计,得到了满足一定工程要求条件下的最优截面尺寸,节省了大量的钢材。

关键词:ANSYS 门式刚架有限元模型优化设计

门式刚架结构体系具有施工快、造价低、扩建灵活、维护费用低等优点,因此近几年广泛用于工业与民用建筑中。在传统的设计法中,为满足使用功能和设计规范的要求,其结构形式、截面尺寸等的选择,一般是由设计者根据其经验来确定的,这在很大程度上影响着结构的造价和成本,通常会造成较大的浪费。因此,对门式刚架结构进行优化设计,是具有非常实际的工程意义的。在结构优化设计中,有限元法是一个比较有效的方法。本文利用大型有限元分析软件ANSYS来实现对门式刚架的优化设计,在满足一定的工程要求条件下,使其得到最为合理的截面尺寸,降低用钢量从而达到节省材料的目的。

1 工程概况

长春市某学院工艺操作实习基地为门式刚架结构。房屋屋面采用彩钢屋面板,刚架两端铰支于钢筋混凝土基础上,刚架材料为Q235钢,刚架横向跨度为18m,房屋长度为64m,刚架间距为6m,房屋檐口高为9m,屋面坡度为1/10。屋面活载为0.35kN/m2,恒载为0.7kN/m2,材料的弹性模量E=210GPa,钢材的强度设计值f＝215MPa,应用有限元分析

软件ANSYS对门式刚架结构进行截面优化设计。

2 结构计算简图

2.1 梁、柱截面布置

为了节省钢材,门式刚架构件外形一般和弯矩包络图形状接近,故主刚架采用变截面,焊接工字型钢,其截面布置如图1(a)所示。

2.2 荷载作用及工况

门式刚架在使用过程中,承受的主要荷载作用有恒载、活载、风载和地震作用,常用的4种工况如下。

工况1:1.2G(恒)＋1.4L(活);工况2:1.2G(恒)+1.4W(风);工况3:1.2G(恒)＋1.4L(活)＋0.6×1.4W(风);工况4:1.2G(恒)＋0.5×1.4L(活)＋1.3E(地),本文只取工况1进行研究。

2.3 结构计算简图

把门式刚架空间结构分解成为平面结构,取一榀刚架来考虑,梁柱刚接、柱脚铰接,计算简图如图1(b)所示。

3 ANSYS建模与求解

3.1 定义参数的初始值

腹板厚度均为6mm,翼缘厚度均为8mm,高度及宽度见表1。

3.2 定义单元类型及属性

梁柱采用2节点线性梁单元BEAM188来模拟。

3.3 建立有限元模型

采用建点(Key point)—建线(Line)—再网格化的由下而上的方法建立有限元模型如图2所示。

3.4 施加位移约束和荷载

在关键点1、8施加ROTZ不为零其它方向都为零的约束,在关键点2、3、4、5、6、7、9施加ROTX、ROTY、UZ均为零的约束,并在梁上施加工况1的均布荷载如图3所示。

3.5 求解模型

计算机自动进行有限元分析求解。

3.6 结果后处理

由于在后面进行的优化进程中,需要根据刚架的变形和内力设置相关的状态变量,所以在进入后处理器POST1后,需要提取门式刚架受弯构件的竖向最大挠度值以及构件的最大正应力值等。工程优化的目的是使结构的体积和自重减小,达到节约材料、节省成本的目的。所以,在提取参数时,应将单元体的体积进行求和并且赋给目标变量。

4 优化结构分析

4.1 设计变量

以梁、柱截面的腹板高度和翼缘宽度为设计变量。

4.2 状态变量

状态变量是设计要求满足的约束条件变量参数,是设计的因变量。常见的为对最大应力和最大变形的约束。即构件内的最大正应力应小于材料的设计强度值215MPa,受弯构件的挠度与跨度比≤1/180,即该门式刚架的最大挠度为100mm。

4.3 优化目标

以结构用钢量最少为优化目标。

4.4 优化求解

指定一阶优化方法进行优化。

4.5 查看优化结果

ANSYS经过优化,在求解的第十五次得到了较好的最优解,其优化结果如表1所示。

4.6 结果分析

由表1可知:优化后刚架的最大挠度DMAX_Y＝96mm<100mm,最大应力SBZ_MAX＝198MPa<215MPa,满足刚度和强度要求。结构基本尺寸经过优化减小,以H2为例减少了13.6%。单榀门式刚架原设计重量为1564kg,经过优化设计后减小至1419kg,节省钢材9.3%。优化结果用图像显示如图4所示。可见通过优化设计后,在满足强度、刚度等条件的前提下,能明显的节约钢材用量,使得设计更趋于合理。

5 结语

本文借助于ANSYS中的优化模块对门式刚架截面进行优化设计,经过优化设计结构的受力更加合理,体积更轻盈,达到了节省材料、合理设计的理想效果。若对建模部分程序进行修改,则可用于类似的结构优化设计中,通用性比较好。

参考文献

[1]张红松,胡仁喜,等．ANSYS12.0有限元分析从入门到精通

[M]．机械工业出版社,2010,1.

[2]王呼佳,陈洪军．ANSYS工程分析进阶实例[M]．中国水利水电出版社,2006,11.