钢结构厂房实体模型的有限元模拟分析

钢结构厂房实体模型的有限元模拟分析

摘要：门式刚架轻型厂房近年来在我国取得了广泛的应用，本文运用有限元分析软件对门式厂房进行了整体有限元模拟分析，提出了在门式刚架厂房设计中应注意的一些问题。

关键词：厂房实体模型门式钢结构有限元模拟分析

轻型门式厂房是目前国内发展速度最快的新型钢结构形式，它以其强度高、施工速度快、受力性能好等优点被广泛地应用于工程建设中。本文通过对门式刚架厂房的模型设计与制作，对该种结构的设计与施工中应注意的问题作如下初步分析和探讨。

1.门式刚架轻型厂房的模型模拟与分析

模型的计算假定：（1）本模型所有构件假定为理想弹性材料，符合hooke定律；（2）刚架梁柱连接用3节点的beam189单元。厂房檐口高度6.2m，跨度9m，柱距6m，屋面活载0.65kn/m2，屋面恒载0.25kn/m2等。

有限元法将所研究的工程系统（engineering system）转化成一个有限元系统（finite element system），该有限元系统由节点（node）及单元（element）组合而成还包含工程系统本身所具有的边界条件（约束条件、外力荷载等），它可以转化成一个数学模式，并据此得到该有限元系统的解答，然后再通过节点单元表现出来。有限元分析流程的解题步骤如下：（1）结构离散化：结构离散化是有限元法分析的第一步，即将要分析的结构分割成有限个单元体，离散后单元与单元之间利用节点相互连接起来；单元节点的设

置、单元性质，以及单元的数目等都应视问题的性质、计算精度和所要描述的变形形态而定。有限元法中分析的结构已不是原有的物体或结构物，而是通过一定方式连接起来的同样属性材料的集合体。（2）单元特性分析：位移模式—单元属性—等效节点力。（3）整体刚度矩阵组装应用结构的平衡条件和边界条件把各个单元按

原结构重新组装起来，形成整体刚度矩阵：ku=f。（4）求解未知节点位移求解方程组，得出未知节点位移。应用弹塑性力学中的几何方程和物理方程，求出单元的应力、应变。一般完整的有限元程序（finite element program）包含前处理（preprocessing）、解题程序（solution）和后置处理。在前处理中，首先建立有限元单元模型所需输入的资料，单元内节点排序、材料特性等；划分网格，形成单元，再加入边界、荷载条件。在解题程序中计算出单元刚度矩阵{u}={f}求解。最后，在后置处理中，通过图形接口将解题部分得到的解答以等位移图、等应力图等方式显示出来。

2.门式刚架的分析结果

计算步骤:首先材料符合基本假定；有限元模型的单元属性选择；定义材料属性的定义；有限元的几何模型建立；有限单元的划分，如利用分网工具（mesh tool）依次拾取几何体素，分配相应的单元属性，包括材料号（mat）、实常数号（real）、单元类别号（type）和单元划分尺寸（size）等，然后选择全体（select all），进行划分（mesh）；最后是求解设置，静力计算一般图门式刚架厂房的有限元模型分析选取preference为structural，对模型采用非线

性有限元分析，同时考虑材料非线性和几何非线性；采用von mises 屈服准则；按理想弹塑性考虑；采用牛顿-拉斐逊法自动不断修正弹塑性刚度矩阵，追踪非线性变化过程。有限元建模如图所示。3.结论

通过对门式刚架厂房进行有限元模拟分析，得出以下建议：（1）为了有效地增加门式刚架的受力稳定性，应合理地设置刚架支撑体系；

（2）采用变截面的梁和柱，能够有效地较少用钢量；

（3）可对梁柱连接采用半刚性连接，以改善其抗震性能。

本文运用有限元分析软件，对门式厂房进行了整体有限元模拟分析，提出了在门式刚架厂房设计中应注意的一些问题。

参考文献：

［1］黄鹏程.轻钢结构厂房设计的探讨［j］.柳钢科技，2005，（03）.

［2］宋宝东，王纳群.门式刚架轻型房屋钢结构设计中的若干问题［j］.中国建筑金属结构，2005，（12）.

［3］程习红.门式刚架优化设计［j］.安徽建筑，2005，（06）. ［4］杨海明.门式刚架轻型钢结构的设计与思考［j］.有色冶金设计与研究，2005，（03）.