基于ANSYS的钢结构构件优化设计

摘要：在土木建筑大兴发展的今天，钢结构的使用使得建筑独具一格，但是钢材的造价较高，通过ANSYS我们可以对钢结构构件进行截面的优化，建立了预设的构件尺寸，通过Microsoft Excel 工作表改变截面的尺寸，建立ANSYS网格模型。并以现有的构件截面尺寸试验数据为样本，通过对构件施加不同的约束形式（点约束、线约束、面约束），用ANSYS模型计算出该构件的应力值。对不同的约束形式实验数据和实际计算值进行了分析对比，结果表明，模拟值与计算值吻合良好，精度较高。该方法可作为实际结构设计的一种辅助手段对钢结构构件进行截面优化设计。

关键词： 钢结构构件；ANSYS ； 应力；网格划分；优化设计

中图分类号： TU391文献标识码：A 文章编号：

1、 引言

钢材是现代最为广泛的建筑材料之一，各种不同型钢的出现更使得钢结构在工程中得到广泛的应用和发展，刚结构和其他结构相比具有：钢材的强度高，塑性、韧性好，材质均匀，工作可靠性高，良好的可焊性等等优点。在土木工程中，钢结构有着广泛的应用。随着铁矿资源的不断开采与发展使钢结构的资源受到更到的重视，对铁矿的充分利用是一个比较重要的问题，在满足构件安全承载的情况下对截面的优化成为一个热门问题。ANSYS程序建立了交互式菜单系统，极大地简化了分析过程的操作性，使设计分析更加直观和可视化，程序不仅仅是求解器，同时提供前后处理器，对模型的创建和结果的处理更加方便，使得优化更加精确。

此外，ANSYS 软件本身所拥有的大量单元形式，可以很方便的让使用者建立各个构件之间的共同工作模型，因此在很多实际问题中都取得了成功应用，在此文中使用ANSYS解决截面的优化过程。

2、 ANSYS单元类型特点

2.1 单元类型的选择，跟你要解决的问题本身密切相关。在选择单元类型前，首先你要对问题本身有非常明确的认识，然后，对于每一种单元类型，每个节点有多少个自由度，它包含哪些特性，能够在哪些条件下使用，在ANSYS的帮助文档中都有非常详细的描述，要结合自己的问题，对照帮助文档里面的单元描述来选择恰当的单元类型。我采用的是实体单元。

2.1 实体单元的选择实体单元类型也比较多，实体单元也是实际工程中使用最多的单元类型。常用的实体单元类型有solid45, solid92,solid185,solid187这几种。其中把solid45,solid185可以归为第一类，他们都是六面体单元，都可以退化为四面体和棱柱体，单元的主要功能基本相同,(SOLID185还可以用于不可压缩超弹性材料)。Solid92, solid187可以归为第二类，他们都是带中间节点的四面体单元，单元的主要功能基本相同。如果所分析的结构比较简单，可以很方便的全部划分为六面体单元，或者绝大部分是六面体，只含有少量四面体和棱柱体，此时，应该选用第一类单元，也就是选用六面体单元；如果所分析的结构比较复杂，难以划分出六面体，应该选用第二类单元，也就是带中间节点的四面体单元。如果单元类型选取不当，在划分网格的时候，由于结构比较复杂，六面体划分不出来，单元全部被划分成了四面体，也就是退化的六面体单元，这种情况，计算出来的结果的精度是非常糟糕的，有时候即使你把单元划分的很细，计算精度也很差，这种情况是绝对要避免的。

对于实体单元，总结起来就一句话：复杂的结构用带中间节点的四面体，优选solid187，简单的结构用六面体单元，优选solid185。实验中选取solid185.

3、 ANSYS模型的建立及求解处理

ANSYS可以提供将近200单元类型，可以研究：结构（静力和动力）流体、热场、电场和磁场、耦合场等问题。对于构件的优化问题可以选用静力结构问题分析来完成。

3.1 定义单元的类型及单元实常数：Main Menu>Prepeocessor> Elment Type ;在这里可以添加和选取各种单元。

3.2 定义材料类型：Main Menu>Prepeocessor>Material Prop>Material Model；在这里设定钢材的弹性模量，泊松比，密度等。

本次实验中就对吊车梁构件进行研究，故采用的是相同的单元属性和材料属性，如果对较为复杂的构件或者由多个构件所组成的结构进行模型建立时可能需要对不同的受力构件以及不同受力特征的构件，这时需要建立不同的单元类型和材料属性，并用相关的作业名称表示以作区别和试验时的调用。

3.3 创建关键点、线、面、体；Main Menu>Prepeocessor>Modeling>Create>KeypointS>In Active CS/Lines>Straight Line/其中线、面、体都可以根据关键点建立起来。在此过程中应该注意对于不同的构件要调用与之对应的作业构件属性。

3.4 单元的网格划分；Main Menu>Prepeocessor>Meshing>Meshtool； 选择自由网格划分或者映射网格划分，网格的划分将直接影响到试验模型能不能求解和结果的正确性，因此对模型的网格划分是一个比较重要的环节。网格的划分有直接法创建有限元网格模型和几何模型划分单元生成有限元网格模型，网格的划分有时会出现不收敛的情况，应选择适当的方法进行网格划分。

以上过程为前处理阶段，在此阶段完成了构件的基本模型建立，大部分工作已经完成，下一步工作将进行求解处理，这是得到正确结果的保证。

图1 工字钢梁的网格划分图

3.5 进入求解器，选择静力分析：Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis;选择施加约束：Main Menu>Solution>Define Loade>Apply>Structural>Displacement>On Keypoints/;然后选择相关的约束，一般选择超静定约束结构。约束的施加是能不能完成求解的重要步骤，多数不能求解的问题都出于约束的不够。荷载力的施加过程：Main Menu>Solution>Define Loads>Apply> Structural>Force>选择施加的方式（关键点的集中施加/面荷载/体荷载）和荷载的相关特征（大小/方向）。

约束和荷载都施加成功后再做系统的检查如果没有错误将可以进行求解，选择执行求解：Main Menu>Solution>Solve>Current LS；经求解显示提示Solution is done!表示求解完结束。

3.6 后处理操作，进入后处理查看计算结果：Main Menu>General Postproc选择想要查看的结果（应力应变图、位移分析、动画查看等等）。

4、ANSYS模拟值与实际计算值的分析比较以及截面的优化选择

试验是对实际工程中的双轴对称的工字钢梁进行截面优化，工字钢截面面积为，梁的计算长度为12米，荷载为跨中集中力,自行设计截面尺寸使其满足承载要求，且截面较为择优，具有良好的经济效益。

4.1选用工程实际的截面尺寸（h为腹板高度、b为翼缘宽度、t为翼缘厚度、为腹板厚度，单位为mm），对该吊车梁构件两端分别施加点的固定约束、线的固定约束、面的固定约束得到不同的应力图和应力值.

图2对点施加固定约束应力图

图3 对线施加固定约束应力图

图4 对面施加固定约束应力图

对应的应力值分别为：点固定约束应力值；线固定约束应力值；面约束应力值。采用理论计算公式，从数据中可以得到结论：对点施加固定约束得到的应力值与理论值最接近，在下面进行不同尺寸试验模拟时采用对点施加固定约束。

4.2 通过Microsoft Excel 工作表可以在保证截面面积不变的情况下编辑出一系列的工字钢不同截面尺寸，再用ANSYS建立相关尺寸模型模拟出结构模型，求解得到相关应力值。

表1：相同不同截面尺寸的应力值及相关数据表格

在表1中，最大应力为工字钢梁的底部最大应力即为第一主应力，挠度为跨中最大值，最大正应力和最大负应力分别是施加集中力处和支座处所产生，又局部破坏原理公式（为假设分布长度）知：在实际工程中集中力和支座处需要施加垫板以满足局部破坏机理要求。从表格中可以看出：对于相对窄而较高的工字钢截面能承受较大的外来荷载，是相对较为择优的截面类型，具有良好的经济效益。

5、结论

通过Microsoft Excel 工作表改变截面的尺寸，在使用ANSYS模拟出相应的应力，从应力图和应力值可以的得到相对较为择优的截面类型，为施工现场提供理论基础和依据，使钢材得到充分的利用，可以带来良好的经济效益，同时推进ANSYS在土木工程上的应用。

参考文献(References)：

【1】Ansys 使用手册，美国Ansys 公司驻京办事处

【2】 实用工程数值模拟技术及其在Ansys 上的实践，王国强，西北工业大学出版社，2000.4

【3】 赵凤华，黄金林，钢筋混凝土原理，高等教育出版社，2005.5

【4】孙训房、方孝淑、关来泰，材料力学（I）第四版，高等教育出版社

【5】博弈创作室，ANSYS 9.0经典产品基础教程与实例详解，中国水利水电出版社

【6】GB50017——2003，钢结构设计规范，北京：中国计划出版社，2003

【7】龚曙光，ANSYS工程应用实例分析，机械工业出版社，2003.3