有限元計(jì)算在鋼結(jié)構(gòu)制造中的應(yīng)用

龐延波 楊春松

摘 要：文章運(yùn)用有限元計(jì)算軟件ANSYS和ABAQUS，針對現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)制作過程中的焊接變形、吊裝、運(yùn)輸?shù)裙ば蜻M(jìn)行有限元模擬分析，合理簡化計(jì)算模型，求得的應(yīng)力、應(yīng)變等計(jì)算結(jié)果指導(dǎo)現(xiàn)場施工，減少現(xiàn)場工作量，保證制造質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；有限元；計(jì)算模型

1 有限元方法及軟件介紹

有限元法可以稱為有限單元法或有限元素法，基本思想是將物體（即連續(xù)求解域）離散成有限個且按一定方式相互連接在一起的單元組合，來模擬和逼近原來的物體，從而將一個連續(xù)的無限自由度問題簡化為離散的有限自由度問題求解的數(shù)值分析法。

完整的有限元分析必須包含三個方面內(nèi)容：有限元方法的基本數(shù)學(xué)力學(xué)原理、基于原理形成的實(shí)用軟件和使用軟件時必須配備的計(jì)算機(jī)硬件。有限元分析過程可分成三個階段，前處理、處理和后處理。前處理是建立有限元模型，完成單元網(wǎng)格劃分；后處理則是采集處理分析結(jié)果，使用戶能簡便提取信息，了解計(jì)算結(jié)果。

目前，通用的有限元計(jì)算軟件主要有ANSYS、ADINA、ABAQUS、SAP、ALGOR等，其中，ANSYS軟件在致力于線性分析的用戶中具有很好的聲譽(yù)，它在計(jì)算機(jī)資源的利用和用戶界面開發(fā)等方面做出了很大的貢獻(xiàn)，ABAQUS軟件則致力于更復(fù)雜和深入的工程問題，其強(qiáng)大的非線性分析功能在設(shè)計(jì)和研究的高端用戶群中得到了廣泛的認(rèn)可，文章就以ANSYS軟件和ABAQUS軟件為例，介紹有限元計(jì)算在鋼結(jié)構(gòu)制造中的應(yīng)用情況。

2 有限元計(jì)算在鋼結(jié)構(gòu)制造中的應(yīng)用

有限元計(jì)算在鋼結(jié)構(gòu)制造中應(yīng)用廣泛，計(jì)算內(nèi)容包括熱分析、焊接變形分析、靜力結(jié)構(gòu)分析、動力學(xué)分析、疲勞計(jì)算等。實(shí)際生產(chǎn)過程中，焊接變形分析和靜力學(xué)分析運(yùn)用最多，下面舉例介紹鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目的焊接變形分析和大型構(gòu)件的整體吊裝分析。

2.1 焊接變形分析

北京某鋼橋主塔為三維異形門式結(jié)構(gòu)，鋼塔所有壁板均為三維曲面，鋼索塔截面從塔底13.8m×12m漸變到塔頂3m×5m，鋼箱塔柱截面采用矩形空心箱。

鋼塔現(xiàn)場分節(jié)段進(jìn)行吊裝，節(jié)段長度8m，節(jié)段吊裝精確定位后進(jìn)行焊接，由于壁板板厚大，現(xiàn)場的焊接方法和焊接順序?qū)附幼冃斡绊憳O大，如何確定鋼塔截面上焊縫的焊接順序，直接關(guān)系到鋼塔的整體安裝精度和線形，下文在ABAQUS軟件對現(xiàn)場焊接進(jìn)行模擬的有限元分析，對不同的焊接方案進(jìn)行結(jié)果比對，選出最優(yōu)方案指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)及大量計(jì)算結(jié)果，采用分中對稱焊接方案對鋼塔節(jié)段進(jìn)行拼裝焊接。分中對稱焊接方案和順序焊接方案相比較，焊接收縮量小，且截面各部分收縮差均較小。

最優(yōu)焊接順序?yàn)椤跋群父拱逋鈧?cè)，然后焊短邊外側(cè)，再焊長邊內(nèi)側(cè)”，最差焊接順序?yàn)椤跋群搁L邊外側(cè)，然后焊長邊內(nèi)側(cè)，再焊短邊外側(cè)”，如圖1所示，余下部分的焊接順序?qū)Y(jié)果影響不大。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)節(jié)段整體吊裝分析

隨著大型遠(yuǎn)洋運(yùn)輸設(shè)備和起重設(shè)備的快速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)制作越來越來已整體節(jié)段和模塊的形式進(jìn)行運(yùn)輸，到達(dá)現(xiàn)場后整體吊裝，極大地縮短了施工周期，同時又保證了產(chǎn)品質(zhì)量。下面結(jié)合工程實(shí)例簡要介紹鋼結(jié)構(gòu)整體吊裝的有限元分析方法。

滬通鐵路橋通航孔橋采用節(jié)段整體吊裝，節(jié)段尺寸為28m（長）×36m（寬）×17.65M（高），總重約1780噸。采用通用有限元分析軟件ANSYS 10.0進(jìn)行建模計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖2和圖3所示，由有限元計(jì)算結(jié)果可見，在吊裝過程中，桁架節(jié)段最大應(yīng)力和最大變形均在安全范圍之內(nèi)，可安全進(jìn)行吊裝作業(yè)。

3 結(jié)束語

現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造過程中涉及到大量的力學(xué)計(jì)算和焊接計(jì)算，傳統(tǒng)的計(jì)算方法計(jì)算復(fù)雜，需要投入較多的人力和時間，計(jì)算精度較低。隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件行業(yè)的快速發(fā)展，利用ANSYS和ABAQUS等有限元分析軟件進(jìn)行強(qiáng)度、剛度以及焊接熱分析，既準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)、可靠，又能得出構(gòu)件在各種工況下的應(yīng)力、應(yīng)變參數(shù)。有限元計(jì)算時需要合理的簡化計(jì)算模型，計(jì)算模型不能偏離實(shí)際問題本身，以最簡單的計(jì)算方法模擬最真實(shí)的工況狀態(tài)，為實(shí)際生產(chǎn)提供依據(jù)，指導(dǎo)生產(chǎn)，保證工程質(zhì)量和安全。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：龐延波（1981-），男，碩士研究生.