工業(yè)廠房的有限元模擬及動力性能分析

[摘要]目前在建筑工程中常用的數(shù)值計算方法主要有邊界元、離散元、有限差分法等，其中有限元法是應(yīng)用最為廣泛的方法。ANSYS軟件是現(xiàn)代工程技術(shù)與科研人員在數(shù)學、力學理論的基礎(chǔ)上，經(jīng)常被采用的模擬計算軟件之一，用ANSYS軟件能夠獲得滿工程需要的數(shù)值解。本文利用ANSYS對五層工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)進行數(shù)值模擬計算，研究工業(yè)廠房內(nèi)部的震動設(shè)備對廠房的影響情況，判斷在設(shè)備運行過程中，是否會導致工業(yè)廠房出現(xiàn)共振的現(xiàn)象，進而判斷廠房的安全性能。

[關(guān)鍵詞]工業(yè)廠房；有限元法；ANSYS軟件；安全性

1、五層工業(yè)廠房的結(jié)構(gòu)的有限元模型建立

1.1單元的選擇與材料性能

在對五層工業(yè)廠房的性數(shù)值模擬過程中，真實考慮到結(jié)構(gòu)的實際材料組成和各類材料的在承載過程中的力學特點，根據(jù)ANSYS中單元庫中所提供的各類單元的屬性，依次選取了如下單元來模擬四層工業(yè)廠房在震動過程中的動力性能研究。

廠房立柱采用BEAMl89梁單元，主梁與次梁也采用BEAMl89梁單元，樓板采用SHELL63板單元，振動機械設(shè)備采用質(zhì)量單元MASS21來模擬，振動機械設(shè)備與樓板的接觸采用具有阻尼特點的COMBINl4單元來模擬。

廠房的立柱與主梁、次梁在力學特性上符合梁的特點，因此采用BEAMl89來模擬。BEAMl89梁單元適合于細長的stubby/thick的梁結(jié)構(gòu)，該單元基于Timoshenko梁理論，包含切應(yīng)變。BEAMl89是二次（3一節(jié)點）3-D梁元素。BEAMl89每個節(jié)點有6到7個自由度，即X＼Y＼Z方向的平動和繞其的轉(zhuǎn)動。需要時還會加上第7個自由度（翹曲量）。此單元能夠有很好的適用于線性，大轉(zhuǎn)角，和非線性大應(yīng)變的情況。BEAMl89包含有應(yīng)力剛度，在默認情況下，應(yīng)力剛度使得元素能夠進行彎曲，側(cè)向彎曲，和扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的分析。BEAMl89能夠用定義任何截面形狀。支持彈性、潛變、塑性的特性。

樓板結(jié)構(gòu)的厚度不大，而且變形是以翹曲為主時，這種結(jié)構(gòu)的力學性能為板殼結(jié)構(gòu)特點，此時用SHELL63板殼單元來模擬樓板。

1.2有限元模型的建立與網(wǎng)格劃分

1）墻體、橫次梁、柱間的連接方法

本文的建模過程采用自上而下的建模過程，利用殼單元來模擬樓板，用梁單元模擬工業(yè)廠房立柱，用梁單元來模擬橫梁、縱梁和圈梁結(jié)構(gòu)。用質(zhì)量單元來模擬振動機械設(shè)備，用彈簧單元來模擬減隔震設(shè)備。在ANSYS中不同單元的連接方法主要有彈簧連接法、共用節(jié)點連接法、耦合連接法等。本文建模過程中采用的方法為共用節(jié)點法。

2）有限元模型的建立

本文選取一個五層的框架結(jié)構(gòu)用來研究振動機械設(shè)備對廠房振動效果的影響情況。五層工業(yè)廠房的模型尺寸為：五層結(jié)構(gòu)，廠房占地面積為42m*56m?？v向g排立柱，縱向柱距7m。橫向7排立柱，橫向柱距為7m。以一層地面標高為0點，其中一層樓板標高4m，二層樓板標高8m，三層樓板標高14m，四層樓板標高20，五層樓板標高27m。各層設(shè)置圈梁，并且樓層頂設(shè)置有縱、橫次梁。

振動機械設(shè)備安裝在第三層的一側(cè)，振動機械設(shè)備安裝處的混凝土樓板被扣空被安裝設(shè)備，為了保證安裝設(shè)備的樓板具有足夠的強度，在扣孔位置設(shè)置了縱、橫兩個方向的加強梁。另外為了方便貨物的運輸，在第一層、二層、三層樓板的中心處進行了樓板的開孔，方便貨物的上下運輸。混凝土芯柱寸為0.6m*0.6m，圈梁、主梁尺寸為0.4m*0.7m，次梁尺寸為0.3m*0.6m。

為了更為有效地分析該工業(yè)框架廠房的動力性能，在建模過程中，不考慮墻體對該廠房動力性能的貢獻，因此不建立墻體結(jié)構(gòu)，該有限元模型共11672個節(jié)點，9835個單元。

2、模態(tài)分析

首先對五層框架廠房結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，通過對這模態(tài)分析，主要分析結(jié)構(gòu)在自由振動條件下的固有頻率和相應(yīng)振型分析。

另外模態(tài)分析也是后續(xù)的其他動力分析所必須的前期分析過程。模態(tài)分析主要目的是為了：在結(jié)構(gòu)的設(shè)計和使用過程中避免結(jié)構(gòu)與設(shè)備發(fā)生共振，或者是結(jié)構(gòu)按照特定的頻率進行振動；了解結(jié)構(gòu)在不同荷載作用下的動力響應(yīng)；為其他的動力學分析計算提供相應(yīng)的參數(shù)。

根據(jù)模態(tài)計算結(jié)果，提取了振型參與系數(shù)，并繪制了振型參與系數(shù)曲線，根據(jù)曲線得知，該廠房結(jié)構(gòu)振動模態(tài)主要以前8階為主，其中前八階振型參與系數(shù)波動較大，并且主要以整體平動和轉(zhuǎn)動為主，以后的模態(tài)出現(xiàn)了局部的扭轉(zhuǎn)，可見前八階對該廠房結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析較重要。

通過對振型的分析發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)在自振過程中，主要以x方向和振動和扭轉(zhuǎn)其中一階、二階振型以x方向整體振動為主，三階振型以扭動為主，四階振型再次以x方向大幅度振動為主，五階以后的振型以x方向振動和轉(zhuǎn)動為主。在振動過程中這幾階沒有出現(xiàn)局部模態(tài)情況，表面該廠房結(jié)構(gòu)各局部剛度設(shè)計較為合理。

通過分析發(fā)現(xiàn)，該五層框架廠房的固有頻率處于1.5426Hz～8.3851 Hz，而前文提及的振動機械設(shè)備的自振頻率為15Hz，可見振動設(shè)備的工作頻率不在共振區(qū)，表明將機器設(shè)備安裝到該廠房正常工作后，在振動篩正常工作時候二者不會發(fā)生共振現(xiàn)象。另外，該五層工業(yè)廠房的主振型方向為X方向，因此在后續(xù)諧響應(yīng)分析過程中，應(yīng)主要觀察X方向的振動情況。

3、總結(jié)：

利用ANSYS軟件對對多層工業(yè)廠房進行數(shù)值建模，研究振動機械設(shè)備在工作過程中對結(jié)構(gòu)的影響狀態(tài)分析，結(jié)論如下。

1）首先利用ANSYS進行了結(jié)構(gòu)自重的計算，結(jié)構(gòu)的自重最大撓度為2mm。結(jié)構(gòu)的自重最大等效應(yīng)力為0.32MPa，結(jié)構(gòu)自重結(jié)果均滿足使用要求。

2）通過對振型的分析發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)在自振過程中，主要以×方向和振動和扭轉(zhuǎn)其中一階、二階振型以x方向整體振動為主，三階振型以扭動為主，四階振型再次以x方向大幅度振動為主，五階以后的振型以x方向振動和轉(zhuǎn)動為主。在振動過程中這幾階沒有出現(xiàn)局部模態(tài)情況，表明該廠房結(jié)構(gòu)各局部剛度設(shè)計較為合理。