基于ANSYS对工字钢梁结构的静力学分析 基于ANSYS对工字钢梁结构的静力学分析
李建莉
(兰州资源环境职业技术学院，甘肃 兰州 730021)
摘要：基于ANSYS对工字钢梁结构的静力学特性进行理论计算和研究。建立了工字梁的有限元模型，得出了在给定参数下工字梁的一些静力学结果，并对计算结果进行静态分析，理论上验证了工字钢梁最易弯曲的部位，对实际分析具有一定的参考价值。
关键词：ANSYS；工字钢梁；静力学分析
0 引言
组合梁根据其受力特点可以设计成不同的截面形式，最常用的是由3块钢板焊接而成的工字形截面组合梁，它能节省大量的材料而获得几乎相近于外轮廓长度一样的矩形截面的惯性矩以抗弯，因此，承重桩和支柱通常制作成工字梁。工字梁宽边与腹板的厚度大致相同，在高层建筑中，工字梁可以承受非常大的载荷。并且，工字梁在平行和垂直腹板的方向上可以起到平衡外力的作用，在抵抗地震力中的作用不容忽视。同时，由于钢的强度很高，也有足够的抗剪能力，故工字梁在工程领域应用广泛，研究其静力学特性，对其进行优化设计，对节省材料、降低成本、提高工字梁的性能寿命和工作效率具有重大意义。
本文对工字钢梁进行静力学分析，分析工字钢梁在静态情况下的应力应变分布，为工字钢梁的设计与制造提供理论依据。
1 工字钢结构及主要参数
图1为工字钢梁结构，两端均为固定端，其截面尺寸为：长度L=1.0 m,截面高度H=0.2 m,截面宽度B=0.16 m,腹板厚度tw=0.03 m,翼缘厚度tf=0.02 m。其他已知参数如下：材料为Q345钢，弹性模量E=206 GPa，泊松比μ=0.3，材料密度ρ=7 800 kg/m3，重力加速度g=9.8 m/s2，作用力FY为分布力，作用于梁的上表面，作用线位于长度方向中线处，其值FY=-5 000 N。在考虑重力的情况下对其进行结构静力分析。
2 工字钢的静力学分析
2.1 工字钢的几何模型建立
本文研究对象为图1所示工字钢梁。在进行静力学分析之前，首先建立有限元模型。创建几何模型一般可以通过ANSYS本身的几何建模功能或者在CAD软件中创建，本文采用ANSYS本身的建模功能，依次选取相应的点、线、面创建工字梁3D模型，如图2所示。
图1 工字钢梁的结构示意图
图2 工字钢梁3D模型
2.2 单元类型、材料属性、网格划分
在有限元分析中，单元类型的选择很重要，因其会影响网格的合理划分和求解精度。建立三维实体结构的有限元分析模型，本文采用单元类型为Solid45，该单元具有8个节点，每个节点有X、Y、Z方向的3个移动自由度。材料特性根据已知参数进行定义。采用网格划分工具MeshTool中的Global 进行网格尺寸设置，大小为0.02，选择工字钢梁实体，完成对整个实体结构的网格划分，其结果如图3所示。
2.3 添加边界约束条件
依据物理模型的实际状况，在模型边界节点处施加约束，以边界条件为加载条件。要施加足够的约束，以保证模型不产生刚体位移，从而达到简单直观、便于计算的目的。
2.3.1 施加位移约束
分别选择工字钢梁左端面和右端面所有“ALL DOF”(节点)施加位移约束，相当于梁的固定端。
图3 工字钢梁网格模型
2.3.2 施加分布力载荷
依据物理模型工况，选择施加分布力载荷的节点，选择Z坐标值0.5的节点(表示选择工字钢梁的中间横截面的所有节点)，再选择Y坐标值0.2的节点(表示选中工字钢梁上表面的节点，这组节点为施力节点)。选中这组节点施加Y向载荷力-5 000 N。
2.3.3 施加重力载荷
在Gravity的“ACELY”一栏中输入9.8(模型中已知重力加速度g=9.8 m/s2，系统会自动完成与重力加速度有关的计算)，其他保留缺省设置，有限元前处理部分到此完成。施加载荷后的工字钢梁的模型如图4所示。
图4 施加载荷后工字钢梁模型
2.4 求解及后处理
ANSYS提供了2种后处理方式：时间历程后处理和通用后处理。本文对工字钢梁进行的是静态分析，在求解结果后处理中采用通用后处理方式。通过ANSYS力学分析得到的工字梁的变形情况如图5所示。由图5可知，工字梁有明显的弯曲变形，最大变形量为0.111 mm，变化不大，满足设计要求。
在本文载荷作用下，工字梁的von Mises应力分布云图如图6所示。从图6可以看出，工字梁承受的最大应力为77.4 MPa，位于工字梁施加力载荷的翼缘处，这也是实际工况中工字梁易产生疲劳失效的部位。Q345钢的屈服极限为345 MPa，可以看出工字梁承受最大应力值明显小于所选材料的屈服极限，其他部分的应力分布远小于许用应力。表明此工字梁设计合理，结构满足强度要求。
图5 工字钢梁位移矢量图
图6 工字钢梁von Mises等效应力云图
3 结论
(1) 基于ANSYS软件，创建了工字梁的3D几何模型，并进行结构静力学分析，得到了在给定参数设置下的工字梁的位移矢量图、应力云图。
(2) 在给定分布力载荷和约束条件下，从位移矢量图中可以看出工字梁的最大变形量很小，满足设计要求。
(3) 对于塑性材料而言，应满足的强度条件是最大应力值小于本身的屈服极限，从应力云图中可看出，工字梁满足该强度要求。
(4) 验证了理论上工字梁在该物理模型工况中易发生弯曲的部位，对实际的分析具有一定参考价值。
参考文献：
[1] 孙明礼.机械基础[M].上海：上海交通大学出版社，2007.[2] 张洪信.ANSYS有限元分析完全自学手册[M].北京：机械工业出版社,2008.
[3] 郑正.基于ANSYS对塑料齿轮的结构静力学分析[J].制造业自动化,2010(5)：163-166.
[4] 谢峰.C型压力机机身的有限元分析与优化[J].机械工程师，2007(7)：25-27.
Static Analysis Based on ANSYS for I-beam Structure
LI Jian-li
(Lanzhou Resources and Environment Voc-tech College, Lanzhou 730021, China)
Abstract：The theoretical calculation and research of the static characteristics of I-beam structure was conducted by use of ANSYS in this paper. Firstly, the finite element model of I-beam was established, and then the static analysis of the I-beam with specified parameters was carried out, and the static analysis results were obtained. The weakest part prone to bending in I-beam was found out, which had a certain reference value.
Key words：ANSYS; I-beam; static analysis
文章编号：1672- 6413(2017)01- 0080- 02
收稿日期：2016- 04- 20；
修订日期：2016- 10- 05
作者简介：李建莉(1980-)，女，陕西渭南人，讲师，硕士，研究方向：机电系统设计。
中图分类号：TP391.7
文献标识码：A
基于ANSYS对工字钢梁结构的静力学分析 基于ANSYS对工字钢梁结构的静力学分析
李建莉
(兰州资源环境职业技术学院，甘肃 兰州 730021)
摘要：基于ANSYS对工字钢梁结构的静力学特性进行理论计算和研究。建立了工字梁的有限元模型，得出了在给定参数下工字梁的一些静力学结果，并对计算结果进行静态分析，理论上验证了工字钢梁最易弯曲的部位，对实际分析具有一定的参考价值。
关键词：ANSYS；工字钢梁；静力学分析
0 引言
组合梁根据其受力特点可以设计成不同的截面形式，最常用的是由3块钢板焊接而成的工字形截面组合梁，它能节省大量的材料而获得几乎相近于外轮廓长度一样的矩形截面的惯性矩以抗弯，因此，承重桩和支柱通常制作成工字梁。工字梁宽边与腹板的厚度大致相同，在高层建筑中，工字梁可以承受非常大的载荷。并且，工字梁在平行和垂直腹板的方向上可以起到平衡外力的作用，在抵抗地震力中的作用不容忽视。同时，由于钢的强度很高，也有足够的抗剪能力，故工字梁在工程领域应用广泛，研究其静力学特性，对其进行优化设计，对节省材料、降低成本、提高工字梁的性能寿命和工作效率具有重大意义。
本文对工字钢梁进行静力学分析，分析工字钢梁在静态情况下的应力应变分布，为工字钢梁的设计与制造提供理论依据。
1 工字钢结构及主要参数
图1为工字钢梁结构，两端均为固定端，其截面尺寸为：长度L=1.0 m,截面高度H=0.2 m,截面宽度B=0.16 m,腹板厚度tw=0.03 m,翼缘厚度tf=0.02 m。其他已知参数如下：材料为Q345钢，弹性模量E=206 GPa，泊松比μ=0.3，材料密度ρ=7 800 kg/m3，重力加速度g=9.8 m/s2，作用力FY为分布力，作用于梁的上表面，作用线位于长度方向中线处，其值FY=-5 000 N。在考虑重力的情况下对其进行结构静力分析。
2 工字钢的静力学分析
2.1 工字钢的几何模型建立
本文研究对象为图1所示工字钢梁。在进行静力学分析之前，首先建立有限元模型。创建几何模型一般可以通过ANSYS本身的几何建模功能或者在CAD软件中创建，本文采用ANSYS本身的建模功能，依次选取相应的点、线、面创建工字梁3D模型，如图2所示。
图1 工字钢梁的结构示意图
图2 工字钢梁3D模型
2.2 单元类型、材料属性、网格划分
在有限元分析中，单元类型的选择很重要，因其会影响网格的合理划分和求解精度。建立三维实体结构的有限元分析模型，本文采用单元类型为Solid45，该单元具有8个节点，每个节点有X、Y、Z方向的3个移动自由度。材料特性根据已知参数进行定义。采用网格划分工具MeshTool中的Global 进行网格尺寸设置，大小为0.02，选择工字钢梁实体，完成对整个实体结构的网格划分，其结果如图3所示。
2.3 添加边界约束条件
依据物理模型的实际状况，在模型边界节点处施加约束，以边界条件为加载条件。要施加足够的约束，以保证模型不产生刚体位移，从而达到简单直观、便于计算的目的。
2.3.1 施加位移约束
分别选择工字钢梁左端面和右端面所有“ALL DOF”(节点)施加位移约束，相当于梁的固定端。
图3 工字钢梁网格模型
2.3.2 施加分布力载荷
依据物理模型工况，选择施加分布力载荷的节点，选择Z坐标值0.5的节点(表示选择工字钢梁的中间横截面的所有节点)，再选择Y坐标值0.2的节点(表示选中工字钢梁上表面的节点，这组节点为施力节点)。选中这组节点施加Y向载荷力-5 000 N。
2.3.3 施加重力载荷
在Gravity的“ACELY”一栏中输入9.8(模型中已知重力加速度g=9.8 m/s2，系统会自动完成与重力加速度有关的计算)，其他保留缺省设置，有限元前处理部分到此完成。施加载荷后的工字钢梁的模型如图4所示。
图4 施加载荷后工字钢梁模型
2.4 求解及后处理
ANSYS提供了2种后处理方式：时间历程后处理和通用后处理。本文对工字钢梁进行的是静态分析，在求解结果后处理中采用通用后处理方式。通过ANSYS力学分析得到的工字梁的变形情况如图5所示。由图5可知，工字梁有明显的弯曲变形，最大变形量为0.111 mm，变化不大，满足设计要求。
在本文载荷作用下，工字梁的von Mises应力分布云图如图6所示。从图6可以看出，工字梁承受的最大应力为77.4 MPa，位于工字梁施加力载荷的翼缘处，这也是实际工况中工字梁易产生疲劳失效的部位。Q345钢的屈服极限为345 MPa，可以看出工字梁承受最大应力值明显小于所选材料的屈服极限，其他部分的应力分布远小于许用应力。表明此工字梁设计合理，结构满足强度要求。
图5 工字钢梁位移矢量图
图6 工字钢梁von Mises等效应力云图
3 结论
(1) 基于ANSYS软件，创建了工字梁的3D几何模型，并进行结构静力学分析，得到了在给定参数设置下的工字梁的位移矢量图、应力云图。
(2) 在给定分布力载荷和约束条件下，从位移矢量图中可以看出工字梁的最大变形量很小，满足设计要求。
(3) 对于塑性材料而言，应满足的强度条件是最大应力值小于本身的屈服极限，从应力云图中可看出，工字梁满足该强度要求。
(4) 验证了理论上工字梁在该物理模型工况中易发生弯曲的部位，对实际的分析具有一定参考价值。
参考文献：
[1] 孙明礼.机械基础[M].上海：上海交通大学出版社，2007.[2] 张洪信.ANSYS有限元分析完全自学手册[M].北京：机械工业出版社,2008.
[3] 郑正.基于ANSYS对塑料齿轮的结构静力学分析[J].制造业自动化,2010(5)：163-166.
[4] 谢峰.C型压力机机身的有限元分析与优化[J].机械工程师，2007(7)：25-27.
Static Analysis Based on ANSYS for I-beam Structure
LI Jian-li
(Lanzhou Resources and Environment Voc-tech College, Lanzhou 730021, China)
Abstract：The theoretical calculation and research of the static characteristics of I-beam structure was conducted by use of ANSYS in this paper. Firstly, the finite element model of I-beam was established, and then the static analysis of the I-beam with specified parameters was carried out, and the static analysis results were obtained. The weakest part prone to bending in I-beam was found out, which had a certain reference value.
Key words：ANSYS; I-beam; static analysis
文章编号：1672- 6413(2017)01- 0080- 02
收稿日期：2016- 04- 20；
修订日期：2016- 10- 05
作者简介：李建莉(1980-)，女，陕西渭南人，讲师，硕士，研究方向：机电系统设计。
中图分类号：TP391.7
文献标识码：A