钢塔杆结构的线性屈曲分析成果

1.问题描述

某钢塔杆支撑结构几何尺寸长宽高，截面形状为槽钢的尺寸。材料为Q235钢，其中密度为7.85g/cm³，弹性模量为2.1e11pa，泊松比为0.33。钢架一端固定，另一端受到5000N载荷，其他相关参数，在分析过程中体现、试求钢架结构的抗屈曲载荷。

2.有限元分析过程

（1）启动Workbench 18.0 在“开始”菜单中执行ANSYS 18.0→Workbench 18.0命令。

图7-4 创建分析

（2）创建结构静力分析项目

①在工具箱【Toolbox】的【Analysis Systems】中双击或拖动结构静力分析项目【Static Struc-tural】到项目分析流程图，如图7-4所示。

②在Workbench的工具栏中单击【Save】，保存项目工程名为Pole.wbpj。有限元分析文件保存在D：\AWB\Chapter07文件夹中。

（3）确定材料参数

①编辑工程数据单元，右键单击【Engi-neering Data】→【Edit】。

②在工程数据属性中增加新材料：【Out-line of Schematic A：Engineering Data】→【Clickhere to add a new material】，输入新材料名称Q235。

③在左侧单击【Physical Properties】展开→双击【Density】→【Properties of Outline Row 4：Q235】→【Density（Kg m^3）】=7850。

④在左侧单击【Linear Elastic】展开→双击【Isotropic Elasticity】→【Properties of Outline Row 4：Q235】→【Young’s Modulus（pa）】=2.1E+11。

⑤【Properties of Outline Row 4：Q235】→【Poisson’s Ratio】=0.33，如图7-5所示。

⑥单击工具栏中的【A2：Engi-neering Data】关闭按钮，返回到Work-bench主界面，新材料创建完毕。

（4）导入几何模型

①在结构静力分析项目上，右键单击【Geometry】→【Import Geometry】→【Browse】→找到模型文件Pole.x_t，打开导入几何模型。模型文件在D：\AWB\Chapter07文件夹中。

图7-5 创建材料

②进入DesignModeler，在结构静力分析项目上，右键单击【Geometry】→【Edit Geometry in DesignModeler…】进入DesignModeler环境。

③在模型详细栏里，【Detail View】→【details of Import1】→【Operation】→【Add Materi-al】。工具栏单击【Generate】完成导入显示，如图7-6所示。

图7-6 模型

（5）模型抽中面处理

①对模型抽取中面，首先转换单位，单击菜单栏【U-nits】→【Millimeter】。单击菜单栏【Tools】→【Mid Surface】，【Detail View】→【Details of MidSurf1】→【Selection Method】=Automatic；【Minimum Threshold】=0.01mm，【Maximum Threshold】=10mm，其他默认；【Find Face Pairs Now】选取【No→Yes】，可见选中所有抽取面对。工具栏单击【Gener-ate】完成抽取中面，如图7-7所示。

②单击DesignModeler主界面的菜单【File】→【Close DesignModeler】退出几何建模环境。

③返回Workbench主界面，单击Workbench主界面上的【Save】按钮保存。

图7-7 模型抽取中面

（6）进入Mechanical分析环境

①在结构静力分析项目上，右键单击【Model】→【Edit】进入Mechanical分析环境。

②在Mechanical的主菜单【Units】中设置单位为Metric（mm，kg，N，s，mV，mA）。

（7）为几何模型分配材料属性 钢架支撑结构分配材料：在导航树里单击【Geometry】展开→【Pole】→【Details of“Pole”】→【Material】→【Assignment】=Q235。

（8）划分网格

①在导航树里单击【Mesh】→【Details of“Mesh”】→【Sizing】→【Size Function】=Curva-ture，【Sizing】→【Relevance Center】=Medium，其他均默认。

②在标准工具栏上单击，选择整个模型，右键单击【Mesh】→【Insert】→【Sizing】→【Details of“Body Sizing”Sizing】→【Element Size】=12mm；【Advanced】→【Size Function】=Curvature，其他默认。

③生成网格，右键单击【Mesh】→【Generate Mesh】，图形区域显示程序生成的四边形单元网格模型，如图7-8所示。

④网格质量检查，在导航树里单击【Mesh】→【Details of“Mesh”】→【Quality】→【Mesh Metric】=Element Quality，显示Element Quality规则下网格质量详细信息，平均值处在好水平范围内，展开【Statistics】显示网格和节点数量。

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图7-8 网格划分

（9）施加边界条件

①单击【Static Structural（A5）】。

②施加约束，首先在标准工具栏上单击，然后选择钢塔杆支撑结构的另一底端面上的两个螺栓孔，接着在环境工具栏单击【Supports】→【Fixed Support】。

③施加钢塔杆支撑结构一端施加力，首先在标准工具栏上单击，然后选择钢塔杆支撑结构的一个端面，接着在环境工具栏单击【Loads】→【Force】→【Details of“Force”】→【Def-inition】→【Define By】=Components，【Y Component】=-5000N。

④施加标准地球重力，在环境工具栏上单击【Inertial】→【Standard Earth Gravity】→【De-tails of“Standard Earth Gravity”】→【Definition】→【Direction】=-Y Direction，如图7-9所示。

图7-9 载荷与约束

（10）设置需要结果

①在导航树上单击【Solution（A6）】。

②在求解工具栏上单击【Deformation】→【Total】。

③在Mechanical标准工具栏上单击进行求解运算，求解结束后，如图7-10所示。

（11）创建屈曲分析

①返回到Workbench主界面，右键单击结构静力分析项目单元格的【Solution】→【Transfer Data To New】→【Eigenvalue Buckling】，自动导入结构静力分析为预应力。

②返回Mechanical分析窗口，可见【Eigenvalue Buckling】自动放在【Static Structural】下面，且初始条件为【Pre Stress（Static Structural）】，如图7-11所示。

图7-10 钢塔杆变形

图7-11 创建屈曲分析

③分析设置，在【Eigenvalue Buckling（B5）】下，单击【Analysis Settings】→【Details of“Analysis Settings”】→【Step Controls】→【Options】→【Max Modes to Find】=3；【Solver Con-trols】→【Include Negative Load Multiplier】=No，其他默认。

（12）设置需要结果

①在导航树上单击【Solution（B6）】。

②在求解工具栏上单击【Deformation】→【Total】。

（13）求解与结果显示

①在Mechanical标准工具栏上单击进行求解运算。

②运算结束后，单击【Solution（B6）】→【Total Deformation】，图形区域显示一阶屈曲分析得到的钢塔杆支撑结构屈曲载荷因子和屈曲模态，【Load Multiplier Linear】=0.1095，如图7-12所示。临界线性屈曲载荷为载荷因子乘以实际载荷，即0.1095×5000N=547.5N。

③查看二阶、三阶屈曲载荷因子与屈曲模态。在求解工具栏上单击【Deformation】→【Total】。单击【Solution（B6）】→【Total Deformation2or3】→【Details of“Total Deformation2”】→【Definition】→【Mode】=2or3。单击右键选择【Evaluate All Results】，查看结果，如图7-13、图7-14所示。

图7-12 一阶屈曲载荷因子和屈曲模态

（14）保存与退出

①单击Mechanical主界面的菜单【File】→【Close Mechanical】退出环境，返回到Work-bench主界面，此时主界面的项目管理区中显示的分析项目均已完成。

②单击Workbench主界面上的【Save】按钮，保存所有分析结果文件。

图7-13 二阶屈曲载荷因子和屈曲模态

图7-14 三阶屈曲载荷因子和屈曲模态

③退出Workbench环境，单击Workbench主界面的菜单【File】→【Exit】退出主界面，完成项目分析。

点评：本实例是钢塔杆支撑结构线性屈曲分析。屈曲分析是结构动力分析的一种，长细杆工程结构中常进行此类分析。对于这类结构，构件通常是薄壁杆件，根据薄壁杆件结构力学中对薄壁杆件的定义，可对该类结构进行中面提取处理，由实体单元转化为壳单元计算，这样有利于大幅度减少网格数量，简化计算。