基于有限元的桁架结构的动态分析研究

基于有限元的桁架结构的动态分析研究李卫华1张效忠21（浙江省衢州市经济开发区管理委员会办事中心，浙江衢州324000）2（衢州学院建筑工程系，浙江衢州324000）摘要:本文通过对架桥机桁架结构的动态分析,研究架桥机桁架结构在工作时的结构受力情况和稳定性,主要利用有限元软件Midascivil程序对天龙一号架桥机结构进行静、动态分析计算,计算结果与实际检测情况相吻合。关键词：桁架;动态特性;有限元法;midascivil1引言本文来源于架桥机桁架结构测试项目，架桥机桁架结构在工作时受到动态反复荷载的作用，他的稳定性直接影响架桥的速度和质量[1]。安全、经济、适用的桁架结构是我们在设计的过程中追求的目标，但是桁架结构在动态荷载的作用下往往出现断裂、损伤等，对桁架结构的动态分析研究具有重要的意义。桁架的动态性能直接关系到整个架桥机的运行，其强度、刚度和稳定性设计计算的准确性是十分重要的。同时,在架桥过程过程中,整体系统始终处于动态载荷作用之下,动态载荷通过各部件的衔接传递到系统的各个部位,从而引起整体及局部的动态响应。因此,为了设计出运行稳定、安全、可靠的桁架,必须分析计算桁架的静、动态特性。本文从满足工程实际应用出发,利用大型有限元分析软件midascivil完成了该桁架结构的建模和静、动态特性的分析计算。*本研究受到衢州市科技局科研项目的资助，项目编号：20091052作者简介：李卫华（1977-），女，工程师，主要从事道路桥梁设计和施工研究。张效忠（1979-），男，讲师，主要从事有限元分析的研究2有限元分析计算2.1有限元模型的建立实体建模应尽可能地反映结构的实际形状,并能作合理的简化,以建立符合结构真实力学性质的有限元模型[2]。本文所分析的桁架采用梁单元、桁架单元和板单元的组合结构形式。所建立的结构模型见图一所示。材料采用钢材，弹性模量为200Gpa，泊松比为0.2，极限抗拉强度采用300Mpa。（a）整体模型(b)正视图(c)俯视图(d)节点大样图图一结构的三维模型2.2动力分析原理有限元动力分析的动力方程式如下[3]：（1）其中：[M]为质量矩阵，[C]为阻尼矩阵，[K]为刚度矩阵，u(t)为结构的位移，为结构的速度，为结构的加速度，f(t)为荷载。在做动态时程分析时，所有选项的设置都与动力方程中各项的构成和方程的求解方法有关，所以在动态分析时，应时刻联想动力方程的构成去设置各选项。2.3模态分析为了进行结构的动态的时程分析，首先要计算出结构的模态，根据模态的计算结果进行加载步长的计算[4]。模态分析的结果如表一、表二所示：表一特征值计算结果表表二阵型的参与质量可见最大质量为99.69%，取第12个模态作为分析的时间步长的参考依据。第十二个模态的周期为0.00127s，故时间步长可以取0.0001s可以满足精度要求。所以我们在时程分析时以0.0001s为加载步长，进行结构的动态分析。2.4结构的时程分析2.4.1加载桁架的受力主要是安装在其上的设备重力,同时桁架的自重也需要考虑进去,分为两种典型工况,即水平状态和竖直状态[5]。考虑到设备安装的实际情况,将这些载荷换算成桁架两端承受压力和集中力。由于是动态荷载，所以结构所加的函数为动态函数，加载具体见图二所示。（a）瞬时冲击力（b）工作过程的循环荷载图二所加的时程荷载2.4.2分析设置本次动态分析采用线性分析，分析方法采用阵型叠加法，时程类型为瞬态，阵型阻尼比为0.05，积分方法采用Newmark法。2.4.3时程分析结果2.4.3.1强度计算结果结构的内力的分析结果见图三、图四所示，结果现实，最大的弯矩和剪力都在结构的容许强度之内。结构的最大应力为60Mpa，小于结构的容许应力[6]。（a）结构的弯矩包络图（b）结构的剪力包络图图三时程分析结果2.4.3.2位移计算结果结构顶部29号节点的位移时程图如图五所示，可见结构的最大位移为132mm，小于结构的容许位移200mm。（a）桁架最大内力（b）梁的最大内力图四结构内最大应力图五结构的位移时程图（29号节点）2.5结论通过分析计算，该模型满足强度和刚度的要求。还可以知道，结构受力是底层受力最大，最上层结构受力最小，在扭转是最上层受扭动力最大，由于本结构经过多次实验和模拟计算，计算结果和实际检测数据基本吻合。所以在结构的使用过程中注意对最上部和最下层的保护，必要时可以适当加固，保证架桥的过程顺利进行。参考文献：[1]]M.G.Stevart，D.V.RosowsTimedependentRelibailiytofDeterioratingReinofrcedConcreteBridges[J]SturcutralSafety2001，127(4):406一411[2]叶裕明等，ansys土木工程应用实例「M」，北京，中国水利水电出版社，2005[3]张效忠、江爱民、廖小辉等，预应力钢筋混凝土简支T梁的裂缝分析「J」，浙江建筑2009,26(8):31-34[4]卢绪庆，桥梁施工用组合钢塔结构分析与研究[D],西南交通大学，2007年[5]MelchersRE.Assessmentofexistingsturcuters一proachesandresearchneeds[J].JunralofSurtcturalEngineering，AsCE，2001，127(4)[6]张效忠，白若阳，江爱民等，海冰的本构关系及其抗压强度研究「J」，力学与实践，2009，31(6):50一57附：作者简介姓名：李卫华性别：女工作单位：浙江省衢州市经济开发区管理委员会办事中心学历：本科专业：道路与桥梁工程职称：工程师联系邮箱：E-mail:[e-mail]联系电话:[phone]