（机械电子工程专业论文）非滑道基础上大型钢结构分层建造技术研究.pdf

中文摘要 大型钢结构物如海洋石油平台、“鸟巢”体育场等，已经走进了人们的日常生 活，发挥了越来越大的作用，对大型钢结构物的研究也越来越受到人们的重视。 但传统的研究着眼于对钢材本身性能和加工工艺以及整体结构形式的研究，而往 往忽略了对施工过程的安全性分析。 本文结合青岛镍矿项目工程实际，以3 m 1 0 1 模块为例，对基于a n s y s 软件的 大型钢结构件的结构及载荷特点、有限元建模及其力学分析方法进行了研究。从 模型的建立，到载荷的施加，再到临时支撑位置的优化，全部过程都是应用a p d l 语言进行编程计算。对大型钢结构的分层建造过程分析了逐层的结构应力和变形 情况，对一些应力和变形较大的关键节点进行了单独建模和网格细化，使计算精 度进一步提高。同时计算了在非滑道基础上各支撑垫墩的沉降和支点反力，分析 了由于各支撑垫墩的不同沉降对结构安全性能造成的影响，并首次应用a n s y s 进 行了临时支撑位置的优化( 传统的优化都是优化形状尺寸) 。将增加临时支撑后的 结构应力和变形情况与未加临时支撑时进行比较，阐述了增加临时支撑的必要性。 通过验证风载荷和地震载荷对钢结构分层建造过程的影响，使问题的分析更趋全 面。 本文的分析模拟结果与青岛施工现场实际情况进行比照，与实际结果吻合较 好，证明了有限元力学计算符合工程实际需要。本文的建模和分析方法为同类结 构件的有限元力学分析提供了借鉴。 关键词：钢结构a p d l 分层建造优化设计 a b s t r a ct i nt h ep e o p l e sd a i l yl i v e s ，t h e r eh a v eb e e nm o r ea n dm o r el a r g es t e e ls t r u c t u r e s s u c ha so f f s h o r ep l a t f o r m s ，b e i ji n gn a t i o n a lo l y m p i cs t a d i u ma n ds oo n t h e yh a v e p l a y e da ni n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tr o l e a tt h es a m et i m e ，t h er e s e a r c ho nt h el a r g es t e e l s t r u c t u r e sh a sa t t r a c t e dm a n yp e o p l e sa t t e n t i o n h o w e v e r , t h et r a d i t i o n a lr e s e a r c h e s h a v ef o c u s e do nt h ep r o p e r t i e so ft h em a t e r i a l s ，t h ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n dt h e s t r u c t u r ef o r mu s u a l l y s ot h er e s e a r c ho nt h es a f e t yi nt h ec o n s t r u c t i o np r o c e s sh a s o f t e nb e e nn e g l e c t e d i nt h i st h e s i s ，b a s e do nt h ep r a c t i c a le n g i n e e r i n go fq i n g d a on i c k e lp r o j e c t ， s t r u c t u r ea n dl o a dc h a r a c t e r i s t i c s ，c r e a t i n gf i n i t ee l e m e n tm o d e la n df i n i t ee l e m e n t m e c h a n i c sa n a l y s i sm e t h o d sa n ds k i l l so nl a r g es t e e ls t r u c t u r e sb a s e do nt h ea n s y s s o f t w a r ea r er e s e a r c h e d d u r i n gt h ee n t i r ep r o c e s so fc r e a t i n gf i n i t ee l e m e n tm o d e l ， i m p o s i n gl o a da n do p t i m i z i n gt h el o c a t i o no ft h et e m p o r a r ys u p p o r t s ，t h ea p d l l a n g u a g ei su s e d t h ec o n d i t i o n so ft h el a r g es t e e ls t r u c t u r e ss t r e s sa n dd e f o r m a t i o n d u r i n gt h el a y e r e dc o n s t r u c t i o np r o c e s sa r ea n a l y s e d t h em o d a l so fs o m eb e a m s w h i c h h a v eg r e a ts t r e s sa n dd e f o r m a t i o na r er e b u i l d e db yt h ep r o es o f t w a r e ，a n dm o r e a c c u r a t ea n a l y s i si sc a r d e do u t t h ev a l u e so ft h es u p p o r tp i e r s s u b s i d e n c ea n du p l i f t p r e s s u r ea r ec a l c u l a t e d t h ei n f l u e n c eo nt h es t r u c t u r e se x e r t e db yt h ed i f f e r e n tv a l u eo f t h es u p p o r tp i e r s s u b s i d e n c ei sa n a l y s e d t h eo p t i m i z a t i o no ft h et e m p o r a r ys u p p o r t s l o c a t i o ni sc a r d e do u tb yt h ea n s y ss o f t w a r ef o rt h ef i r s tt i m e t h ed i f f e r e n t c o n d i t i o n so ft h el a r g es t e e ls t r u c t u r e ss t r e s sa n dd e f o r m a t i o nb e f o r ea n da f t e ra d d i n g t e m p o r a r ys u p p o r t sa r ec o m p a r e d ，a n dt h es t r u c t u r a lp e r f o r m a n c ei si m p r o v e d t h e i n f l u e n c eo nt h el a y e r e dc o n s t r u c t i o np r o c e s so ft h el a r g es t e e ls t r u c t u r ee x e r t e db yt h e w i n dl o a d sa n dt h es e i s m i cl o a d si sa l s oa n a l y s e dt om a k es u r et h a tt h ec o n c l u s i o n sa r e m o r ea c c u r a t e t h ec o n c l u s i o n si nt h i st h e s i sa r et a l l yw i t ht h ea c t u a lr e s u l t s i tp r o v e dt h a tt h e f i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o ni si nl i n ew i t ht h ea c t u a ln e e d so ft h ep r o j e c t t h em e t h o d so f c r e a t i n gf i n i t ee l e m e n tm o d e la n d f i n i t ee l e m e n tm e c h a n i c sa n a l y s i sc a nb ear e f e r e n c e t ot h es a m ef i n i t ee l e m e n tm e c h a n i c sa n a l y s i s k e y w o r d s ：s t e e ls t r u c t u r ea p d ll a y e r e dc o n s t r u c t i o n o p t i m i z a t i o nd e s i g n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：爵沈玛 签字日期：加_ o 尹 年厂月厂e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：籍沈鸿 导师签名： 签字日期：励口罗年月f 日 签字日期：月万日 第一章绪论 1 1 大型钢结构件简介 第一章绪论 1 1 1 研究大型钢结构件的意义 随着经济和社会的快速发展，随着科学技术的飞速进步，大型钢结构件越来 越多，尺寸越来越大，结构越来越复杂，在社会主义现代化建设中发挥的作用也 越来越突出。 所谓钢结构，顾名思义，就是用型钢或钢板制成基本构件，根据使用要求， 通过焊接、铆接或螺栓连接等方法，按照一定规律组成的承载机构。钢结构在各 项工程建设中的应用极为广泛，如钢桥、高层建筑、搅拌楼，海洋石油平台和钢 桁架结构等。钢结构主要应用在以下几个方面： 1 工业厂房：钢结构的工业厂房用钢量小，基础荷载小，跨度大，空间使 用效率高，综合造价底，平面布置灵活，悬挂方便，是现代工业厂房最 理想的结构。 2 体育场馆：近年来我国的体育、教育事业发展迅速，各地相继建成了各 类体育运动设施，如举世瞩目的北京奥运会主会场中国国家体育场 “鸟巢”主体完全采用钢结构，总共用了约1 1 万吨的钢材。 3 装饰网架：钢结构装饰网架外形美观，结构紧凑，一般采用普通管材或 不锈钢管。 4 综合建筑：采用网架结构建造的火车站、展览馆、多功能厅、各类市场 等，即满足了其功能要求，同时形式各异、配色鲜艳、风格独特，成为 所在地的一道亮丽风景，如武汉火车站和青岛国际会展中心等。 5 专用建筑：如搅拌楼和海洋石油平台等。这些建筑上都要安装许多大型 专业设备，整体载荷较大。 从上面可以看出，钢结构件已经遍布了人们日常生活中的各个方面，无论是 文教体育还是餐饮娱乐，无论是矿山开采还是交通运输，现代化建设的进程离不 开钢结构件。 钢结构件的作用大家有目共睹，其力学性能( 如抗弯、抗拉、抗剪强度等) 尤其重要，关系到整个结构的安全性。如果结构的强度不足，不仅势必影响到其 正常使用，而且极有可能发生危险。设想一下，如果“鸟巢 因为钢结构的强度 问题而导致倒塌，而里面正好在进行比赛，那么会发生什么后果，受到威胁的将 第一章绪论 不仅仅是国家的财产，还有数万人的生命。另一方面，如果结构的强度过高，则 也必将增加建造成本，造成不必要的浪费， c b ) ( c )( d ) a ) 工业厂房( b ) 国家体育场 ( c ) 装饰网梨( d ) 专用建筑 图i - i 钢结构应用实例 因此有必要加强对大型钢结构件的研究，以确保其安全可靠，并力争达到资 源的最优化利用。 11 2 大型钢结构件的特点 一般说来，大型钢结构件有以下特点： ( 1 1 体积庞大既然称为大型钢结构件，那么所说的均为体积较大的结构， 例如一大型混凝土搅拌楼的主楼的长、宽、高分别为7 米、7 米、2 7 米，有的塔式起 重机的高度也有几十米、百米之高 ( 2 ) 结构复杂，零件繁多例如一个混凝土搅拌楼主楼的零件就达二、三千 个之多； ( 3 ) 桁架结构多大型铜结构件一般主要由钢粱和钢板通过焊接、铆接或螺 栓联接而成为桁架结构； ( 4 ) 安全可靠钢材质地均匀，备向同性，弹性模量大，有良好的塑性和韧 性，为理想的弹性塑性体，强度高，可靠性强； ( 5 ) 抗震性能好由于主要承重构件为钢结构，其韧性和弹性较大，榇条的 抗剪和抗扭作用以及柱、粱间的支撑，大大加强了整体结构的稳定性。 大型钢结构件的结构特点和工作状况决定了其载荷特点： ( i ) 钢结构件韵重量是其主要载荷之一，园为大型结构件体积庞大、结构复杂， 第一章绪论 且一般都是钢桁架结构，所以其主要载荷之一就是钢结构件的重量，例如一个海 洋石油平台本身的重量就达几千吨； ( 2 ) 所受风载荷较大，因为大型钢结构件体积庞大、一般工作在露天环境，因 此其受风面积大，所受的风载荷都比较大： ( 3 ) i 作载荷大，例如一个混凝土搅拌楼系统的骨料储料仓承受的载荷约为 3 6 0 吨，一个粉料罐承受的载荷达5 0 0 吨。 1 2 课题的提出 1 2 1 课题提出的背景 2 0 0 8 年8 月，海洋石油工程( 青岛) 股份有限公司与k o n i a m b on i c k e l s a s ( k n s ) 公司( 加拿大x s t r a t a n i c k e l 公司与法属海外领地新卡罗多尼亚 s m s p 公司的合资企业) 签订了k o n i a m b o 镍冶炼厂的主体模块建造项目合同，整 体建造工程将在亚太地区最大的海洋工程制造场地海油工程公司所属的青岛 场地完成。该镍矿项目是海油工程承揽的世界上首例集成化、模块化的大型冶炼 厂主体建造工程。项目包括1 8 个模块，总体重量近4 万吨，其中，最大模块重量达 5 0 0 0 吨，主体为大型钢结构。 为确保整个模块的建造过程安全顺利，并完成全部18 5 - 模块的称重与装船运 输，海洋石油工程( 青岛) 股份有限公司与天津大学签订了非滑道区域模块建造 和装船技术研究两个项目，在这一基础上提出本课题。 1 2 2 国内外研究历史与现状 从1 8 8 3 年美国芝加哥采用钢框架建成世界上第一幢现代高层建筑到现在，大 型钢结构件得到了较快的发展，其高度与日俱增，新的结构体系不断涌现。对大 型钢结构的研究从总体上看可分为两个方向。 1 对钢材本身性能以及加工工艺的研究 大型钢结构件通常采用碳素结构钢( j t l q 2 3 5 等) 和低合金高强度结构钢( 如 q 3 4 5 等) ，它们的塑性和韧性良好，但其物理和机械性能对高温很敏感，耐火性 差。因而国内外在提高钢材物理和机械性能的同时对钢结构的抗火性进行了深入 研究，从传统的单个钢构件的试验方法发展到考虑火灾及结构特性的计算分析方 法【2 。 早在1 9 1 8 年美国就已经开始了混凝土的抗火试验，1 9 3 2 年英国也开始了针对 单根构件的受火试验。1 9 9 5 , - - 1 9 9 8 年英国钢铁公司进行了著名的卡顶顿试验【3 j ， 试验设施为一座八层的钢结构框架，获得了大量关于整体结构火灾反应资料，对 第一章绪论 以后的结构抗火设计具有重要的指导意义。1 9 9 8 年l i e w 采用二阶塑性铰方法分析 了火灾下大开间的半连续钢框架的整体性能。2 0 0 3 年新加坡国立大学的l i e w 在火 灾的性能与高等分析一文中提出了两种火灾模型( 即多区域火灾模型和热辐射 火灾模型) 来模拟开敞条件下的火灾情形1 4 】。 在国内，高温下的钢结构性能研究主要集中在单个构件的稳定性研究和等截 面的整体性研究。l9 9 7 年上海交通大学的赵金城和同济大学的沈祖炎对局部火灾 下钢框架整体性能的非线性进行研究，导出了载荷温度几何刚度矩阵等计算 公式1 5 】。同年同济大学的李国强和张宏德对局部火灾下钢框架中上翼缘无侧移工 字梁的极限状态进行研究，建立了钢框架中上翼缘无侧移失稳挠曲微分方程【6 】。 2 0 0 2 年中南建筑设计院的刘开国采用三方程法及现有有限元分析程序，对火作 用下钢框架结构的温度内力进行分析1 7 。 而对钢结构加工工艺的研究主要集中在对大型钢结构的连接方式方法的改 进。如对其焊接工艺的研究( 如何在焊接过程中控制结构的变形1 8 j ，如何在不影 响焊缝质量的同时提高焊接效率等1 9 j ) ，对螺栓联接强度的分析【1 0 j ，对结构的吊装 和滑移方法的研究等。 2 对钢结构整体性能强度和结构形式的研究 钢结构体系发展到今天已由框架体系、框架剪力坡体系、框架支撑 体系、支撑刚臂体系发展到了框简体系、框筒束体系、筒中简体系、支撑框 筒体系，其中非常流行的一种就是错列桁架结构【l 。 桁架结构的各杆件受力均以单向拉、压为主，通过对上下弦杆和腹杆的合理 布置，可适应结构内部的弯矩和剪力分布。由于水平方向的拉、压内力实现了自 身平衡，整个结构不对支座产生水平推力。结构布置灵活，应用范围非常广。桁 架梁和实腹梁( 即我们一般所见的梁) 相比，在抗弯方面，由于将受拉与受压的 截面集中布置在上下两端，增大了内力臂，使得以同样的材料用量，实现了更大 的抗弯强度。在抗剪方面，通过合理布置腹杆，能够将剪力逐步传递给支座。这 样无论是抗弯还是抗剪，桁架结构都能够使材料强度得到充分发挥。更重要的意 义还在于，它将横弯作用下的实腹梁内部复杂的应力状态转化为桁架杆件内简单 的拉压应力状态，使人们能够直观地了解力的分布和传递，便于结构的变化和组 合。 错列桁架结构是由美国麻省理工学院g o o d y ，h a n s e n 和m e s s u r i e r 等人在美国 钢铁公司的赞助下，于2 0 世纪6 0 年代中期提出的一种新型的、高效能的钢结构体 系。但他们主要从建筑布置和经济性能上对错列桁架结构体系进行了分析，对结 构性能的分析较少【l2 。1 9 6 9 年b a k k e ，k l o i b e r 和n u h n 以美国圣保罗市的老年公寓 工程为例介绍了错列桁架结构体系的设计思路和用钢量，并详细介绍了该工程中 第一章绪论 钢构件受力性能、布置和基本尺寸【l3 。1 9 7 1 年s a c z l i 首先从结构的角度分析了错 列桁架结构在水平荷载作用下柱子、析架和楼板的受力特点和传力途径0 4 】。1 9 7 4 年h a n s o n 等人对交错析架结构体系的抗震设计提出了一种设计法则i l 5 。 国内对钢结构错列桁架体系的研究起步较晚，主要是华南理工大学在9 0 年代 对交错析架体系及其相关课题作过一些研究。1 9 9 6 年，梁启智、梁平对错列桁架 体系的三种形式桁架的抗侧刚度，以及在侧力作用下桁架内力的计算，提出了实 用的手算方法0 6 1 ；合肥工业大学周惟德等人对组合桁架的内力和变形进行了有限 元计算，并总结了一些规律【l7 。1 9 9 9 年，周绪红，蔡益燕等人总结了钢结构错列 桁架结构体系的受力、传力特点以及结构设计要点i l 引。随后以周绪红教授为主的 课题组对钢结构错列桁架结构承载力和变形的弹塑性分析理论、抗震性能、抗风 性能、结构延性等方面进行了系统的研究，并取得了一系列成果。 1 3 本论文的研究内容与目的 从上面的介绍可以看出，长久以来人们对钢结构的研究主要是对其结构的设 计，建造过程的安装以及建成后在使用过程中的安全性的研究。如对海洋石油平 台受波浪和风载荷作用对其结构强度的影响的研究。而对其建造过程中的安全性 研究较少。而本文着重分析非滑道基础上大型钢结构分层建造过程的安全性，无 疑是对这项空白的一种添补。 现代大型钢结构( 如海洋石油平台等) 通常都是采用分层建造的方式。所谓 分层建造，就是指在平地上先建造一层，在另一个地方建造另一层，建好后，将 第二层用吊装的方式安放在第一层上，再通过焊接的方法联接在一起。同时还可 以建造第三层，建好后再按同样的方法与前两层联接。依次进行下去，直到整体 都建造完成。分层建造由于可以在同时建造多层，因此大大缩短了建造时间，提 高了工作效率，从而被广泛采用。 本论文结合青岛镍矿项目工程实际，以3 m 1 0 1 等1 8 4 模块在非滑道区域的建 造过程为例，分析了建造过程中钢结构的安全性。在建造过程中，由于钢结构的 重量较大( 一层通常就有二百吨左右) ，而且是在非滑道基础上进行建造，所以地 基势必会产生沉降。同时由于结构等原因，各桩腿的沉降也会有所不同。如果各 桩腿之间沉降差距过大，钢结构件便可能产生侧翻等危险。而镍矿项目模块不仅 包括钢结构自身的重量，而且需要在各模块上安装设备( 如变压器等) 。由于设备 的重量也很大，钢板是无法承载这么大的重量的，会产生较大变形，故设备一定 是安装在钢梁上的，而钢梁也会产生变形，如果超过了钢材的屈服极限，钢梁会 产生塑性变形，这在建造过程中也是绝对不允许的，所以有必要增加临时支撑。 第一章绪论 建造场地位于青岛，是露天环境，因此在建造过程中必然会受到风的影响。而青 岛又临近地震多发区，所以在建造过程中也要考虑可能发生的地震的影响。 综上所述，本论文的主要内容有： 1 基于大型有限元分析软件a n s y s ，应用a p d l 参数化设计语言，快速建立 了钢结构有限元模型，总结出一些建模规律。 2 用a n s y s 对非滑道基础上的大型钢结构分层建造过程进行了分析模拟，计 算了各垫墩沉降，以确保结构不发生侧翻倒塌等危险。 3 通过运算结果查看钢梁的变形，以确定其是否需要增加临时支撑，以及优 化临时支撑所加的位置。 4 计算各桩腿的反力，为后期的称重和装船运输及垫墩的标准化设计提供实 用数据。 5 考虑风载荷和地震载荷对建造过程的影响，使分析更加完整。 第二章大型钢结构物的a n s y s 快速建模 第二章大型钢结构物的a n s y s 快速建模 2 1 有限元方法与a n s y s 2 1 1 有限元方法 传统的机械结构设计皆依据个人的经验累积而成，以经验总结为基础，运用 长期设计实践和理论计算而形成的经验、公式、图表、设计手册等作为设计的依 据，通过经验公式、近似系数或类比等方法进行设计。 传统设计以经验作出初步的设计，再由此初步的设计去做出原始模型，再做 出成品。成品完成以后，便进行实验以确保产品的可靠性( 此种方法称为试误法) 。 即初级成品经测试不能满足工程或品质上的需求时，再回去修改原设计图，重新 做出试件，然后再进行测试，直到满足需求为止1 1 9 j 。 传统设计方法是一种以静态分析、设计计算、经验设计、手工劳动为特征的 设计方法。显然随着现代科学技术的飞速发展，生产技术的需要和市场的激烈竞 争已经使得传统设计方法不能满足当今时代的要求，c a e 技术便应运而生。 c a e ( c o m p u t e r - a i d e de n g i n e e r i n g ) ，即计算机辅助工程，是用工程上分析的 过程及计算方法来辅助工程师作设计后的分析或进行同步工程。计算机辅助工程 通常包括工程分析、优化设计、仿真技术、试验模态分析等方面。通常一项设计 有可能涉及c a e 技术的多个方面。c a e 技术可以加快设计进程，缩短设计时间， 提高设计精度和设计质量，降低设计成本，因此c a e 技术的发展越来越迅速，应 用越来越广泛。 c a e 中的工程分析方法分为解析法和数值法两大类。解析法是应用数学分析 工具，求解含少量未知数的简单数学模型的一种传统的计算方法。这种方法只对 某些简单问题才能得出闭合形式的解，适用于常规设计计算。对于复杂的结构分 析，有效的途径是应用数值法求出问题的近似解。数值法又分为有限差分法( f i n i t e d i f f e r e n c em e t h o d ；f d m ) 和有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ：f e m ) 两类。有 限差分法是先对连续体的工程问题建立基本微分方程，然后对该方程采用近似的 数值解法，这种近似方法是数学上的近似。而有限元法是先将物体剖分为由有限 个单元组成的离散化模型，然后对该模型求出数值解。它解决问题的途径是物理 模型的近似，而在数学上不作近似处理。有限差分法对于有规则的几何特性和均 匀的材料特性问题，收敛性比较好，程序设计简单。有限元法物理概念清晰，通 用性与灵活性兼备，能灵活妥善处理各种复杂的问题。 第二章大型钢结构物的a n s y s 快速建模 有限元法的基本思想是：将分析对象剖分( 离散) 成有限个单元，这些单元 相互连接在有限个节点上，承受等效的节点载荷，然后根据平衡条件来进行分析， 再根据变形协调条件把这些单元重新组合起来，成为一个组合体，综合求解。由 于单元的个数是有限的，节点数目也是有限的，所以称为有限元法。 图2 - 1有限元分析的流程图 在用有限元法进行结构分析时，需要输入大量的数据，如单元数、单元的几 何特性、节点数、节点编号、节点的位置坐标等。这些数据如果采用人工输入， 工作量大，烦琐枯燥且易出错。当结构经过有限元分析后，亦会输出大量数据， 如静态受力分析计算后各节点的位移量、固有频率计算之后的振型等。对这些输 嚣 第二章大型钢结构物的a n s y s 快速建模 出数据的观察和分析也是一项细致而难度较大的工作。因此有限元分析应分为前 置处理( p r e p r o c e s s i n g ) 、解题程序( s o l u t i o n ) 和后置处理( p o s t p r o c e s s i n g ) 三个 步骤。 在实际的工程技术领域，根据分析的目的，有限元法的应用可以分为以下三 种类型： 一是进行静力分析，也就是求解不随时间变化的系统平衡问题。如线弹性系 统的应力分析，也可以在静电学、静磁学、稳态热传导和多孔介质中的流体流动 等的分析。 二是稳态分析和稳定性分析。是平衡问题的推广，可以确定一些系统的特征 值或临界值，如结构的稳定性分析及线弹性系统的固有特性的确定等。 三是进行瞬时动态分析。可以求解一些随时间变化的传播问题，如弹性连续 体的瞬时动态分析，流体力学等。 2 1 2a n s y s 与a p d l 语言 1 a n s y s 软件 a n s y s 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有 限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国a n s y s 开发。 a n s y s 软件能与多数c a d 软件接口，实现数据的共享和交换，如p r o e n g i n e e r , n a s t r a n ，a l g o r , i - d e a s ，a u t o c a d ，c a t i a 等，是现代产品设计中的高级c a d 工具之一【2 0 | 。 一个典型的a n s y s 分析过程可分为以下三个步骤： ( 1 ) 创建有限元模型； ( 2 ) 施加载荷进行求解； ( 3 ) 查看分析结果。 a n s y s 软件功能的强大与其有着很多的模块应用是分不开的，其最常用的 模块主要有三部分：前处理模块( p r e p 7 ) ，分析计算模块( s o l u t i o n ) 和后处 理模块( p o s t l 和p o s t 2 6 ) 。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分 工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析( 可进行线 性分析、非线性分析和高度非线性分析) 、流体动力学分析、电磁场分析、声场分 析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有 灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度 显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示( 可看到结 构内部) 等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。 软件提供了1 0 0 种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。 第二章大型钢结构物的a n s y s 快速建模 a n s y s 的前处理模块主要实现三种功能：参数定义、实体建模和网格划分。 前处理阶段完成建模以后，用户可以在求解阶段获得分析结果。在分析求解模块 用户可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项，然后开始有限元求 解。当完成计算以后，可以通过后处理器查看结果。a n s y s 程序的后处理包括 两个部分：通用后处理模块( p o s t l ) 和时间历程后处理模块( p o s t 2 6 ) 。 a n s y s 软件提供的分析类型包括结构静力分析、结构动力学分析、结构非 线性分析、动力学分析、热分析、电磁场分析、流体动力学分析、声场分析、压 电分析和优化设计等。 总之，a n s y s 软件功能强大，操作简便，为工程设计提供了很大便利，必 将在未来的工程设计中发挥巨大作用。 2 a p d l 参数化语言 a p d l 是a n s y sp a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g e 的缩写，即a n s y s 参数化设 计语言，它是一种类似于f o r t r a n 的解释性语言，提供一般程序语言的功能， 如参数、宏、标量、向量及矩阵运算、分支、循环、重复以及访问a n s y s 有限 元数据库等，另外还提供简单界面定制功能，实现参数交互输入、消息机制、界 面驱动和运行程序等川。 利用a p d l 的程序语言与宏技术组织管理a n s y s 的有限元分析命令，就可 以实现参数化建模，施加参数化载荷与求解以及参数化后处理结果的显示，从而 实现参数化有限元分析的全过程，同时这也是a n s y s 批处理分析的最高技术。 在参数化的分析过程中可以简单地修改其中的参数达到反复分析各种尺寸、不同 载荷大小的多种设计方案或者序列性产品，极大地提高设计效率，减少分析成本。 同时，以a p d l 为基础用户可以开发专用有限元分析程序，或者编写经常重复使 用的功f i 皂d , 程序，如特殊载荷施加宏、按规范进行强度或刚度校核宏等。 另外，a p d l 也是a n s y s 设计优化的基础，只有创建了参数化的分析流程 才能对其中的设计参数执行优化改进，达到最优化设计目标。 总之，a p d l 拓展了传统有限元分析范围之外的能力，提供了建立标准化零 件库、序列化分析、设计修改、设计优化以及更高级的数据分析处理能力，包括 灵敏度研究等。 2 2 大型钢结构件a n s y s 模型的建立 2 2 1 大型钢结构件建模的特点 根据大型钢结构件实际情况来建立有限元模型，其单元选择一般比较简单， 一般选择一个梁单元和个面单元即可。但是建模也存在一些难点： 第二章大型钢结构物的a n s y s 快速建模 ( 1 ) 工作量大因为大型结构件结构复杂、零件繁多，所以建立有限元模型 的工作量相当大； ( 2 ) 模型对接麻烦因为建立模型的工作量大，一般都要分成几部分由多个 人共同完成，所以在模型对接时比较麻烦； ( 3 ) 有限元模型大，计算量大因为大型钢结构件尺寸大、结构复杂、零件 多，所以划分的单元数量大，有的单元数达6 0 7 0 万之多，所以计算机的计算量 相当大。 2 2 2 大型钢结构件的a n s y s 建模过程 因为大型钢结构有限元建模有其独自的特点和难点，所以在用a n s y s 建立模 型时也应该注意一些方法和技巧。下面以青岛镍矿项目的3 m 1 0 1 模块为例简述建 模过程，其大体可分为以下几步。 1 建立模型的前处理 为便于建模，在建模过程中，在不影响分析要求的条件下必须进行一些简化： ( 1 ) 大型钢结构件主要由钢梁和钢板通过焊接、铆接或螺栓联接而成，在分析 建模时将这些联接当作刚性联接； ( 2 ) 相对于主体钢结构所受的主要载荷很小的部件，如果只是考虑其主要结构 件，在建立模型时不予考虑；但如果是要进行细节运算分析时还须考虑； ( 3 ) 对不须进行力学分析的部件，在分析中只起到施加重力载荷的作用，即将 其作载荷处理，无须建立实际模型。 3 m 1 0 1 模块主要有钢梁和钢板两类构件。钢梁在工作中受力有拉应力、压应 力、剪应力等各种应力的组合，并且均为细长空间梁，所以采用b e a m l 8 9 作为钢 梁的单元。b e a m l 8 9 是一种3 d - 次有限应变粱单元，每个节点有7 个自由度，即 x ，y ，z 三个方向的平动和绕其的转动以及翘曲量，可以输出一般性的应力与应变， 如轴向力、弯矩、切向应变、曲率和切应力等，节省计算资源和时间。而s h e l l 9 3 是8 节点结构壳单元，具有塑性、应力刚化、大变形以及大应变的能力，可以承受 面内载荷和横向载荷，因此选择s h e l l 9 3 单元作为钢板的单元。 为了方便建模，选取默认的笛卡尔坐标系作为建立模型的坐标系，即水平面 是x z 平面，竖直方向是y 轴方向。为方便建模和坐标计算，坐标系的原点选取在 其第一层平面的一个角点。 2 模块化建立模型 因为模型大、模型建立工作量大。所以要将模型分成若干块各自独立分块建 立模型。根据实际几何结构和参数，采用自下而上的方法建模。并且因为建模过 程中不可避免要进行修改，所以要采用a p d l 命令流的方式建模。整体建模思想 第二章大型钢结构物的a n s y s 快速建模 如图2 2 所示： 3 m 1 0 l p o s i t i o n d a t a m a ct p d a t a m a c k p l a n e * m a ck p l a n e e l m 譬 i 主要节点位置数组x o y 和y o z 面内节点类型x o y 和y o z 面内建模 x o z 由内的建模 l x 。一r | iv o z n 计ix o z 一l 图2 2 整体建模思想示意图 首先，通过观察分析图纸，3 m 1 0 1 模块由x o y 、x o z 和y o z - - - 个方向的平面 组合而成，每个方向上又可分为多个小模块的排列组合。在建模时，先用a p d l 语言对各小模块进行编程，然后调用各个模块，使其组成各平面，再由各平面组 成整体模型，对独特的地方再单独画出，这样可以大大减少建模时间，提高建模 效率。组成各平面的小模块如图2 3 所示： 图2 3 组成3 m 1 0 1 的基本模块 采用a p d l 语言编制主要节点位置数组宏文件、节点类型宏文件等，这些在 下面建立其它模块的模型时还将用到。在建模时还要注意很多问题。 ( 1 ) 采用间接建模的方法。即首先建立关键点，然后根据关键点连成线，再由 线连成面。如果采用直接建节点、再生成单元的方式，则如果要修改就比较麻烦。 这是因为大型钢结构件模型大，有限元模型线、面、节点和单元编号是自动生成 的，而在建立过程中不可避免要进行修改调整，如果一有调整修改，势必造成这 些编号自动改变，从而就得重改其中的程序，增加很多工作量，也就是说其修改 性差。而如果采用前一种方式其可修改性就好很多，可减少很多工作量。 酗酗酗 囱囱囱 圈圄圈 圜一闽一圜园一园园 日一日一日一 第二章大型钢结构物的a n s y s 快速建模 ( 2 ) 不能断点。一条线( 或面) 上的一点必须是构成其线( 或面) 的一个构成元 素。例如，有三个关键点l 、2 、3 在同一条直线上，但在生成线时只是过关键点l 和关键点3 画了一条线( l ，l ，3 ) ，而不是先过关键点l 和关键点2 画了一条线( l ， l ，2 ) ，再过关键点2 和关键点3 画了另一条线( l ，2 ，3 ) ，而关键点2 又是在关 键点2 和关键点4 生成的线上，这时如果加载计算就势必出错。这是因为在关键点2 处出现了断点。再如，由四根粱焊成一个矩形架，再将一块钢板平铺在矩形架上 焊牢。如果这时以四个关键点为元素建立模型，则与实际情况不符，在加载计算 时四根梁除四个关键点与钢板连在一起外，其余与钢板都是脱开的。所以这里应 该是以四条线为元素建立模型才对，否则需要反复使用a s b l 命令在建模后用线把 面割透。 ( 3 ) 在建立面元素时，有时出现“u 形这种情况，即没有形成一个封闭的曲 线框，而如果直接用“a l ”命令就不行，这时就可画一条直线将该缺口封闭起来， 但是把这条线的截面参数设置为很小很小，这样有四条封闭的线就可用“a l 命 令画这个面了。 ( 4 ) 尽量减少程序量、减少计算机运算量，提高运算速度。努力寻找编程规律， 多用“k g e n ”、“l g e n 等可减少程序量的命令，以提高计算速度。 ( 5 ) 各部分模型建好、调试无误后，就可将它们叠加在一起组成整体模型。在 叠加模型时，因为有限元模型线、面、节点和单元编号是自动生成的，后面程序 的线、面、节点和单元编号将会改变，如果不在编程时预先考虑，则在程序组合 叠加在一起后，程序必将出错，所以可采用在关键点、线、面、节点和单元编号 前加一个变量的办法来解决。即后面程序关键点、线、面、节点和单元编号起点 就是紧接前面程序关键点、线、面、节点和单元编号的最后编号，也就是说该变 量的值为前面程序段的关键点、线、面、节点和单元编号的最后编号。这样就可 将各程序直接组合叠加在一起即可。如果后面程序用了“k g e n ”等复制命令， 则必须在该命令之前加“n u m s t r 命令，否则在自动产生编号时也会出错。 3 单元划分 建立好整体模型后，就可以赋予各点、线、面的实截面参数及其相应的单元 类型，根据点、线、面的实际情况选择单元划分的尺寸大小，对单元大小、疏密 进行控制，对各几何要素进行单元划分，得到各部分的单元模型。虽然组成3 m 1 0 1 模块的梁数量众多，但其截面形状可分为圆管，工字型和自定义截面三种，用到 梁横截面库中的c t u b e 型梁和i 型梁，以及自定义的梁截面。 由于3 m 1 0 1 模块中的粱共有c h s 6 0 0 等1 9 种圆管，h n 5 0 0 等2 6 种h 型钢以及 p g 0 5 0 0 4 等3 9 种p g 型钢，数量众多，如果个个输入截面尺寸明显费时费力，所 以可以通过a p d l 语言建立一个宏文件，里面定义了各梁的截面尺寸，在需要时 第二章大型钢结构物的a n s y s 快速建模 调用即可，这再一次充分体现t a p d l 命令流编程的优越性。此外，在赋予截面 属性时，梁的截而方向也是值得注意的地方，一定要和实际情况保持一致，否则 将对计算结果产生巨大影响。为此可以定义截面控制点，用来控制梁截面的方 向。生成截面控制点的命令如下： i s , e l l i n e 1 m x! 选线( 替换选线的命令) k s l l ，s! 选线的节点 + g e t ，k m x ，k p ，0 ，n u m ，m a x ! 端点号 + g e t ，k m n ，k p ，0 ，n u l l l ，r a i n l , k x ( k r x ) ，- 1 0 0 ，k z f k m x ) ! 生成k bk e 控制截面的点 k ，k x ( k m n ) ，一1 0 0 , k z ( k m n ) + g e t ，f l a g k , k p ，0 ，n t l m ，m a x ! 获取最大k p 号 l a t t , 1 ，1 ，f l a g k , f l a g k - i ，h n 9 0 0 1 将选中的线替换成截面属性 其中加! 号的部分为注释语句，在a n s y s 运行过程中不执行。 巧乒2 、_ l 一 遗 涮 n朋 。义。以 心 一釜葺幺 罱= 茹厂= = 了= = = = 嚣甜 ( a ) c t u b e 型粱截面b ) i 型粱截面 0 ) 自定义粱截面形状 图2 43 m 1 0 i 模块所用的截面形状 3 m 0 1 模块单元采用真实形状显示后的有限元模型如图2 5 所示。该模型划 分了1 2 6 6 5 个b e a m 8 9 单元及1 2 3 6 2 个s h e l l 9 3 单元，节点共计6 1 9 2 3 个，单 瑟瑟瑟誉 舞薰姑 第二章大型钢结构物的a n s y s 快速建模 元尺寸为5 0 0 m m 。材料选取q 3 4 5 ，力学属性为弹性模量2 0 6 g p a ，密度7 8 5 0 k g m 3 泊松比03 。 圈2 - 53 m i o i 模块的有限元模型 2 23 其余模块有限元模型的建立 青岛镍矿项目一共有1 8 个模块，前面以3 m 1 0 1 模块为例详细介绍了使用 a p d l 语言参数化建立大型钢结构物的a n s y s 有限元分析模型的过程。在建立 3 m 1 0 1 模块时自始至终采用的都是参数化建模，编制了主要节点位置数组宏文 件、节点类型宏文件、基本模块宏文件和截面形状