空心截面梁ANSYS有限元分析研究.docx

          空心截面梁ANSYS有限元分析研究                    摘要:钢架梁在日常生活中应用广泛，其截面形状是影响承载能力最关键的因素之一为了以最少的原材料满足结构强度、刚度要求，利用ANSYS对一个横截面为矩形的钢梁进行了优化设计，得到了最大挠度和最大应力等计算结果基于ANSYS软件的优化设计功能，在有限元分析的基础上对钢架梁空心管截面进行优化设计通过计算相关参数在给定范围内的变化以及其所影响的输出参数的相应变化来确定优化方案，进而得到想要的结果关键词: ANSYS；优化设计；空心截面一、引言自从改革开放以来，我国社会主义市场经济快速发展，一栋栋建筑雨后春笋般拔地而起,建筑业得到蓬勃发展随着“环境友好型、资源节约型”社会理念的不断深入民心，人们对生存环境的要求越来越高,对建筑有着功能性、舒适性、生态性的需求因此,在推崇节能环保的社会大环境下，建筑结构优化设计有着必然的需求建筑优化设计不仅能符合经济社会和生态环境的要求,还能满足建设者和需求者的需要,为投资者实现控制建设成本，提高建筑安全实用性能有效利用优化设计技术手段,可以减少资源消耗，提高经济效益，从而实现社会整体效益最大化。

所以结构设计节能环保已成为当今研究不可缺少的课题之一[1]本文利用ANSYS软件的优化设计功能，在有限元分析的基础上对钢架梁空心截面进行优化设计ANSYS软件中主要利用的是其Design Explorer模块进行优化设计，该模块的支持方法是广义最优化方法中的实验法实验法是不谋求建立、求解数学模型，而主要通过实验的结果，来比较不同方案、不同参数的好坏以此来选择最优方案[2]二、优化模型分析钢架空心截面梁主要由矩形和截面由内外两个半径不一样圆心组成本文只针对钢架梁空心截面进行优化设计，以使其钢架梁在同样可以承受的工作载荷作用下，其总变形量及最大正应力最小1.矩形外伸梁截面分析这只是初始设计值，并不是设计的最优值模型在ANSYS软件中进行有限元分析及优化设计在进行有限元分析前，需建立计算的几何模型可以采用ANSYS 中工具直接建模建立的梁模型参数如表1及图1所示表1 梁的有关参数宽度b高度h跨度l支座与作用点距离a弹性模量E泊松比μ20mm40mm700mm125mm206GPa0.26图1 梁的加载模型由梁的受力及支座情况，可以得出在梁荷载中间为纯弯曲，且存在最大弯矩，最大的正应力位于该段梁横截面上距中性轴最远处。

原矩形截面时理论计算分析最大正应力及最大挠度结果如表2所示表2 矩形外伸梁计算结果截面惯性矩抗弯截面系数最大正应力最大挠度106666.7mm45333.3mm35.86MPa0.06mm2.空心截面梁优化分析(1)优化的空心截面形状优化的钢架空心梁截面形状及材料参数如表3所示该截面半径d为21mm和半径d为14mm的圆形根据构造要求，大圆形内壁与小圆边界连接共同承受力及力偶作用时，易发生弯折，导致结构破坏，要保证满足一定的强度、刚度等承载力要求，降低钢架空心梁截面所承受的最大弯矩与应力，从而达到提高钢架空心梁的截面有效利用率的效果表3 优化空心截面梁的有关参数大圆直径D小圆直径d厚度t支座与作用点距离a弹性模量E泊松比μ42mm28mm70mm125mm206GPa0.26图2 优化空心截面梁形状及单元划分（2）优化空心截面理论分析A.最大正应力在计算钢架空心梁截面的截面惯性矩时，大圆形截面与小圆形截面有共同中性轴，且中性轴为形心轴，可直接用大圆形的截面惯性矩减去小圆形的截面惯性矩得到优化后的梁截面惯性矩B.最大挠度3.优化截面ANSYS数值分析随着现代科学技术的发展,在计算机技术和数值分析方法支持下发展起来的有限元分析方法则为解决这些复杂的工程分析计算问题提供了有效的途径。

分析计算过程不再依赖人工结构分析，减少了结构设计过程中不断重复设计所消耗的时间，缩短了设计开发的周期，减少设计成本，增加产品和工程的可靠性，还能在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题，从而提高精度，提高产品质量，增强企业的竞争力在工程实践中,有限元分析软件与CAD系统的集成应用使设计水平发生伟大飞跃利用ANSYS有限元分析软件进行结构优化设计的基本原理，对组成钢架梁的空心管的截面进行了优化设计[3]1）有限元模型及结果选用的有限元单元类型为beam188梁单元，进行了网格划分，与原矩形截面梁加载条件相同，建立完成有限元分析模型通过对受两个集中力作用的钢架空心梁构件进行了有限元分析结果如图3所示根据建立的模型坐标，，最大挠度应在ANSYS后处理中显示UY，其最大挠度为0.053mm；横截面上的最大正应力应在ANSYS后处理中显示UX，其最大正应力为5.35MPa图3 ANSYS挠度及横截面正应力云图（2）与理论分析对比该结构钢架空心梁截面分析理论计算分析结果中最大的应力值为5.1Mpa，最大挠度0.052mm,符合安全要求此时对受两个集中力作用的梁构件优化截面进行了有限元分析，与理论值相比应力大大提高，挠度有所降低。

ANSYS模型建立时单元的大小个数对实验结果具有一定影响，挠度与应力大小变化在误差允许范围内，所以优化结果是合理的由此说明了有限元分析技术在优化设计中的应用价值，抛弃了传统结构设计的被动校核方法，进而主动地在可行域内寻求最佳设计方案，很大程度.上减少了设计成本和设计周期，同时为更为复杂的结构设计提供了新的方法三、结论与总结通过文中分析结果，可以得出以下结论：钢架空心梁在受到荷载作用时，当荷载相同、梁截面积相同的情况下，综合分析截面不同时位移变化与应力变化，比较得出，钢架空心截面梁比矩形截面梁具有更高的刚度及抵抗变形的能力通过上面程序的计算和理论结果相比，最大挠度（即位移方向）吻合较好，至于弯曲正应力问题，在吻合方面较差一些，主要原因究如下：1.理论解是在纯弯曲情况下得到，略去了剪切力的作用，而在ANSYS数值模拟时，考虑了剪切力的影响，所以理论结果偏小；2.考虑的最大弯曲应力都是指在固定端处，而根据力作用于杆端方式的不同，只会使与杆端距离不大于杆的横向尺寸的范围内受到影响，所以实际上最大弯曲应力点应取在离固定端处一定距离范围内，现在简化到固定端处，结果肯定也有所偏差就以上分析来看，有限元结果更为精确，可以运用有限元模型很好得进行模拟。

3.空心圆形截面梁，其梁的半径对梁的变形位移分析也会有一定的影响缩小相关尺寸，可以使梁在受力方向上具有更好的刚度及强度但是在优化过程中，也应该结合工程实际，考虑梁的侧向刚度和强度，选择最优比例；对于梁横截面上的剪切应力作用，一般忽略不考虑，因为对于细长梁而言，剪应力作用甚微参考文献[1]卢险峰.最优化方法应用基础[M].上海:同济大学出版社，2003.[2]浦广益. ANSYS Workbench 12基础教程与实例详解[M].北京:中国水利水电出版社,2012.[3]姚道壮,杨建国,吕志军.基于ANSYS 的货架立柱截面优化设计[J].东华大学学报,2011,37(4):438-441.基金项目：2021年山东协和学院实验室开放项目《基于ANSYS的矩形钢梁截面形状的优化设计》（项目编号：2021SYKF30）  -全文完-。