钢框架结构在自重和雪载荷下的静力学分析

任务和要求：

按照钢框架结构的尺寸和载荷情况，在ANSYS中建立模型，完成整个静力学分析过程。求出钢框架结构的最大平均应力和节点沿x,y,z三个方向的最大变形，通过对结果的分析处理，为钢框架结构的优化设计提供重要的分析数据。计算分析时考虑结构的自重和最大雪载荷，结构自重作为惯性力，以加速度的方式施加；雪载荷为竖向分布载荷，借助表面效应单元施加。

1、原始数据

(1) 计算模型和坐标数据

钢框架结构总尺寸为8m×8.4m×7.2m，模型如图1、图2所示。

图1 图2 坐标数据：

坐标点 X Y Z 坐标点 X Y Z 1 0 0 0 9 5000 7200 0 2 0 5400 0 10 6700 5400 0 3 1600 5400 0 11 6700 7000 0 4 1600 7000 0 12 8400 5400 0 5 3300 5400 0 13 8400 7000 0 6 3300 7000 0 14 10000 0 0 7 5000 0 0 15 10000 5400 0 8 5000 5400 0

(2) 材料数据

弹性模量E=2.06E5 泊松比μ=0.3 质量密度ρ=7.85E-9

(3) 载荷数据

1、钢管和梁的重量 钢重量密度γ=78.5kN/

重力加速度 g=9800mm/

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2、屋顶雪载荷 P=0.25kN/

(4) 边界条件

钢框架结构与地接触点的三个方向位移和转角全约束。

(5) 单元类型、实常数和截面类型 梁单元：Beam 189 主立柱：钢管Ф180×10

=80mm

=90mm

大横梁：工字钢210×180×8×20 屋顶各梁：工字钢150×100×6×10 屋顶梁支撑：钢管Ф50×8 壳单元：Shell 93 厚度2.5 表面效应单元：Surf 154

2、分析步骤 (1)前处理

1、选择单元类型菜单路径：【Preprocessor】→【Element Type】→【Add/Edit/Delete】，执行选择单元类型菜单路径命令，弹出定义单元类型对 话框，单击[Add...]按钮，弹出单元类型库对话框，然后选择“Beam 3node 189”梁单元，单击[OK]按钮。

用同样的方法选择“Shell 8 node 93”壳单元和“Surface Effect 3D Structural 154”表面效应单元，单击[OK]按钮。 2、设置单元实常数。菜单路径：【Preprocessor】→【Real Constants】→【Add/Edit/Delete】，执行设置单元实常数菜单路径命令，弹出对话框后，单击[Add...]按钮，选择“Shell 93”单元，并单击[OK]按钮，弹出定义实常数对话框，在“TK(I)”中输入“2.5”，单击[OK]按钮。 3、 设置梁单元截面数据。菜单路径：【Preprocessor】→【Sections】→【Beam】→【Common Sections】,执行设置梁单元截面数据菜单路径命令，弹出对话框后，在“ID”中输入“1”,在“Sub-Type”中选择“◎”（圆管），在“

”输入“80”，在“

”中输入“90”，单击

[OK]按钮，完成主立柱的梁单元截面数据的设置。 用同样的方法设置其余梁单元截面数据： 大横截面梁：工字型，屋顶各截面梁：工字型，屋顶梁支撑截面：圆管，

=180，=100，=17，

=180，=100，=25；

=210，=8，=8，=20； =150，=6，=6，=10；

在设置截面数据时，都要改变截面号“ID”的数字，分别使用“2”、“3”、“4”。 4、 设置材料性能数据。菜单路径：【Preprocessor】→【Material Props】→【Material Models】，执行设置材料性能数据菜单路径命令，弹出定义材料性能数据对话框，选择右侧材料有关变量依次双击“Structural”→“Linear”→“Elastic”→“Isotropic”,在出现的对话框中，输入弹性模量“EX=2.06E5”和泊松比“PRXY=0.3”数值，单击[OK]按钮，然后双击“Density”,输入材料质量密度“7.85E-9”，单击[OK]按钮，并退出对话框。

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5、 建立几何模型使用如下菜单路径 生成关键点菜单路径：【Preprocessor】→【Modeling】→【Create】→【Keypoints】→【In Active CS】；

生成直线菜单路径：【Preprocessor】→【Modeling】→【Create】→【Lines】→【Lines】→【Straight Line】； 用线分线菜单路径：【Preprocessor】→【Modeling】→【Operate】→【Booleans】→【Divide】→【Line By Line】； 复制关键点菜单路径：【Preprocessor】→【Modeling】→【Copy】→【Keypoints】； 复制直线菜单路径：【Preprocessor】→【Modeling】→【Copy】→【Lines】； 生成面菜单路径：【Preprocessor】→【Modeling】→【Create】→【Areas】→【Arbitrary】→【By Lines】。 建立几何模型步骤：

第一步：用生成关键点菜单路径命令，按顺序输入各关键点坐标数据。 第二步：用生成直线菜单路径命令，生成各直线。

第三步：用分线菜单路径命令，用3-4，5-6，10-11，12-13直线分别分2-9，9-15斜线，得到两斜线上四个关键点。 第四步：生成屋顶支撑线。

第五步：用复制直线菜单命令，Z向复制屋顶直线4次，直线距离为-2000。

第六步： 用复制关键点菜单路径命令，复制主立柱底关键点，复制距离为-8000。 第七步：生成所有直线，形成整个钢框架。

第八步：最后用生成面菜单路径命令，画出屋面。 画出的模型图如图3、图4所示。

图3 框架模型

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图4 屋面模型

6、给几何模型赋属性。 菜单路径：【Preprocessor】→【Meshing】→【MeshTool】，弹出分网工具菜单，在顶部下拉菜单中选择“Lines”，然后单击[Set]按钮，选择框架结构前面立面的3条主立柱直线，单击[Apply]按钮，弹出附属性对话框，选择属性：材料号“MAT”为“1”，实常数号“REAL”为“1”，单元类型号“TYPE”为“1 Beam189”,截面号“SECT”为“1”，并激活“Pick Orientation Keypoints”，单击[OK]按钮，用鼠标在前面立面选择确定梁单元Z轴方向的“K”点，单击[OK]按钮。

用同样的方法对后面立面3条主立柱直线赋置属性，只改变确定梁单元Z轴方向的“K”点。

用同样的方法给大横梁和屋顶各梁赋置属性，赋置属性时只改变截面号和选择不与该梁共线的一点“K”，确定梁单元Z轴方向，以便使各梁摆放位置与设计一致。 7、设置网格划分尺寸。 菜单路径：【Preprocessor】→【Meshing】→【MeshTool】，单击线尺寸[Set]按钮,用鼠标在图形窗口拾取直线，单击[Apply]按钮，在弹出的对话框“NDIV”中输入尺寸数值，单击[OK]。主立柱设置尺寸数值为“20”，大横梁和屋顶各梁设置为“10”，屋顶梁支撑管设置为“5”。

8、几何模型划分网格。 菜单路径：【Preprocessor】→【Meshing】→【MeshTool】，在“Mesh”下拉菜单中选择“Lines”,然后按[Mesh],选择所有直线，单击[OK]按钮，画出框架立柱和各梁单元模型，如图5所示。

在顶部下拉菜单选择“Global”,然后单击[Set]按钮，弹出附属性对话框，选择属性：材料号“MAT”为“1”，实常数号“REAL”为“1”，单元类型号“TYPE”为“2 Shell93”,截面号“SECT”为“NO Section”，单击[OK]按钮。在“Mesh”下拉菜单选择中选择“Areas”,在“Shape”菜单中选择“Quad”和“Free”,然后单击[Mesh]按钮，选择屋顶面，单击[OK]按钮，画出屋顶面单元模型，如图6所示。

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