1、Ansys 对工字钢倾覆稳定性和压弯构件的稳定性计算分析 受弯构件件和压弯杆件广泛应用于工程中，本报告通过 ansys 软件对这类杆件进行分析，对于轴心受压杆件，运用 beam189、 shell63 单元，进行弹性稳定分析，得到其屈曲荷载和变形情况，通过和理论值相比较，验证其正确性。 1 前言 钢材具有高强度、质轻、力学性能良好的优点，是制造结构物的一种极好的建筑材料，所以广泛运用于工程实例中，它和钢筋混凝土结构相比，对于充任相同受力功能的构件，具有截面轮廓尺寸小、构件细长和构件柔薄的特点。对于因受压、受弯和受剪等存 在受压受压区的构件或板件，如果技术上处理不当，可能使钢结构出现整体失稳或局
2、部失稳。失稳前结构物的变形可能很微小，突然失稳使结构物的几何形状急剧改变而导致结构物完全丧失抵抗能力，以致整体塌落。钢结构的稳定性能是决定其承载力的一个特别重要的因素。对于钢结构稳定性的研究也就极其重要。而轴压杆件和压弯杆件是钢结构的基础，对此杆件进行稳定性分析也就是不可避免的和尤为重要的。所以，非常有必要利用大型通用 ANSYS软件对这类杆件进行分析，得到一系列的研究成果。 2 基本理论 结构在荷载作用下由于材料的弹性性能而发生变形，若变 形后结构上的荷载保持平衡，这种状态称为弹性平衡。如果结构在平衡状态时，受到扰动而偏离平衡位置，当扰动消除后仍能恢复到原来平衡状态的，这种平衡状态称为稳定平
3、衡状态。根据构件屈曲后的变化，目前结构的稳定类别可以分为平衡分岔失稳，极值点失稳和跃越失稳三种情况。 结构的弹性稳定分析属于平衡分岔失稳，在 ANSYS 中对应的分析类型是特征值屈曲分析。 关于特征值屈曲分析有以下说明： 1.分析对结构临界失稳力的预测往往要高于结构实际的临界失稳力，因此在实际的工程结构分析时一般不用特征值屈曲分析 2.特征值屈曲分析能够预测临 界失稳力的大致所在，可以为非线性屈曲分析及其他试验提供依据 3.特征值屈曲分析所预测的结果我们只取最小的第一阶 4.特载值分析得到的是第一类稳定问题的解，只能得到屈曲荷载和相应的失稳模态，它的优点就是分析简单，计算速度快。 3 计算实例
4、分析 3.1 构件尺寸依据 3.1.1 关于整体稳定 根据 GB 50017-2003钢结构设计规范 符合下列情况之一时，可不计算梁的整体稳定性： 1.有辅板（各种钢筋混凝土板和钢板）密铺在梁的受压翼缘上并与其牢固相连，能阻止梁受压翼缘的侧向位移时。 2.H 型钢或等截面工字形简支梁受压翼缘的自由长 度与其宽度之比不超过 4.2.1所规定的数值时。 本次有限元分析采用 Q345 工字钢，荷载作用在上翼板，采用 l1/b1 大于 10.5，确保结构可能发生失稳。 3.1.2 关于局部稳定 根据结构设计原理中公路人以及弹性稳定理论，考虑翼缘板对腹板的嵌固作用和钢板的初始缺陷影响，推导知当 hw/t
5、w大于 136（ Q345 钢）时，梁才发生弯曲失稳。故参照 JTJ025-86公路桥规规定，本有限元分析在不设置加劲肋条件下，选用高厚比小于等于 60，以保证梁的腹板不发生局部失稳。 3.2 有限元分析结构选择 采用两端简支的工字钢，截面尺寸分 别于下表所示，计算长度 l1 为 20m，取弹性模量 E=210Gpa，剪切模量 G=79Gpa，利用 ansys 软件求解 杆的弹性弯曲屈曲临界失稳荷载值。 改变翼缘厚度 跨径 高度 翼缘宽 翼缘厚度 腹板厚 宽厚比 高厚比 20 1 0.48 0.04 0.016 6 57.5 0.032 7.5 58.5 0.028 8.6 59 0.02 1
6、2 59.25 不同高厚比 跨径 高度 翼缘宽 翼缘厚度 腹板厚 宽厚比 高厚比 20 1 0.48 0.04 0.016 6 57.5 0.04 0.018 6 51.1 0.04 0.020 6 46 0.04 0.024 6 38.3 压弯构件尺寸选取： 压杆截面尺寸： 250mm*250mm，壁厚为 10mm，长度为 10m；加劲肋厚度10mm。高度分别为 10mm,20mm,30mm,50mm。边界条件为两端铰支。 3.3 理论值计算公式 对薄壁工字形截面梁 ,在不同荷载作用下的临界弯矩采用以下公式计算 式中 GJ、 EIw 分别为截面侧向抗弯刚度和自由扭转刚度、 1、 2、 3 为
7、与荷载相关的系数，其值见表； a 为横向荷载作用点至剪切中心的距离 ,荷载在剪切中心以上为正值 ,反之为负值 ; y 表征截面不对称特性。 3.4 有限元建立 （ 1）创建模型；（ 2）获得静力解；（ 3）获得特征值屈曲解；（ 4）查看结果。 3.4.1 创建模型 Beam189 单元 Finish /cle /prep7 et,1,beam189,1 sectype,1,beam,i,2 secoffset,cent b=0.48$h=2.000$t1=0.032$t2=0.016$l=20$f=-1 secdata,b,b,h,t1,t1,t2 mp,ex,1,2.06e11$mp,gxy
8、,1,7.9e10$mp,dens,1,7850 k,1$k,2,l/2$k,3,l$k,4,l/2,l/2$l,1,2$l,2,3 latt,1,1,4,1$lesize,all,30$lmesh,all dk,1,ux,uy,uz,rotz$dk,3,ux,uy,rotz fk,2,fy,f /view,1,1,1,1$/eshape,1 Shell63 单元： Finish /clear /prep7 l=20$w=0.48$tw=0.04$tf=0.016$h=1 et,1,shell63 mp,ex,1,2.06e11$ mp,prxy,1,0.3 blc4,l,h$wprota,-
9、90$wpoff,tw/2$blc4,l,w/2 agen,2,2,0,h-tw$agen,2,2,3,1,w/2$aglue,all$numcmp,all r,1,tf$r,2,tw$asel,s,1$latt,1,1,1$asel,s,2,5,1$latt,1,2,1 allsel,all$esize,0.2$ms hkey,1$amesh,all lsel,s,loc,x,0 dl,all,ux$dl,all,uy$dl,all,uz$dl,all,rotx$dl,all,roty lsel,none lsel,a,loc,x,l$dl,all,ux$dl,all,uy$dl,all,r
10、otx$dl,all,roty allsel,all nsel,s,loc,y,h$nsel,r,loc,x,l/2$f,all,fy,-1 allsel,all 3.4.2 获得特征值屈曲解 采用 beam189 单元： 采用 shell63 单元： 3.4.3 查看结果 翼缘厚度 宽厚比 理论值 beam189 误差 shell63 误差 0.04 6 4242 4196 -1.10% 4321 0.0183 0.032 7.5 3025 3043 0.59% 3099 0.0239 0.028 8.6 2504 2522 0.71% 2564 0.0236 0.02 12 1629 16
11、40 0.67% 1648 0.0115 腹板厚 高厚比 理论值 beam189 误差 shell63 误差 0.016 57.5 4242 4196 -1.10% 4321 0.0182828 0.018 57.1 4281 4303 0.51% 4360 0.0181193 0.02 46 4327 4342 0.35% 4424 0.0219259 0.024 38.3 4453 4497 0.98% 4560 0.0234649 3.4.4 结果分析 不同翼缘厚度临界弯矩值对比图05001000150020002500300035004000450050000.04 0.032 0.028 0.02翼缘厚度临界弯矩理论值beam189shell63不同腹板厚度下临界弯矩值对比图40004100420043004400450046000.016 0.018 0.02 0.024腹板厚度临界弯矩理论值beam189shell633.4.5 压杆稳定
