發(fā)布時(shí)間：2023-03-22 17:39:59
序言：寫作是分享個(gè)人見(jiàn)解和探索未知領(lǐng)域的橋梁，我們?yōu)槟x了8篇的有限元分析論文樣本，期待這些樣本能夠?yàn)槟峁┴S富的參考和啟發(fā)，請(qǐng)盡情閱讀。
關(guān)鍵詞：有限元法；課程；案例教學(xué)
中圖分類號(hào)：G642.4？搖 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A？搖 文章編號(hào)：1674-9324（2013）46-0093-03
當(dāng)前中國(guó)高等教育面臨兩個(gè)緊迫局面：一個(gè)來(lái)自“全面建成小康社會(huì)”，另一個(gè)來(lái)自高校人才培養(yǎng)自身。黨的十提出的“2020年全面建成小康社會(huì)”的發(fā)展目標(biāo)，使得以培養(yǎng)人才、服務(wù)社會(huì)為己任的高等教育，倍感責(zé)任重大，情勢(shì)急迫。目前，大學(xué)本科生已全為“90后”。“90后”在校大學(xué)生一方面善于求新求變，不斷擴(kuò)大信息量和知識(shí)面，另一方面卻更注重實(shí)際、利害、功用[1]。如何根據(jù)“90后”大學(xué)生的特征，將他們培養(yǎng)成為國(guó)家急需人才，這是高等教育迫在眉睫的現(xiàn)實(shí)課題。
現(xiàn)代先進(jìn)設(shè)計(jì)制造技術(shù)（CAE/CAM）是我國(guó)實(shí)現(xiàn)從制造業(yè)大國(guó)向制造業(yè)強(qiáng)國(guó)跨越的關(guān)鍵。有限元法作為計(jì)算機(jī)輔助工程分析（CAE）的先進(jìn)方法之一，是工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不可缺少的重要手段。有限元法基于先進(jìn)的數(shù)字模型，通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù)能夠在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)產(chǎn)品各方面性能，避免了加工物理樣機(jī)并通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試產(chǎn)品性能所帶來(lái)的高成本低效率問(wèn)題，大大縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期和研發(fā)費(fèi)用。在我國(guó)實(shí)現(xiàn)從制造業(yè)大國(guó)向制造業(yè)強(qiáng)國(guó)跨越的趨勢(shì)下，企業(yè)對(duì)具備有限元分析能力的畢業(yè)生需求越來(lái)越大。有限元法課程作為機(jī)械、土木等工程本科專業(yè)的重要選修課之一，對(duì)于培養(yǎng)高素質(zhì)、高質(zhì)量的高級(jí)專門人才有著重要作用。根據(jù)“90后”大學(xué)生的求知特征，開展有限元法課程教學(xué)改革，是培養(yǎng)和提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題能力的重要途徑，也是實(shí)現(xiàn)高等教育人才培養(yǎng)戰(zhàn)略必然要求。
一、有限元法課程的教學(xué)特點(diǎn)
有限元分析技術(shù)涉及數(shù)學(xué)力學(xué)基礎(chǔ)、單元技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、工程中的應(yīng)用四個(gè)方面?！皵?shù)力基礎(chǔ)+單元技術(shù)+軟件工具+應(yīng)用對(duì)象”是工程有限元法課程的四個(gè)主要特征[2]。有限元法課程的教與學(xué)必須抓住“理解基礎(chǔ)理論，熟練掌握軟件工具應(yīng)用，廣泛涉獵工程應(yīng)用對(duì)象”這一主線。
二、有限元法課程教學(xué)中的問(wèn)題
有限元法的基本思想是離散和分片插值，其理論涉及泛函分析、矩陣?yán)碚?、?shù)值計(jì)算、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及各應(yīng)用領(lǐng)域（結(jié)構(gòu)、熱、電、磁、光等）基本理論。有限元教學(xué)如果只是一味強(qiáng)調(diào)理論分析，就無(wú)法使既“求新求變”又“注重實(shí)際、利害、功用”的“90后”大學(xué)生切實(shí)感受到先進(jìn)方法的魅力，反而因?yàn)榉爆嵉墓酵茖?dǎo)而對(duì)有限元法產(chǎn)生望而生畏的感覺(jué)[3]。當(dāng)前有限元法課程教學(xué)的主要問(wèn)題有兩個(gè)方面。一方面是，過(guò)分強(qiáng)調(diào)有限元分析的基礎(chǔ)理論教學(xué)，卻又局限于課程學(xué)時(shí)少、學(xué)生數(shù)學(xué)力學(xué)基礎(chǔ)不足而流于形式。學(xué)生覺(jué)得理論深?yuàn)W、晦澀難懂，半生不熟，事倍功半。另一方面，實(shí)踐環(huán)節(jié)片面地強(qiáng)調(diào)對(duì)有限元分析軟件的掌握，對(duì)工程應(yīng)用對(duì)象涉獵不足，上機(jī)實(shí)驗(yàn)根據(jù)指導(dǎo)書按部就班完成，學(xué)生缺少自主性、探索性實(shí)踐鍛煉。使學(xué)生覺(jué)得上手容易，用起來(lái)茫然，無(wú)法自主完成實(shí)際問(wèn)題的研究、探索性分析過(guò)程。
1.對(duì)有限元法基礎(chǔ)理論理解不透徹。目前有限元法教材及課程教學(xué)內(nèi)容，大多以大量篇幅和課時(shí)講授有限元法和各種單元的力學(xué)原理。課堂講授花費(fèi)很多時(shí)間進(jìn)行數(shù)學(xué)力學(xué)推導(dǎo)，而用很少時(shí)間講授應(yīng)用。實(shí)踐表明，教學(xué)效果很差，多數(shù)學(xué)生感覺(jué)深?yuàn)W難懂，枯燥乏味且不懂應(yīng)用。
2.對(duì)分析對(duì)象的工程背景不熟悉。有限元課程教學(xué)的最終目標(biāo)就是引導(dǎo)學(xué)生“廣泛涉獵工程應(yīng)用對(duì)象”，提高學(xué)生對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行研究、探索性分析的能力。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的途徑就是做實(shí)實(shí)踐環(huán)節(jié)。目前有限元課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)主要形式有：⑴課堂實(shí)例分析演示；⑵上機(jī)實(shí)驗(yàn)；⑶課外工程實(shí)例研究分析。這些實(shí)踐過(guò)程基本都是學(xué)生根據(jù)指導(dǎo)書完成，缺少自主性、探索性實(shí)踐鍛煉。由于缺少自主性，多數(shù)學(xué)生對(duì)分析對(duì)象的工程背景不熟悉。不清楚研究對(duì)象模型如何簡(jiǎn)化，導(dǎo)致分析過(guò)程中不能合理的設(shè)置參數(shù)，對(duì)分析中出現(xiàn)的問(wèn)題找不出原因予以解決或者對(duì)分析結(jié)果不能做出合理的解釋。無(wú)法培養(yǎng)和有效提高學(xué)生用有限元法分析實(shí)際問(wèn)題能力。
3.對(duì)分析軟件功能模塊應(yīng)用不熟練。對(duì)于復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題，很少有學(xué)生能夠通過(guò)直接編程完成對(duì)結(jié)構(gòu)的分析過(guò)程。利用商業(yè)軟件進(jìn)行工程問(wèn)題有限元分析，“熟練掌握軟件工具應(yīng)用”是目前有限元課程實(shí)踐教學(xué)的基本要求。目前教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)存在的問(wèn)題是，上機(jī)實(shí)習(xí)題目少，涉及的工程問(wèn)題較簡(jiǎn)單，使得學(xué)生對(duì)軟件功能模塊的應(yīng)用不熟練。在遇到實(shí)際問(wèn)題時(shí)，不清楚先后步驟；不會(huì)合理的設(shè)置參數(shù)，導(dǎo)致問(wèn)題不能求解或求解結(jié)果不正確。分析解決實(shí)際問(wèn)題的能力受到限制。
三、有限元法課程教學(xué)改革實(shí)踐
教學(xué)過(guò)程中如何貫徹“理解基礎(chǔ)理論，熟練掌握軟件工具應(yīng)用，廣泛涉獵工程應(yīng)用對(duì)象”這一主線，是有限元法教學(xué)成與敗的關(guān)鍵。加強(qiáng)基礎(chǔ)理論教學(xué)理解性教學(xué)，強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，增強(qiáng)學(xué)生分析解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力是教學(xué)改革的大方向。因此，針對(duì)目前有限元課程教學(xué)中的問(wèn)題，我們對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法進(jìn)行了改革。
1.基礎(chǔ)理論教學(xué)化繁為簡(jiǎn)，虛實(shí)結(jié)合。基礎(chǔ)理論從平面桿系結(jié)構(gòu)開始，再到彈性體平面問(wèn)題，把有限元法基本原理和分析過(guò)程循序漸進(jìn)、完整、清晰地講授出來(lái)。簡(jiǎn)化理論推導(dǎo)過(guò)程，提高了學(xué)生的理解和接受程度。講授平面桿系結(jié)構(gòu)有限元分析過(guò)程時(shí)，以圖1所示的簡(jiǎn)單靜定桁架內(nèi)力分析為例；講授彈性體平面問(wèn)題時(shí)，以圖2所示的兩端固定平面深梁為例。用這些實(shí)例，把結(jié)構(gòu)離散，單元分析，整體剛度矩陣集成，整體結(jié)點(diǎn)平衡方程，位移邊界條件應(yīng)用，有限元最終解等完整的分析過(guò)程展現(xiàn)給學(xué)生。虛實(shí)結(jié)合，這一方法有效地提高了學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論的理解和接受程度。
2.采用案例教學(xué)，廣泛涉獵分析對(duì)象的工程背景?；贏NSYS軟件平臺(tái)，精選機(jī)械工程中應(yīng)用實(shí)例，如齒輪、飛輪、主軸等零部件進(jìn)行課堂有限元分析演示，廣泛涉獵分析對(duì)象的工程背景，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到該課程的廣闊應(yīng)用前景。講授單元類型時(shí)，結(jié)合具體工程實(shí)例來(lái)介紹軸對(duì)稱單元、板殼單元、實(shí)體單元等類型單元的應(yīng)用。講授單元位移模式和結(jié)構(gòu)分析的h方法與p方法時(shí)，結(jié)合工程實(shí)例分析演示，采用討論式、啟發(fā)式的教學(xué)方式，讓學(xué)生從中體會(huì)不同分析方法的優(yōu)缺點(diǎn)。案例教學(xué)法，使學(xué)生逐步體會(huì)到如何將一個(gè)工程實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)換為有限元求解模型，樹立了牢固的工程觀。
3.強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生對(duì)分析軟件“練中學(xué)，學(xué)中用”。“練中學(xué)”。安排16學(xué)時(shí)的課程上機(jī)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)，提供8個(gè)左右的實(shí)際問(wèn)題有限元分析題目，使學(xué)生在上機(jī)練習(xí)中逐步熟悉和掌握ANSYS軟件的功能模塊應(yīng)用。同時(shí)，通過(guò)這些練習(xí)，使學(xué)生逐步學(xué)會(huì)將一個(gè)工程實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)換為有限元求解模型的技能，初步具備解決實(shí)際問(wèn)題的能力。“學(xué)中用”。課程教學(xué)的終極目標(biāo)是使學(xué)生學(xué)以致用。因此，課程實(shí)踐環(huán)節(jié)考核的最有效指標(biāo)就是學(xué)生能否“學(xué)中用”。在教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)改革中，我們?cè)谏蠙C(jī)實(shí)習(xí)之外增加了課程論文考核環(huán)節(jié)，同時(shí)增大這一自主實(shí)踐環(huán)節(jié)的考核權(quán)重。課程結(jié)束時(shí)，教師給出15個(gè)左右工程實(shí)際問(wèn)題題目，讓學(xué)生按小組選題并完成分析過(guò)程，提交課程論文。學(xué)生也可以自己尋找工程中實(shí)際問(wèn)題作為課程論文題目，藉此可以鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析解決問(wèn)題的能力。通過(guò)幾年教學(xué)改革實(shí)踐，效果顯著。學(xué)生利用課程論文這個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)，熟練、系統(tǒng)地對(duì)所學(xué)知識(shí)和分析軟件進(jìn)行應(yīng)用。一部分學(xué)生結(jié)合教師的科研項(xiàng)目，自找題目完成課程論文。例如，有學(xué)生自擬“不同筋板結(jié)構(gòu)井蓋的有限元分析”題目并以優(yōu)異成績(jī)完成課程論文；也有學(xué)生結(jié)合教師科研項(xiàng)目開創(chuàng)性地完成“馬鈴薯覆膜穴播種機(jī)機(jī)架有限元分析”課程論文?！皩W(xué)中用”的目標(biāo)，通過(guò)課程論文題目這一實(shí)踐環(huán)節(jié)得到充分體現(xiàn)。
通過(guò)幾年來(lái)有限元法課程教學(xué)改革實(shí)踐，本科生對(duì)有限元法基礎(chǔ)理論理解加深，軟件的操作應(yīng)用熟練掌握。同時(shí)，通過(guò)課程論文環(huán)節(jié)的實(shí)踐鍛煉，學(xué)生對(duì)有限元法有了更深刻的認(rèn)識(shí)，達(dá)到了“學(xué)中用”的教學(xué)目標(biāo)。通過(guò)有限元課程教與學(xué)，極大提高了學(xué)生的數(shù)值計(jì)算應(yīng)用能力，為將來(lái)從事CAE相關(guān)研究工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)：
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關(guān)鍵詞：超大型平頭塔式起重機(jī)；平衡臂；優(yōu)化設(shè)計(jì)；有限元
中圖分類號(hào)：TH2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
Abstract：Taking the counterjib of T3000160 super large flattop tower crane as the research object，the structure is optimized. Firstly，the finite element simulation model of the counterjib is established. Then，the APDL algorithm language and parametric technique in Ansys are used to parameterize the design dimensions of the counterjib structure. Through the structural optimization，the optimal crosssectional dimension of the main structure of the counterjib is obtained，The results show that the overall strength and rigidity of the counterjib meet the design requirements，and the parametric design can improve the design quality of the construction machinery.
Key words：super large flattop tower crane，counterjib，optimized design，finite element
1引言
S著有限元技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在塔式起重機(jī)關(guān)鍵組成部件的優(yōu)化分析設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及有限元分析技術(shù)的引進(jìn)使用，使得塔機(jī)產(chǎn)品使用起來(lái)更加安全和高效。超大型平頭塔式起重機(jī)作為塔機(jī)發(fā)展的方向，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工況多樣，僅僅對(duì)其進(jìn)行整體的綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)是不夠的，更應(yīng)該關(guān)注其細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析，關(guān)注計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)。
本論文選取T3000160超大型平頭塔式起重機(jī)作為研究對(duì)象，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)平衡臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模分析，使用APDL算法完成平衡臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到降本增效的目的。
2Ansys有限元分析優(yōu)化設(shè)計(jì)的有關(guān)概念121設(shè)計(jì)變量設(shè)計(jì)方案完成后，其中的設(shè)計(jì)元素可以用一組基本參數(shù)數(shù)值來(lái)表示，這一組參數(shù)數(shù)值就是所謂的設(shè)計(jì)變量。
22目標(biāo)函數(shù)
在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可以利用一些設(shè)計(jì)指標(biāo)衡量一項(xiàng)設(shè)計(jì)方案的好壞，通過(guò)把設(shè)計(jì)指標(biāo)參數(shù)化得到相關(guān)函數(shù)來(lái)表示這些指標(biāo)，這些相關(guān)函數(shù)即是優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)。
計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化2017年6月第36卷第2期郭紀(jì)斌等：基于Ansys的超大型平頭塔式起重機(jī)平衡臂優(yōu)化設(shè)計(jì)23約束性條件
所謂約束性條件是在對(duì)與目標(biāo)函數(shù)相關(guān)的設(shè)計(jì)變量進(jìn)行取值時(shí)加入的限制性條件。約束類型按照目標(biāo)函數(shù)中設(shè)計(jì)變量的不同性質(zhì)可分為邊界性約束和性能性約束。
24合理性設(shè)計(jì)
所謂合理性設(shè)計(jì)是指滿足設(shè)計(jì)方案所有給定約束條件（包括設(shè)計(jì)變量的約束和狀態(tài)變量的約束）的設(shè)計(jì)。倘若給定約束條件中的任一條未滿足，該設(shè)計(jì)就被認(rèn)為是不合理的。而最優(yōu)設(shè)計(jì)就是既能滿足所有約束條件同時(shí)目標(biāo)函數(shù)值又是最小的設(shè)計(jì)。
3超大型平頭塔機(jī)平衡臂優(yōu)化設(shè)計(jì)的步驟
在Ansys軟件中可以用兩種方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)：圖形交互式或者數(shù)據(jù)批處理來(lái)完成。在本論文中，選用數(shù)據(jù)批處理方式來(lái)進(jìn)行平衡臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期提高優(yōu)化設(shè)計(jì)效率。
由于用戶采用優(yōu)化方式的差異（批處理或GUI方式），Ansys優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟會(huì)有些許差別。本論文中平衡臂優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟如下：
31分析文件的生成1311參數(shù)化建立模型通過(guò)Ansys軟件/PREP7命令把設(shè)計(jì)方案中的設(shè)計(jì)變量參數(shù)化建立數(shù)據(jù)模型的工作完成。對(duì)于本論文選定的T3000160超大型平頭塔式起重機(jī)平衡臂，設(shè)計(jì)變量是拉桿和臂架弦桿的尺寸，如表1所示。
表1設(shè)計(jì)變量
設(shè)計(jì)變量1初值（mm）1變量含義X112001平衡臂下弦桿角鋼L200X36的截面長(zhǎng)度X21361平衡臂下弦桿角鋼L200X36的截面長(zhǎng)度X31651平衡臂拉桿圓鋼Φ130的半徑
312計(jì)算求解
Ansys中的求解器主要是對(duì)分析類型和分析選項(xiàng)在優(yōu)化過(guò)程中進(jìn)行定義，并完成載荷的施加，及對(duì)載荷步的指定，最后進(jìn)行有限元分析計(jì)算，同時(shí)在分析過(guò)程中需要的數(shù)據(jù)都要在計(jì)算求解過(guò)程中指出。
在本論文平衡臂的優(yōu)化分析中，solution 部分輸入如下：
/SOLU
PREP7，
…
BEAM，P21X，5，PRES，-0.2c-5，…
Acc1，0，10000，0，
AUTO CP，0，0.65*2，
SOLVE，
FINISH。
313提取參數(shù)化分析結(jié)果
對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行提取并給相應(yīng)的參數(shù)賦值，這些參數(shù)通常情況下包括目標(biāo)函數(shù)和狀態(tài)變量。完成本步操作使用POST1命令，尤其是與數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、加減或者其他操作相關(guān)時(shí)，而對(duì)數(shù)據(jù)的提取通常用*GET命令（Utility Menu>Parameters>Get Scalar Data）來(lái)完成。
在本論文研究中，設(shè)置平衡臂總重量為目標(biāo)函數(shù)。因?yàn)橹亓亢腕w積成比例關(guān)系，對(duì)產(chǎn)品總體積的減小就相當(dāng)于總重量的減少，因此把總體積設(shè)計(jì)為目標(biāo)函數(shù)。在優(yōu)化研究中，把軸向應(yīng)力、節(jié)點(diǎn)位移設(shè)置為狀態(tài)變量。這些參數(shù)的設(shè)定可以用下面的方法進(jìn)行定義：
/POST1
ETABLE，evolume，VOLU，
QR SSUM
*GET，VOLUME，SSUM，DEFORMED，EVOLUME
…
QR，SMAX_E，LS，0，1
CP，ETAB，SMAX_E，0，1，
*GET，SMAX_E，SORT，MAX
…
*GETT，DYMAX1，NODE，1528，Z，Y
…
32對(duì)計(jì)算結(jié)果優(yōu)化分析
建立完成分析文件之后，就可以利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行優(yōu)化分析。在優(yōu)化處理器中，這些相關(guān)參數(shù)的值被假定為一個(gè)設(shè)計(jì)序列，所有參數(shù)會(huì)在Ansys數(shù)據(jù)庫(kù)中被自動(dòng)設(shè)置為設(shè)計(jì)序列1。
4超大型平頭塔機(jī)平衡臂優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果
通過(guò)10次迭代計(jì)算完成對(duì)模型參數(shù)的優(yōu)化，目標(biāo)函數(shù)與設(shè)計(jì)變量的變化如圖1―圖3所示。
圖1設(shè)計(jì)變量X1優(yōu)化示意圖圖2設(shè)計(jì)變量X2優(yōu)化示意圖圖3設(shè)計(jì)變量X3優(yōu)化示意圖通過(guò)上面的優(yōu)化示意圖可以看出，三個(gè)設(shè)計(jì)變量都是平衡臂主結(jié)構(gòu)件的截面尺寸，經(jīng)過(guò)優(yōu)化計(jì)算，截面尺寸都得以減小，而與其相關(guān)的目標(biāo)函數(shù)（平衡臂總體積）有總體減小的趨勢(shì)。
在優(yōu)化計(jì)算時(shí)不僅要減少平衡臂體積，同時(shí)其結(jié)構(gòu)對(duì)強(qiáng)度和剛度的設(shè)計(jì)要求也要滿足，所以本研究增設(shè)狀態(tài)變量1（平衡臂端部位移）和狀態(tài)變量2（截面危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力值）為研究對(duì)象，其優(yōu)化過(guò)程如圖4―圖5所示。
圖4狀態(tài)變量1優(yōu)化示意圖圖5狀態(tài)變量2優(yōu)化示意圖從兩個(gè)狀態(tài)變量的優(yōu)化過(guò)程可以看出，在經(jīng)過(guò)多次迭代優(yōu)化后各狀態(tài)變量值變量均在設(shè)定值范圍內(nèi)變化，變化非常小。
目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解在Ansys優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程可以自動(dòng)選出，在本論文中得出的最優(yōu)解見(jiàn)表2。
由優(yōu)化計(jì)算結(jié)果可以看出，平衡臂總質(zhì)量由18.87噸優(yōu)化到了17.13噸，p少了1.74噸，減重百分比為9.22%。與初始設(shè)計(jì)方案相對(duì)比，優(yōu)化后主體結(jié)構(gòu)件截面尺寸減小，從而降低了平衡臂總質(zhì)量，達(dá)到了減輕平衡臂總重量的優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)。通過(guò)對(duì)優(yōu)化模型有限元分析結(jié)果的檢查，其結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度均符合設(shè)計(jì)要求，如表2所示。
本論文選用Ansys一階優(yōu)化方法對(duì)以平衡臂總質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù)的方案進(jìn)行計(jì)算優(yōu)化，優(yōu)化后平衡臂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度剛度均在設(shè)計(jì)允許值范圍內(nèi)。通過(guò)定義主要結(jié)構(gòu)件尺寸的優(yōu)化，平衡臂總重量減少1.74噸，降幅9.22%。
5結(jié)論
本論文以T3000160超大型平頭塔式起重機(jī)平衡臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)為研究對(duì)象，采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和方法，使用主流有限元分析軟件Ansys完成對(duì)平衡臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析，其過(guò)程主要如下。
（1）建立T3000160塔機(jī)平衡臂有限元分析模型，選用BEAM188，MASS21等作為模型分析單元，確保有限元模型結(jié)構(gòu)、重量等參數(shù)的設(shè)置符合實(shí)際情況。
（2）各項(xiàng)參數(shù)滿足設(shè)計(jì)方案要求。通過(guò)優(yōu)化分析，得到平衡臂主體結(jié)構(gòu)件的最優(yōu)截面尺寸，同時(shí)有限元分析結(jié)果表明整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計(jì)方案需求。
（3）本論文選取T3000160超大型平頭塔式起重機(jī)的平衡臂進(jìn)行有限元分析優(yōu)化設(shè)計(jì)，為超大型平頭塔式起重機(jī)平衡臂及其他相關(guān)部件結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析和設(shè)計(jì)提供一個(gè)理論性的支撐，同時(shí)提高工程機(jī)械設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短設(shè)計(jì)周期，促進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)法在起重機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。
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論文關(guān)鍵詞：光碟機(jī),熱量,ANSYS,分析
隨著機(jī)電產(chǎn)品使用時(shí)間的增加，通電時(shí)間越長(zhǎng)必然導(dǎo)致集成芯片發(fā)熱量增大，其散熱問(wèn)題是一個(gè)必須要考慮的問(wèn)題。如果熱量不能以合適的方式及時(shí)的散出去，必將影響機(jī)電產(chǎn)品的功能。光碟機(jī)就是一個(gè)比較典型的機(jī)電產(chǎn)品，其散熱問(wèn)題的考慮是一個(gè)很經(jīng)典的設(shè)計(jì)。ANSYS是目前應(yīng)用比較廣泛的有限元分析軟件，具有強(qiáng)大的有限元分析功能和人性化的人機(jī)交互界面，使用該軟件，能夠有效地降低分析成本，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間[1]。本文通過(guò)對(duì)這一問(wèn)題的分析研究，對(duì)光碟機(jī)的熱分析問(wèn)題進(jìn)行了深入的分析，采取了合情合理的散熱方式，采用有限元分析軟件ANSYS9.0對(duì)散熱墊的散熱狀況進(jìn)行散熱模擬，并對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。
1 散熱理論
熱分析是基于能量守恒原理的熱平衡方程[2]：
1．1輻射
輻射是指機(jī)體以發(fā)射紅外線方式來(lái)散熱，物體發(fā)射能量并被其他物體吸收轉(zhuǎn)化為熱量能量交換[2]。當(dāng)皮膚溫高于環(huán)境溫度時(shí)，機(jī)體的熱量以輻射方式散失。輻射散熱量與皮膚溫、環(huán)境溫度和機(jī)體有效輻射面積等因素有關(guān)。在一般情況下，輻射散熱量占總散熱量的40%。當(dāng)然，如果環(huán)境溫度高于皮膚溫，機(jī)體就會(huì)吸收輻射熱。
1．2傳導(dǎo)
傳導(dǎo)就是機(jī)體通過(guò)傳遞分子動(dòng)能的方式散發(fā)熱量，幾個(gè)完全接觸的物體之間或同一物體不同部分之間由于溫度梯度而引起的熱量交換[2]。當(dāng)人體與比皮膚溫低的物體（如衣服、床、椅等）直接接觸時(shí)，熱量自身體傳給這些物體。臨床上，用冰帽、冰袋冷敷等方法給高熱病人降溫，就是利用這個(gè)原理，CPU上的平板式散熱片[3]也是利用了傳導(dǎo)的原理。
1．3對(duì)流
對(duì)流就是空氣的流動(dòng)，這是以空氣分子為介質(zhì)的一種散熱方式，物體表面與周圍環(huán)境之間，由于溫度差而引起的熱量交換[2]。與身體最接近的一層空氣被體溫加熱而上升，周圍較冷的空氣隨之流入。這樣，空氣不斷地對(duì)流體熱就不斷地向空氣中散發(fā)。對(duì)流散熱量的大小，取決于皮膚溫與環(huán)境溫度之差和風(fēng)速。
1．4蒸發(fā)
液體汽化需要熱量，自人體表面每蒸發(fā)1ml水，可帶走2.32/kJ熱量。當(dāng)氣溫高于皮溫時(shí)，其他幾種散熱方式都失去作用，蒸發(fā)便成為唯一的散熱途徑。
2 光碟機(jī)介紹
2.1 光碟機(jī)組成
光碟機(jī)組成按結(jié)構(gòu)功能來(lái)劃分主要有三大部分，一是機(jī)芯，二是PCBA，三是承載機(jī)構(gòu)和外殼等，如圖1所示:
圖1 碟機(jī)結(jié)構(gòu)
Fig1. ODD structure
2.2光碟機(jī)熱量散發(fā)系統(tǒng)
散熱系統(tǒng)主要有：下蓋（BC），散熱墊（Heat sink），集成芯片（IC）和PCB四部分相接觸的物體組成，如圖2所示：
圖2 散熱系統(tǒng)
Fig2. Heat dissipating system
3 熱傳導(dǎo)散熱分析
ANSYS的熱分析是基于能量守恒原理的熱平衡方程，通過(guò)有限元法計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的溫度分布，并由次導(dǎo)出其他熱物理量參數(shù)[2]。電子元器件功率的不斷提升導(dǎo)致了更多熱量的產(chǎn)生[3]，因而散熱顯的極為重要[4]。本例中采用穩(wěn)態(tài)分析，參數(shù)設(shè)定：自然對(duì)流條件(10W/m2.K)，熱源設(shè)定6W(12V*0.5A)，光碟機(jī)內(nèi)部環(huán)境溫度設(shè)定為42℃，光碟機(jī)器外部環(huán)境溫度設(shè)定為30℃。各零件的熱傳導(dǎo)系數(shù)如表1：
表 1
零件縮寫
熱傳導(dǎo)系數(shù)k(W/m.K)
BC
18.5
Heat sink
3.2
IC
50
PCB
0.36
4 分析結(jié)果
經(jīng)過(guò)上述設(shè)置后，可得到散熱墊的溫度場(chǎng)分布圖，如圖3所示：從圖中可看出，使用該散熱墊后最高溫度可達(dá)165.92℃。
圖3 溫度場(chǎng)分布
Fig3.Temperature field distribute
5 結(jié)束語(yǔ)
ANSYS不僅能用于常規(guī)工程結(jié)構(gòu)問(wèn)題的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)有限元分析，還能在諸如流體力學(xué)，熱力學(xué)（溫度場(chǎng)）、電磁場(chǎng)等方面進(jìn)行有限元的模擬與計(jì)算[5]。一個(gè)成熟的熱設(shè)計(jì)可以為為我們帶來(lái)一個(gè)可靠的產(chǎn)品,同時(shí)也為我們的使用創(chuàng)造舒適性[6]。本例中通過(guò)對(duì)散熱墊模擬現(xiàn)場(chǎng)情況的分析，得出散熱墊的溫度場(chǎng)分布，進(jìn)而可比較不同散熱墊帶來(lái)的不同散熱效果,選擇合適的散熱墊來(lái)散熱，為碟機(jī)的散熱設(shè)計(jì)提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)也值得其它需要散熱的產(chǎn)品設(shè)計(jì)者借鑒學(xué)習(xí)。
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論文關(guān)鍵詞：方鋼管混凝土柱,長(zhǎng)細(xì)比,有限元
1 引言
方鋼管混凝土的研究開展的較晚，各方面的理論還不夠成熟和完善，以往的研究主要集中在試驗(yàn)研究上，本文采用有限元分析對(duì)方鋼管混凝土柱的設(shè)計(jì)和施工提出合理建議，克服試驗(yàn)的不足?？紤]到鋼管混凝土是由鋼管和混凝土兩種不同材料所組成，混凝土和鋼管之間有相對(duì)滑移，引入一種能反映鋼管和混凝土兩者間界面性能的單元----粘結(jié)單元，它能比較真實(shí)地反映方鋼管混凝土柱的受力性能。
2 有限元模型的建立
本文模擬框架結(jié)構(gòu)中間層的中柱，截取了方鋼管混凝土柱從梁頂面到柱反彎點(diǎn)處的部分為研究對(duì)象。為了深入分析鋼管混凝土柱的受力性能，充分考慮我國(guó)有關(guān)規(guī)范的規(guī)定，依據(jù)常見(jiàn)的工程實(shí)例設(shè)計(jì)了4個(gè)試件，采用大型商用有限元軟件ANSYS對(duì)其受力性能進(jìn)行了非線性有限元模擬。
2.1模型的幾何尺寸
為了研究長(zhǎng)細(xì)比對(duì)方鋼管混凝土柱的受力性能影響，以BASE試件為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了ZG系列試件，詳細(xì)尺寸見(jiàn)表1。
表1 試件尺寸明細(xì)表
試件名稱
柱寬度
（mm）
柱高度
（mm）
管壁厚度（mm）
混凝土強(qiáng)
度等級(jí)
軸壓比
鋼 材
牌 號(hào)
ZG-1
500
1650
16
C50
0.5
Q345
BASE
500
1800
16
C50
0.5
Q345
ZG-2
500
1950
16
C50
0.5
Q345
ZG-3
500
2100
16
C50
【關(guān)鍵詞】濕法脫硫；有限元；無(wú)支撐鋼梁
前言
隨著國(guó)家SO2排放標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格控制及國(guó)內(nèi)脫硫市場(chǎng)的發(fā)展，石灰石―石膏濕法噴淋脫硫作為一種脫硫效率較高、運(yùn)行穩(wěn)定可靠的脫硫技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。在火電廠大型機(jī)組煙氣脫硫裝置中，吸收塔是整個(gè)裝置的關(guān)鍵部分，噴淋塔是濕法脫硫吸收塔的主流塔形，對(duì)作為該塔重要組成部分的噴淋管道進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的應(yīng)用價(jià)值[1][2]。
石灰石濕法脫硫工藝的噴淋管道布置復(fù)雜，周邊環(huán)境惡劣，如何保證噴淋塔在運(yùn)行期間的安全是設(shè)計(jì)中要考慮的首要問(wèn)題[3]。葉獻(xiàn)國(guó)、趙書鋒等[4]利用NASTRAN結(jié)構(gòu)分析軟件建立了煙氣脫硫吸收塔的三維有限元分析模型，計(jì)算了該結(jié)構(gòu)的固有動(dòng)力特性。侯慶偉，鐘毅等人也利用有限元數(shù)值分析軟件對(duì)脫硫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行過(guò)分析與優(yōu)化方向的嘗試[5][6]。
本文通過(guò)采用國(guó)際通用的大型結(jié)構(gòu)分析有限元軟件ABAQUS對(duì)吸收塔內(nèi)徑為9500mm的平頂山電廠2×200MW機(jī)組石灰石濕法脫硫噴淋系統(tǒng)進(jìn)行剛度和強(qiáng)度校核，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高噴淋系統(tǒng)的安全系數(shù)，降低生產(chǎn)成本。
2 有限元模型的建立
2.1 幾何模型與材料參數(shù)
依據(jù)常規(guī)有支撐鋼梁設(shè)計(jì)，建立吸收塔內(nèi)徑為9500mm噴淋系統(tǒng)的幾何模型，如圖1所示。在此基礎(chǔ)上賦予各個(gè)構(gòu)件的材料屬性：管道為FRP材料，支撐梁為Q235號(hào)鋼，用于支撐的支座為FRP材料。
圖1 平頂山噴淋系統(tǒng)三維模型（含支撐鋼梁）
2.2 連接、邊界條件與載荷
根據(jù)噴淋系統(tǒng)工作的環(huán)境：設(shè)定噴淋管道內(nèi)側(cè)漿液的溫度60℃，管道外側(cè)煙氣溫度180℃，漿液的傳熱系數(shù)（近似成水）為15000W/m2 ℃，煙氣側(cè)傳熱系數(shù)86為 W/m2 ℃。溫度的選取為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)周圍環(huán)境的最高溫度，傳熱系數(shù)為類似文獻(xiàn)中的取值[7]。
根據(jù)噴淋系統(tǒng)的在施工過(guò)程中的工藝性質(zhì)（采用膠粘），在有限元模型中支撐梁與管道之間是采用綁定（tie）約束。
噴淋系統(tǒng)的位移邊界條件按如下方式定義：在管道或者梁與吸收塔內(nèi)壁連接處，采用固定所有方向的位移，在對(duì)稱面上施加對(duì)稱結(jié)構(gòu)的約束。
施加的主要載荷有：1）結(jié)構(gòu)重力（包括噴嘴重力），2）漿液重力，3）管道漿液壓力。施加在管道內(nèi)部壓力0.1MPa。由于管道中充滿了漿液，不能忽略，故將漿液的重力等效成壓力載荷施加在圓形管道下半部分的內(nèi)表面，管壁內(nèi)各點(diǎn)的壓力符合以下關(guān)系： 。 其中ylocal表示在局部坐標(biāo)系沿著重力方向的坐標(biāo)值。為漿液的密度，g為重力加速度。
3 平頂山噴淋系統(tǒng)的有限元優(yōu)化結(jié)果與討論
3.1 平頂山噴淋系統(tǒng)無(wú)支撐梁分析
圖2為吸收塔內(nèi)徑9500mm噴淋系統(tǒng)（無(wú)支撐）位移分布云圖，最大位移值為20.28mm，大于規(guī)范計(jì)算得到的最大允許位移19mm，結(jié)構(gòu)剛度不符合標(biāo)準(zhǔn)。圖3中管道里應(yīng)力的最低安全系數(shù)為4.867與由規(guī)范[8]得到的安全系數(shù)值8.5相比偏小，不符合強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。
圖2 平頂山噴淋系統(tǒng)（無(wú)支撐）的位移場(chǎng)（變形放大50倍）（單位：mm）
圖3 平頂山噴淋系統(tǒng)（無(wú)支撐）的安全系數(shù)
根據(jù)上述的計(jì)算得到的變形圖可以看出，噴淋層在取消支撐鋼梁后，整個(gè)系統(tǒng)的薄弱部位在主管道直徑較小的一端，結(jié)構(gòu)的整體剛度也較小。
3.2 平頂山噴淋系統(tǒng)無(wú)支撐鋼梁方案設(shè)計(jì)
為取消系統(tǒng)支撐鋼梁，必須增加系統(tǒng)薄弱部分的剛度，因此，增大細(xì)小端的管徑，將主管道兩端使用相同直徑的管，且整個(gè)結(jié)構(gòu)是關(guān)于中心支管對(duì)稱，建立有限元模型，如圖4所示。
圖4 優(yōu)化設(shè)計(jì)后的平頂山噴淋系統(tǒng)（無(wú)支撐）模型
3.3 優(yōu)化后的平頂山無(wú)支撐噴淋系統(tǒng)分析
對(duì)上述結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，得到其在自身重力作用下產(chǎn)生的位移及應(yīng)力安全系數(shù)云圖，如圖5～6所示。
圖5 優(yōu)化后的平頂山無(wú)支撐噴淋系統(tǒng)位移云圖
（變形放大50倍）（單位：mm）
圖6 優(yōu)化后的平頂山無(wú)支撐噴淋系統(tǒng)應(yīng)力安全系數(shù)云圖
通過(guò)計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，最大位移為10.78mm，將屈服接近度換算成安全系數(shù)得最低的安全系數(shù)約為8.5，與規(guī)范[8]基本相同，結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度均符合規(guī)范要求。
4 結(jié)論
采用有限元分析軟件ABAQUS對(duì)平頂山電廠2 ×200MW機(jī)組石灰石濕法脫硫噴淋系統(tǒng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，綜合考慮溫度及重力的影響，通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到如下結(jié)論：基于ABAQUS軟件的有限元分析方法有利于脫硫塔噴淋層結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)。采用該方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后不僅可以取消噴淋層的支撐鋼梁，節(jié)約建設(shè)成本，適應(yīng)國(guó)內(nèi)運(yùn)行方式；而且噴淋系統(tǒng)整體的強(qiáng)度、剛度均符合規(guī)范要求，噴淋系統(tǒng)安全、可靠。
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論文寫作當(dāng)中引用的觀點(diǎn)資料和數(shù)據(jù)是可以找到的，是方便讀者查閱的，也就是說(shuō)提供的文獻(xiàn)資料是真實(shí)可靠的，參考文獻(xiàn)的寫作也是論文作者對(duì)文獻(xiàn)作者的尊重。以下是學(xué)術(shù)參考網(wǎng)的小編整理的關(guān)于汽車輪胎論文參考文獻(xiàn)，供大家參考閱讀。
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關(guān)鍵詞：火災(zāi)下，托梁轉(zhuǎn)換，溫度場(chǎng)，有限元分析
中圖分類號(hào)：TU37文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：
一、引言
鋼筋混凝土托梁轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)形式中。隨著城市進(jìn)程的發(fā)展，作為主要災(zāi)害之一的火災(zāi)威脅已變得越來(lái)越大，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗火性能方面的研究?jī)H限于梁、板、柱等簡(jiǎn)單構(gòu)件在火災(zāi)下的受力和變形問(wèn)題，更多的把重點(diǎn)放在一般結(jié)構(gòu)耐火等級(jí)方面，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)特別是托梁轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)則涉足不夠。因此，針對(duì)鋼筋混凝土托梁轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，開展其火災(zāi)行為和耐火性能的研究顯得十分必要。
二、有限元分析模型
1、托梁轉(zhuǎn)換框架模型
該框架為四層框架結(jié)構(gòu)，其中底層設(shè)置轉(zhuǎn)換梁而形成大空間。一層層高6米，以上各層為4米；跨度6.6米。材料為鋼筋混凝土，混凝土采用C30，鋼筋采用HRB400。利用PKPM對(duì)其進(jìn)行了配筋。
2、火災(zāi)曲線
本文采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO834）建議的結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗火試驗(yàn)曲線[1]進(jìn)行分析，公式見(jiàn)下式。
3、火災(zāi)工況設(shè)計(jì)
本文主要考察托換梁的溫度場(chǎng)分布，文獻(xiàn)[2]認(rèn)為框架結(jié)構(gòu)在局部火災(zāi)條件下進(jìn)行結(jié)構(gòu)的抗火分析時(shí)，可只考慮著火房間的溫度升高，其他房間按常溫考慮。
本研究受火工況為底層大空間單室火災(zāi)，柱設(shè)計(jì)為三面受火，受火區(qū)上部梁為三面受火。
4、火災(zāi)下的材料性能
混凝土熱工的熱工性能參數(shù)主要有熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱容、熱膨脹系數(shù)和質(zhì)量密度
，均采用歐洲規(guī)范EC4[3]建議的公式。
三、有限元分析及結(jié)果
通過(guò)ABAQUS有限元軟件對(duì)托梁轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)框架模型底層大空間受火進(jìn)行非線性分析，將托梁截面內(nèi)設(shè)計(jì)了5個(gè)測(cè)點(diǎn)，在托梁縱向設(shè)計(jì)了3個(gè)測(cè)點(diǎn)，其溫度隨時(shí)間的變化曲線如圖1。
在升溫的前期，由于混凝土還沒(méi)有受熱滯后性，所有曲線在升溫前期0-25min都有一個(gè)較短的平直段.25min開始，各測(cè)點(diǎn)隨時(shí)間大致呈線性增長(zhǎng)直至分析結(jié)束，溫度達(dá)到400-500℃。曲線5-7為托梁縱向同一截面高度的3個(gè)測(cè)點(diǎn)，從圖中可以看出，3條曲線在整個(gè)受火過(guò)程時(shí)間段內(nèi)幾乎重合，這說(shuō)明：溫度場(chǎng)沿著托梁縱向變化不大，因此，在進(jìn)行局部火災(zāi)條件下整體結(jié)構(gòu)的抗
圖1 托梁溫度-時(shí)間曲線
火分析時(shí)，對(duì)著火房間的構(gòu)件可采用沿軸向均勻分布的截面溫度場(chǎng)，這與簡(jiǎn)支梁受火時(shí)溫度場(chǎng)分布規(guī)律是一致的。
火災(zāi)發(fā)生后，由于混凝土受熱膨脹，越接近外表面升溫速度越快。曲線1為托梁下部最靠近外截面的測(cè)點(diǎn)，從圖上可以看出從25min后升溫速度急劇增加，是各測(cè)點(diǎn)升溫最快的，以至于表面的溫度梯度也大，達(dá)到的溫度為520℃左右。其他曲線在75min之前是大致重合的，這是由于溫度滯后性，75min之后各曲線能夠較清晰分別出，離外部最近的4測(cè)點(diǎn)，升溫速率最快，相應(yīng)的在這一區(qū)域的溫度梯度也就最大，達(dá)到的溫度為400℃左右。對(duì)應(yīng)的離外部最遠(yuǎn)的7測(cè)點(diǎn)，升溫速度最慢，相應(yīng)的溫度梯度最低，達(dá)到的溫度為350℃左右。其余各測(cè)點(diǎn)達(dá)到的最高溫在350-400℃左右。這說(shuō)明：離外部最遠(yuǎn)點(diǎn)升溫最慢，達(dá)到的溫度也最低。離外部最近點(diǎn)升溫最快，達(dá)到的溫度最高。溫度梯度越靠近外部越大，越靠近截面內(nèi)部越小。
四、結(jié)論
通過(guò)ABAQUS有限元軟件對(duì)托梁轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)框架模型底層大空間受火進(jìn)行非線性分析：
升溫過(guò)程中，混凝土受熱的滯后時(shí)間約為25min左右。
溫度場(chǎng)沿著托梁縱向變化不大，因此，在進(jìn)行局部火災(zāi)條件下整體結(jié)構(gòu)的抗火分析時(shí)，對(duì)著火房間的構(gòu)件可采用沿軸向均勻分布的截面溫度場(chǎng)，這與簡(jiǎn)支梁受火時(shí)溫度場(chǎng)分布規(guī)律是一致的。
離外部最遠(yuǎn)點(diǎn)升溫最慢，達(dá)到的溫度也最低。離外部最近點(diǎn)升溫最快，達(dá)到的溫度最高。溫度梯度越靠近外部越大，越靠近截面內(nèi)部越小。
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【關(guān)鍵詞】寬肢異形柱框架；砌塊墻組合結(jié)構(gòu)；開洞墻體；抗震性能；非線性有限元分析
1.引言
隨著人們生活水平的不斷提高，10多層的小高層住宅得到大多數(shù)人的青睞。然而，依據(jù)規(guī)范來(lái)講，異形柱框架結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足要求；剪力墻結(jié)構(gòu)由于其自身的兩大缺陷（剛度過(guò)大；配筋主要是構(gòu)造筋）也無(wú)法滿足要求；短肢剪力墻雖然克服了剪力墻自身兩大缺陷并且有利于空間布置，但是若要應(yīng)用在高層建筑中，規(guī)范[1]中明確指出，當(dāng)短肢剪力墻較多時(shí)，必須布置為筒體，這樣能形成短肢剪力墻與筒體共同抵抗水平力的剪力墻結(jié)構(gòu)，也就是說(shuō)，這樣的建筑中不允許采用全部是短肢剪力墻結(jié)構(gòu)。綜上所述，如若能將短肢剪力墻和混凝土小型砌塊墻二者相結(jié)合，適當(dāng)提高肢高肢厚比并考慮填充墻與異形柱框架共同工作，形成寬肢異形柱-混凝土砌塊組合結(jié)構(gòu)。
寬肢異形柱框架-混凝土小型砌塊墻組合結(jié)構(gòu)在施工時(shí)，采取先砌墻后澆注混凝土框架梁柱，考慮砌塊填充墻與異形柱框架共同工作，適當(dāng)提高異形柱肢高肢厚比（墻截面各肢的肢高肢厚比在4左右），沿小型砌塊墻砌體高度方向，利用U形砌塊設(shè)置若干道橫向構(gòu)造圈梁，以約束砌塊砌體，從而形成寬肢異形柱-混凝土砌塊組合結(jié)構(gòu)。
2.開洞鋼筋混凝土寬肢異形柱框架-砌塊組合墻結(jié)構(gòu)的有限元分析
2.1 模型材料參數(shù)設(shè)置
本文在不作試驗(yàn)的前提下，與已有的試驗(yàn)[2]進(jìn)行對(duì)比分析。計(jì)算模型共計(jì)兩榀，其中一榀選取單層單跨寬肢異形柱-砌塊墻組合結(jié)構(gòu)，采用T形截面異形柱，砌塊墻內(nèi)開洞（以下簡(jiǎn)稱F-1）；另一榀砌塊墻內(nèi)不開洞（以下簡(jiǎn)稱F-2），二者都與實(shí)際尺寸幾何比例為1：2，框架梁截面為100x300mm，門的尺寸為1050x600mm，砌塊墻尺寸為2500x 1500mm，模型形狀、尺寸如圖2-1所示。
圖2-1計(jì)算模型尺寸圖 單位mm
本文有限元模型設(shè)計(jì)中，框架梁柱采用Solid65三維空間實(shí)體單元，砌塊墻采用Solid45單元，鋼筋采用Pipe20單元。其中，Solid45單元實(shí)常數(shù)采用ANSYS默認(rèn)值，鋼筋為雙線性隨動(dòng)硬化材料。
2.2有限元模型建立
實(shí)體建模采用ANSYS軟件，之后須進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格的大小、形狀會(huì)直接影響受力分析的結(jié)果。本文對(duì)異形柱框架梁和砌塊墻劃分網(wǎng)格時(shí)都采用六面體單元，鋼筋用兩節(jié)點(diǎn)梁?jiǎn)卧?，假設(shè)鋼筋和混凝土粘結(jié)良好，采用組合方式，不考慮鋼筋和混凝土之間的滑移。
2.3有限元模型加載設(shè)置
在實(shí)際砌塊建筑墻體中，主要是承受材料自重、樓面活荷載等垂直荷載以及地震、風(fēng)等水平荷載，因此在非線性有限元分析加載時(shí)，模型下端為固定端，在柱頂兩端施加500kN的垂直荷載，并在整個(gè)過(guò)程中保持不變，直到試件破壞；水平荷載分為若干個(gè)子步進(jìn)行，施加在柱頂，非線性求解采用牛頓-拉普森法。
3.有限元計(jì)算結(jié)果分析
3.1有限元模型破壞形態(tài)
對(duì)T形寬肢異形柱框架-砌塊墻結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，施加水平荷載至開裂前，框架處于彈性狀態(tài)，應(yīng)力云圖幾乎沒(méi)有變化，當(dāng)水平荷載加至106kN時(shí)，砌塊墻左上角出現(xiàn)應(yīng)力集中，砌塊墻則在右側(cè)上端出現(xiàn)較大應(yīng)力，水平位移為1.01mm。如圖3-1（a）所示。
隨著水平荷載的不斷增加，應(yīng)力集中區(qū)域沿著砌塊墻斜向約450角逐漸向門柱擴(kuò)展，當(dāng)荷載達(dá)到273kN時(shí)，集中區(qū)域已經(jīng)發(fā)展到門柱左下角，位移繼續(xù)增大為4.45mm。如圖3-1（b）所示。
當(dāng)水平荷載為326kN時(shí)，砌塊墻左側(cè)應(yīng)力區(qū)域擴(kuò)大的同時(shí)水平方向也出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域，此時(shí)，門柱左下角應(yīng)力變大，并且右上角逐漸出現(xiàn)應(yīng)力集中，墻體右側(cè)底端應(yīng)力明顯，這時(shí)位移達(dá)到11.82mm。如圖3-1（c）所示。
當(dāng)水平荷載循環(huán)加至277kN時(shí)，水平方向應(yīng)力區(qū)繼續(xù)擴(kuò)大，門柱四角與墻體四角同時(shí)出現(xiàn)應(yīng)力集中，450斜裂縫貫通墻體左側(cè)一部分區(qū)域，此時(shí)水平位移為19.83mm，如圖3-1（d）所示。
圖3-1（a）
圖3-1（b）
圖3-1（c）
圖3-1（d）
圖3-2（a）-圖4-8（d）則給出了有限元模型F-2的砌塊墻應(yīng)力云圖（注：模型F-2水平荷載加載點(diǎn)選擇在右邊）。
圖3-2（a）
圖3-2（b）
圖3-2（c）
圖3-2（d）
3.2模型承載力分析
通過(guò)兩個(gè)模型應(yīng)力云圖可知，非線性有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)[2]現(xiàn)象在開裂點(diǎn)、屈服點(diǎn)、極限荷載點(diǎn)及破壞點(diǎn)變化情況幾乎一致，說(shuō)明有限元已經(jīng)很好的模擬了試驗(yàn)現(xiàn)象。計(jì)算中，倘若荷載-位移曲線中出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)或水平位移增大時(shí)，對(duì)應(yīng)的荷載就是開裂荷載；而當(dāng)水平位移快速增大時(shí)，荷載幾乎保持不變，這時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載為極限荷載（即最大荷載）。圖3-3給出有限元模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的荷載-位移曲線對(duì)比圖。
對(duì)比開門洞模型F-1和不開門洞模型F-2，我們可以看出，開門洞墻體模型（即F-1）的初裂荷載和極限荷載均低于不開門洞模型（即F-2），開裂荷載低于2.8%，屈服荷載低于5.5%，極限荷載低于6.1%，破壞荷載低于5.4%，說(shuō)明門洞對(duì)墻體有顯著的削弱作用。
比較二者位移來(lái)說(shuō)，開裂荷載位移都很小，約1mm左右，這說(shuō)明砌塊墻體在水平側(cè)移很小的情況下就會(huì)出現(xiàn)裂縫，隨著荷載的增大，位移側(cè)移幅度增大很快，這說(shuō)明引起墻體開裂的主要因素是水平側(cè)移過(guò)大造成的。
3.3剛度退化分析
試件剛度計(jì)算公式為：
（3-1）
其中， 為水平荷載； 為水平位移。為了能更好的比較出帶砌塊墻框架的剛度，這里將與本模型同尺寸的純框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，三種模型的剛度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3-3所示。
表3-3 模型剛度計(jì)算結(jié)果
模型編號(hào) 剛度計(jì)算結(jié)果
模型F-1（開洞） 104.95 27.58 13.97
模型F-2（無(wú)洞） 73.65 14.71 10.28
純框架 27.33 10.96 9.12
由上表可以看出，模型F-1、F-2相對(duì)于純框架的開裂剛度分別提高了3.84倍和2.69倍；極限剛度提高了2.52倍和1.34倍；破壞剛度提高了1.53倍和1.12倍。從開裂到最大荷載階段，帶砌塊墻的異形柱框架明顯高于純框架結(jié)構(gòu)，而破壞時(shí)剛度相差值較小，表明模型F-1和F-2剛度退化速度較快。圖3-5給出了從彈性階段直到破壞整個(gè)過(guò)程中剛度與位移角的曲線變化圖。
圖3-5 有限元模型剛度與位移角
曲線變化圖
4.結(jié)論及建議
本篇論文采用理論分析，通過(guò)利用ANSYS11.0軟件，模擬了單層鋼筋混凝土寬肢異形柱框架-砌塊組合墻開洞與無(wú)洞兩種結(jié)構(gòu)的破壞全過(guò)程，最后得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：
（1）由寬肢異形柱框架與混凝土砌塊墻組成的結(jié)構(gòu)，具有很好的協(xié)同工作性能；
（2）在開裂點(diǎn)、屈服點(diǎn)、極限荷載點(diǎn)及破壞荷載點(diǎn)四種狀態(tài)下可以看出，有限元計(jì)算荷載與試驗(yàn)現(xiàn)象相差不大，但位移出現(xiàn)較大差值，主要是由于有限元建模未考慮墻體間的縫隙所造成的；
（3）通過(guò)有限元分析的應(yīng)力云圖可知，模型從開裂到破環(huán)的順序是先砌塊墻，后梁柱，在實(shí)際工程中可將砌塊墻作為抗震第一道防線；
（4）帶墻體框架承載能遠(yuǎn)高于純框架結(jié)構(gòu)，但墻體開洞會(huì)對(duì)整體結(jié)構(gòu)剛度及承載力造成明顯的影響，洞口面積越大，相應(yīng)砌塊墻剛度退化越快，從而導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)承載力越低，因此在實(shí)際應(yīng)用中，可將框架與墻體相連之處或是洞口邊緣進(jìn)行加固處理，來(lái)提高結(jié)構(gòu)的整體承載力；
本文所建立模型僅僅對(duì)比了開洞與無(wú)洞，沒(méi)有考慮其他變化因素，倘若開洞墻體結(jié)構(gòu)加入構(gòu)造柱會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生什么影響等；寬肢異形柱框架-砌塊墻組合結(jié)構(gòu)的非線性有限元分析還有待提高和完善，并沒(méi)有一套自身體系，尤其是砌體結(jié)構(gòu)分析，大多理論還是依賴于鋼筋混凝土有限元的成果。
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