基于ANSYS的桁架结构优化

【关键词】 ANSYS 桁架结构 优化选型 

　　1 工程概况 

　　混凝土运输系统是大体积混凝土工程顺利实施的关键。混凝土熟料从拌和系统出来后经水平运输和垂直运输到浇筑作业面，施工中，根据地形、工程量、混凝土性质和企业能力等采用不同的运输方式。对于水平运输，中小型工程一般采用斗车或罐车，大型工程一般采用罐车、自卸汽车或皮带机运输；对于垂直运输，中小型工程一般采用溜槽、人工翻仓、汽车吊、输送泵等，大型工程一般采用塔式起重机、门式起重机、塔带机和缆机等。 

　　某水库是一座大（2）型水库，其进水塔为2级建筑物，相邻的两个进水塔高度分别为102m和86m，均为岸坡式建筑物，混凝土工程量13.2万m3，塔体采用限裂设计。[1] 

　　结合两个进水塔均为岸坡式建筑物，根据现场地形确定了以下运输方案。在施工道路旁架设皮带机（简称1#机）进行水平运输，通过铅直布设的box管进行垂直运输，box管的下端再架设一条皮带机（简称2#机）把混凝土输送给仓面布料机，360°旋转的仓面布料机两端挂直径420mm的象鼻溜管进行仓面布料，当完成2～3个浇筑层（一般每层3m）需要上升布料机时，用900tm塔式起重机把2#皮带机和布料机提升布设，进行下一循环的作业。 

　　该方案虽然能够满足施工强度要求，资金投入相对较少，但亟待解决混凝土输送桁架结构选型这一技术问题。 

　　2 桁架结构的有限元模型 

　　有限元模型建立是否恰当会直接影响到工程计算结果的可靠性。所谓建立模型，就是结构的离散化，对结构施加约束条件和荷载，然后进行计算分析。因此，选择合适的计算模型和单元模型是十分重要的。 

　　本文中，在建立ANSYS模型时采用杆单元Link8来模拟二力杆，可用梁单元Beam4来模拟可承受拉、压、弯、扭的受力单元。根据设计规范的要求设置荷载布置，然后荷载由横梁传递到桁架的各节点引起桁架共同受力。本文主要从两个方面对桁架结构进行优化，（1）对钢站柱个数进行优化；（2）对结构中钢站柱的位置进行优化。备选方案总共3个，A方案：钢站柱两个，横坐标分别为23m和46m，施加的等效荷载为547.9KN；B方案：刚站柱一个，横坐标为23m，施加的等效荷载仍为547.9KN；C方案：刚站柱一个，横坐标为35m，即位于皮带机的中间位置下方位置在2/3处，施加的等效荷载仍为547.9KN。不同方案的钢站柱的位置及其数量如表1所示。该桁架结构三维模型中包含单元939个，结点387个。不同方案对应的有限元分析模型如图1、图2、图3所示。 

　　有限单元法是一种有着坚实的理论基础和广泛的应用领域的数值分析方法。从选择未知量的角度来看，有限单元法可以分为三类，即位移法、力法及混合法，其中最常用的是有限元位移法。本文拟用混合法对三种方案下桁架架构模型进行ANSYS仿真分析，并对三种方案进行对比优选。该桁架结构三维模型中包含单元939个，结点387个。不同方案对应的有限元分析模型分别如图1、图2、图3所示。 

　　3 结果分析 

　　应用ANSYS软件对产品进行模拟和分析时，一般要经历三个步骤，即前处理、求解计算和后处理。具体本文中结构优化设计的步骤如下：1）参数化建立模型；2）求解；3）提取并指定状态变量和目标函数；4）进行优化设计；5）查看设计结果。本文桁架结构仿真优化分析所使用的材料参数如下：弹性模量E=2.06×105；泊松比0.3；材料密度7.8×103；容许应力215。 

　　空间桁架结构的设计应验算其强度，刚度和稳定性。理论分析和工程实例都表明，当空间桁架结构跨度比较大时，其设计一般是受稳定性控制的，且稳定分析首要的是计算其临界荷载。 

　　综合不同方案的ANSYS仿真计算结果，分析可知：三种方案中单元的最大拉应力及最大压应力均小于Q235钢的强度215Mpa，即三种方案均满足强度要求；三种方案桁架结构的位移满足规范的要求，均不会发生失稳破坏。结合工程所处的地质条件及地形，并对三种方案计算结果进行横向对比分析可知：A方案，可满足设计要求及工程实际需要，但其桁架结构搭设难度大，造价高，维修难度大；B方案，可满足设计要求及工程实际需要，较A方案而言整体造价有所降低，但刚站柱高度需达到46m；C方案，可满足设计要求及工程实际需要，较A、B方案而言造价低，经济效益高，且刚站柱高度只需达到30m，而且桁架结构搭设难度较A、方案也较低。综合分析可知，该桁架结构应选用C方案。 

　　在工程实际中，在选用C方案的基础上，又对桁架结构杆件的截面进行了进一步优化。为工程创造了更大的经济效益及社会效益。 

　　4 结语 

　　本文根据工程的设计要求及实际需要，在ANSYS10.0环境下，建立了桁架结构的三维有限元模型，通过仿真计算得出不同方案中各杆的应力、结构的位移。有限元计算结果表明：三种方案下的桁架结构均能够安全承载，其最大应力值和最大变形量均在允许的设计范围内，不会引起结构的破坏或变形量过大。结合桁架的实际工作环境及工程造价、经济效益，我们优选C方案为最终方案。基于ANSYS的有限元三维仿真分析为结构安全验算及方案优选提供了理论依据和积极的现实意义。 

　　参考文献： 

　　[1]董旭刚.桁架结构的有限元分析与优化设计研究.西安理工大学，2005.03. 

　　[2]胡燕东.工程起重机中超静定桁架结构的弹性稳定性分析.哈尔滨工业大学，2010.06.