浅议金属拱形波纹屋面建模

来源：职称驿站所属分类：建筑设计论文
发布时间：2013-02-18浏览：35次

　　摘要: 金属拱形波纹屋面是一种新型空间结构，文章对其采用三种建模方式，并将各自的分析结果与试验结果进行比较,得出了一些初步结论。

　　关键词: 金属拱形波纹屋面,建模,承载力

　　引言

　　金属拱形波纹屋面是一种新型薄壁壳体结构，此种特种结构集承重，保温和围护等于一身，具有建筑空间大，施工速度快，抗震能力强等优点。但是由于波纹形式的出现，使该结构的性能极为复杂，同时也给建模带来了很大困难。本文针对这一问题，运用三种的不同建模方式，并进行了分析和比较。

　　1 金属拱形波纹屋面建模方法

　　1.1 采用ANSYS软件建模

　　ANSYS软件是融结构传热学流体电磁学声学爆破分析于一体的大型通用有限元软件，它具有功能极为强大的前后处理及计算分析能力，能够同时模拟结构热流体电磁声学压电以及多种物理场间的耦合效应，目前在全世界拥有广泛的用户，近年来我国ANSYS的用户也越来越多，很多大型结构如浦东国际机场在设计时就采用ANSYS进行分析。

　　采用ANSYS软件对金属拱形波纹屋面建模过程如下：

　　1 通过计算常数的等效计算将金属拱形波纹屋面简化为同一厚度的小挠度金属薄板

　　2 选择Preprocessor/ Element Type命令定义单元类。，由于金属拱形波纹屋面属于空间薄壁壳体，故选用薄板弹性单元(选用SHELL 181 单元)作为初始构形。

　　3 选择Preprocessor/ Real Constants命令定义实常数。包括横截面面积，绕各轴的面积矩，材料密度Density、厚度T等，其中厚度为依靠波纹类型所得的等效厚度。

　　4 选择Preprocessor/ Meterial Models命令定义材料属性。将金属拱形波纹屋面定义为正交异性材料及杨氏弹性模量EX、泊松比PRXY等。其中杨氏弹性模量和泊松分别采用等效弹性模量和等效泊松比。

　　5 选择Preprocessor/ Modeling命令生成单元。

　　6 选择Preprocessor/ Meshtool命令划分单元。由于金属拱形波纹屋面的翼缘与腹板相比十分狭窄，所以在划分单元时应小些，或采用局部细分，否则，单元将成为一块长条板，精度不能保证。

　　7 选择Solution/ Define loads命令施加位移约束和荷载。因为组成金属拱形波纹屋面的各部分都是互相咬合在一起的，横向相互挤压，变形较小，可以忽略不及。所以在竖直方向为铰接支座，水平方向为弹簧铰座(选用COMBIN14或COMBIN40单元)。在加载时，若给金属拱形波纹屋面全截面上加均布荷载，那么它的局部变形将远大于整体变形，这和工程实际，试验结果相去甚远。故在加载时，将荷载按等代荷载法等效加到金属拱形波纹屋面腹板的两条边上。

　　8 选择Postprocessor命令进入后处理。

　　1.2 采用MALAB语言建模

　　MATLAB是80年代中期推出的数学软件，时至今日，MATLAB已经发展成为适合多学科、多种工作平台的功能强劲的大型软件。其突出特点在于简洁的的代码及众多涉及各学科的工具箱。

　　2000年张建明教授运用MATLAB语言编制了一套程序，用来对金属拱形波纹屋面建模。

　　子程序1根据界面上根据界面上输入的基本结构参数(跨度，矢高，板厚，板型)计算体现其结构特征的各关键点坐标。

　　子程序2是自动划分有限元网格，生成各区域内的结点，单元编号及单元结点划分数据。

　　子程序3将相邻区域边界上的重合结点合并，形成整体，统一的有限元网格。

　　子程序4按约束部位的坐标将约束自动施加到相应结点。

　　子程序5将程序所生成的数据输入有限元分析程序。

　　1.3 采用SAP93建模

　　由文献(2)知，结构计算单元由腹板、上翼缘、下翼缘，用ViziCAD系统把三者分别建立有限元模型。作静力分析时用DECODS命令进行译码，形成.SST 文件，然后用二次COMBSSTH命令把三者粘合在一起，形成.SNT文件,然后用二次COMBSNT命令把三者粘合在一起,形成整个结构计算单元的模型。具体步骤如下：

　　1. 在SUPPER DRAW Ⅱ中以米为单位按实际尺寸绘出单拱下翼缘的圆弧线,利用自动划分网格的方法形成网格图,然后复制出结构计算单元的下翼缘模型,形成.ESD文件。

　　2. 对上述文件添加边界条件和荷载后,在SUPPER DRAW II中用TRANSFER:STRESS命令(线性)、NONLINE命令(非线性)或在DOS下直接用DECODOS(线性)、DECODN(非线性)进行译码，分析类型根据需要可选静力分析、板壳屈曲分析或几何非线性分析，译码后生成.SST文件，并进行保存。

　　3 采用相同的方法，建立腹板及上翼缘有限元模型。

　　4 利用COMBSSTH将上述.SST文件粘结在一起，形成计算单元模型。

　　5 进入对计算单元进行可视化图形校核，发现问题就回到(1)、(2)、(3)作相应修改，再重复(4)、(5),直至校核无误，符合要求为止。

　　2三种建模方法的分析结果与试验结果的比较

　　为了检验三种建模方法的有效性，分别将这三种建模方法的分析结果与试验结果进行了对比。由于条件限制，本文根据分别来自文献(2)，(3)的试验数据进行相应建模。

　　3小结

　　通过上述介绍及分析数据的比较，可以看出：采用ANSYS程序建模其优点在于建模方法较为简单，但其缺点也显而易见，就是分析数据不够精确，划分单元比较困难，在分析金属拱形波纹屋面的屈曲变形及破坏形式时可采用此种建模方式;而采用MATLAB语言建模，程序中的网格自动划分，重合节点合并，约束自动施加子程序均为有限元建模的通用子程序，故上述程序有良好的通用性，它还有良好的操作界面，运行时只须按界面上的文字提示输入基本结构尺寸参数，就可以从界面上看到所建立的有限元程序模型，可用性较好;另外，采用SAP93建模，由于SAP93程序应用不够广泛，很难推广，而且建模较为复杂，但其分析

　　数据还是有较好的参考价值。

　　参考文献:

　　[1] 王建明,张静.金属拱形波纹屋面计算机辅助设计及承载力分析[J].山东工业大学学报，2000.30(4):393-397.

　　[2] 陕亮.支座及下部刚度对金属波纹拱受力性能影响的研究[D].武汉:武汉理工大学硕士，2001.

　　[3] 高福聚，刘锡良.金属拱形波纹屋面承载能力分析与试验研究[J].建筑结构，2001.31(2):20-22.

　　[4] 张宜华，史惠康.精通MATLAB 5 [M].北京：清华大学出版社，1999，296-319.

　　[5] 刘涛，杨凤鹏.精通ANSYS[M].北京：清华大学出版社，2002，10-28.

《浅议金属拱形波纹屋面建模》

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文章名称：浅议金属拱形波纹屋面建模

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