基于ANSYS空间网架有限元分析及优化设计

　　关键词：ANSYS,优化设计，网架　　

　　论文摘要：空间网架结构是现代大跨度结构工程中最常用的结构形式。本文针对运用ANSYS进行网空间网架结构的有限元分析，讨论了单元类型，以及模型的选择，并且定义材料的极限应力，必要时甚至考虑压杆失稳状态（屈曲分析）。在各种荷载（永久荷载，风荷载，地震荷载，自重）的作用下，利用强大有限元分析软件ANSYS对网架结构进行静力学分析，之后利用ANSYS强大的优化设计功能，在结构安全的情况下，对网架杆件的截面进行优化设计，然后根据现有的杆件的截面，合理的选择杆件截面，减少材料的消耗量，达到最，合理的设计，实现可持续发展，作出令人满意的设计。

　　1  前言

　　空间网架结构由于具有轻便、通透的特点，适合大面积、大跨度的使用，现已经成为土木工程大跨度结构中采用的最多的结构形式。土木工程师在对网架结构进行受力分析时，往往希望通过采用诸如ANSYS等大型通用有限元分析软件进行计算。考虑到大跨度网架结构的材料用量，必然希望在结构安全的情况下，材料的实用量能够达到最少，ANSYS的后期强大的优化设计功能很好地解决了这个问题。在运用ANSYS进行优化设计时应合理选用迭代次数，在以尽量少的计算量的情况下，得出最优解。

　　2   单元类型的选取

　　空间网架结构组成部分主要为杆单元，网架的受力特点是杆件均为铰接，不能承受弯矩和扭矩，因此所有的杆件只受拉或受压。

　　LINK8—三维杆（或桁架）单元是有着广泛的工程应用的杆单元，比如可以用来模拟：桁架、缆索、连杆、弹簧等等。这种三维杆单元是杆轴方向的拉压单元，每个节点具有三个自由度：沿节点坐标系X、Y、Z方向的平动。就像在铰接结构中的表现一样，本单元不承受弯矩。本单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力刚化、大变形、大应变等功能。对于LINK8单元有如下假设：杆单元假定为一直杆，轴向荷载作用在末端，自杆的一端至另一段均为同一属性。杆长应大于零，即节点I和J不重合。面积也必须比零要大。假定温度沿杆长线性变化。 位移函数暗含着在杆上具有相同的应力。初始应变也被用来计算应力刚度矩阵，即便是对于第一次累计迭代。

Link8单元示意图

网架结构中的杆件的受力形式为二力杆，使用Link 8来模拟是最合理的选择。

　　3 材料模型的选取

　　网架结构中的材料模型的选取也对整个仿真工程的精确程度有着重大的影响，正确的选择材料模型，将对整个虚拟工程的可信度起到重大的影响，再次我们选择低碳钢Q235作为网架结构的材料，为了减少计算量，避免由于材料非线性引起的非线性问题，在此假设Q235为线弹性材料，并且定义其弹性模量为201Gpa，泊松比为0.3，许用应力210Mpa。