金属拱形波纹屋面建模

长沙中扬钢结构有限公司专注拱形波纹钢屋盖设计制作安装金属拱形波纹 屋面建模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ANS丫锹件建模ANS YS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ANS YS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 SHELL18单元）作为初始构 形。3选择Preprocessor/RealConstants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，其中厚度为依靠波地址：湖南省长 沙市新建西路 1 26号中江丽晶苑 4单元 208室长沙中扬钢结构有限公司专注拱形波纹钢屋盖设计制作安装纹类型所得的 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。地址：湖南省长沙市新建西路 1 26号中江丽晶苑 4单元 208室长沙中扬钢结构有限公司专注拱形波纹钢屋盖设计制作安装结构框图如 下：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SUPPERDRAW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SUPPERDRAW中用TRANSFER:STRE命令(线性)、NONLINE命令(非线性)或在 DOS下直地 址：湖南省长沙市新建西路 1 26号中江丽晶苑 4 单元 208室长沙中扬钢结构有限公司专注拱形波纹钢屋盖设计制作安装接用 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COMBSSTI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。表 1 MIC-240 金属拱形波纹屋面计算和试验结果的比较Table 1 Comparision of test data and computer data of MIC-240 archedcorrugate metal roof3 小结通过上述介绍及分析数据的比较，可以看出：采用ANS YSS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地址：湖南省长沙市新建西路 126号中江丽晶苑 4单元 208室长沙中扬钢结构有限公司专注拱形波纹钢屋盖设计制作安装用子程序，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。地址：湖南省长沙市新建西路 126号中江丽晶苑 4单元 208室