淺議金屬拱形波紋屋面建模

摘 要: 金屬拱形波紋屋面是一種新型空間結構，文章對其采用三種建模方式，并將各自的分析結果與試驗結果進行比較,得出了一些初步結論。

關鍵詞:金屬拱形波紋屋面建模 承載力

Abstract ：Arched corrugate metal roof is a new member of spatial structures.The paper applies three kinds of modeling program,andcomparing their analytic results with test results,to make some initial conclusions.

Keywords : Arched corrugate metal roofmodeling bearing capacity

中圖分類號：TU7文獻標識碼：A 文章編號：2095-2104（2012）

引言

金屬拱形波紋屋面是一種新型薄壁殼體結構，此種特種結構集承重，保溫和圍護等于一身，具有建筑空間大，施工速度快，抗震能力強等優點。但是由于波紋形式的出現，使該結構的性能極為復雜，同時也給建模帶來了很大困難。本文針對這一問題，運用三種的不同建模方式，并進行了分析和比較。

1、金屬拱形波紋屋面建模方法

1.1 采用ANSYS軟件建模

ANSYS軟件是融結構傳熱學流體電磁學聲學爆破分析于一體的大型通用有限元軟件，它具有功能極為強大的前后處理及計算分析能力，能夠同時模擬結構熱流體電磁聲學壓電以及多種物理場間的耦合效應，目前在全世界擁有廣泛的用戶，近年來我國ANSYS的用戶也越來越多，很多大型結構如浦東國際機場在設計時就采用ANSYS進行分析。

采用ANSYS軟件對金屬拱形波紋屋面建模過程如下：

1通過計算常數的等效計算將金屬拱形波紋屋面簡化為同一厚度的小撓度金屬薄板

2選擇Preprocessor/ Element Type命令定義單元類。，由于金屬拱形波紋屋面屬于空間薄壁殼體，故選用薄板彈性單元（選用SHELL 181 單元）作為初始構形。

3選擇Preprocessor/ Real Constants命令定義實常數。包括橫截面面積，繞各軸的面積矩，材料密度Density、厚度T等，其中厚度為依靠波紋類型所得的等效厚度。

4選擇Preprocessor/ Meterial Models命令定義材料屬性。將金屬拱形波紋屋面定義為正交異性材料及楊氏彈性模量EX、泊松比PRXY等。其中楊氏彈性模量和泊松分別采用等效彈性模量和等效泊松比。

5選擇Preprocessor/ Modeling命令生成單元。

6選擇Preprocessor/ Meshtool命令劃分單元。由于金屬拱形波紋屋面的翼緣與腹板相比十分狹窄，所以在劃分單元時應小些，或采用局部細分，否則，單元將成為一塊長條板，精度不能保證。

7選擇Solution/ Define loads命令施加位移約束和荷載。因為組成金屬拱形波紋屋面的各部分都是互相咬合在一起的，橫向相互擠壓，變形較小，可以忽略不及。所以在豎直方向為鉸接支座，水平方向為彈簧鉸座（選用COMBIN14或COMBIN40單元）。在加載時，若給金屬拱形波紋屋面全截面上加均布荷載，那么它的局部變形將遠大于整體變形，這和工程實際，試驗結果相去甚遠。故在加載時，將荷載按等代荷載法等效加到金屬拱形波紋屋面腹板的兩條邊上。

8選擇Postprocessor命令進入后處理。

1.2 采用MALAB語言建模

MATLAB是80年代中期推出的數學軟件，時至今日，MATLAB已經發展成為適合多學科、多種工作平臺的功能強勁的大型軟件。其突出特點在于簡潔的的代碼及眾多涉及各學科的工具箱。

2000年張建明教授運用MATLAB語言編制了一套程序，用來對金屬拱形波紋屋面建模。

結構框圖如下：

子程序1根據界面上根據界面上輸入的基本結構參數（跨度，矢高，板厚，板型）計算體現其結構特征的各關鍵點坐標。

子程序2是自動劃分有限元網格，生成各區域內的結點，單元編號及單元結點劃分數據。

子程序3將相鄰區域邊界上的重合結點合并，形成整體，統一的有限元網格。

子程序4按約束部位的坐標將約束自動施加到相應結點。

子程序5將程序所生成的數據輸入有限元分析程序。

1.3 采用SAP93建模

由文獻（2）知，結構計算單元由腹板、上翼緣、下翼緣，用ViziCAD系統把三者分別建立有限元模型。作靜力分析時用DECODS命令進行譯碼，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,形成整個結構計算單元的模型。具體步驟如下：

1. 在SUPPER DRAW Ⅱ中以米為單位按實際尺寸繪出單拱下翼緣的圓弧線,利用自動劃分網格的方法形成網格圖,然后復制出結構計算單元的下翼緣模型,形成.ESD文件。

2. 對上述文件添加邊界條件和荷載后,在SUPPER DRAW II中用TRANSFER:STRESS命令（線性）、NONLINE命令（非線性）或在DOS下直接用DECODOS（線性）、DECODN（非線性）進行譯碼，分析類型根據需要可選靜力分析、板殼屈曲分析或幾何非線性分析，譯碼后生成.SST文件，并進行保存。

3采用相同的方法，建立腹板及上翼緣有限元模型。

4利用COMBSSTH將上述.SST文件粘結在一起，形成計算單元模型。

5進入對計算單元進行可視化圖形校核，發現問題就回到（1）、（2）、（3）作相應修改，再重復（4）、(5),直至校核無誤，符合要求為止。

2、三種建模方法的分析結果與試驗結果的比較

為了檢驗三種建模方法的有效性，分別將這三種建模方法的分析結果與試驗結果進行了對比。由于條件限制，本文根據分別來自文獻（2），（3）的試驗數據進行相應建模。

表1 MIC-240金屬拱形波紋屋面計算和試驗結果的比較

Table 1 Comparision of test data and computer data of MIC-240 arched corrugate metal roof

3、小結

通過上述介紹及分析數據的比較，可以看出：采用ANSYS程序建模其優點在于建模方法較為簡單，但其缺點也顯而易見，就是分析數據不夠精確，劃分單元比較困難，在分析金屬拱形波紋屋面的屈曲變形及破壞形式時可采用此種建模方式；而采用MATLAB語言建模，程序中的網格自動劃分，重合節點合并，約束自動施加子程序均為有限元建模的通用子程序，故上述程序有良好的通用性，它還有良好的操作界面，運行時只須按界面上的文字提示輸入基本結構尺寸參數，就可以從界面上看到所建立的有限元程序模型，可用性較好；另外，采用SAP93建模，由于SAP93程序應用不夠廣泛，很難推廣，而且建模較為復雜，但其分析

數據還是有較好的參考價值。

參考文獻:

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[5] 劉濤，楊鳳鵬.精通ANSYS[M].北京：清華大學出版社，2002，10-28.

注：文章內所有公式及圖表請以PDF形式查看。

提示：本文轉載自“文秘幫”，Arched metal roof：拱形金屬屋頂

Tags：建模軟件有限元拱形波紋屋面