数值模拟分析实例

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1、华中科技大学体育馆数值模拟分析6.1分析模型的建立采用有限元软件ANSYS建立该网壳结构有限元分析模型。整体屋盖结构共计1481个节点，4430个单元，16种截面类型。建模时，网壳结构主体结构部分（包括主桁架、次桁架、水平支撑和檩条）采用ANSYS的LINK8杆单元建模，两侧翼的主梁、次梁和支承钢管柱均采用BEAM4梁单元，网壳结构屋面下部混凝土支承结构亦采用BEAM4梁单元。分析时，屋面板、设备管线等荷载等效为节点荷载，施加在结构节点上。在网壳结构有限元分析中，对于杆件采用的LINK83-DSpar单元为三维单元，假设材料为均质等直杆，且在轴向上施加载荷，可以承受单向的

2、拉伸或者压缩，每个节点上具有三个自由度，即沿X、Y和Z坐标轴方向。该单元具有塑性、蠕变、应力硬化和大变形等功能，能较好的模拟三维空间桁架单元。对于两侧翼结构和下部支撑体系的柱、梁等结构采用的BEAM4单元是一个轴向拉压、扭转和弯曲单元，每个节点有三个平动自由度和三个转动自由度，具有应力刚化和大变形功能。施工过程模拟分析时考虑时，同时考虑温度效应影响，计算时材料假定为理想弹塑性材料。图6-1有限元分析模型6.2分析工况选取按照实际施工顺序，将网壳结构屋盖施工过程划分为5个工况进行施工数值模拟，计算温度取为该阶段施工完成时的环境温度。工况1:7榀拱形主桁架安装完毕，但临时支撑

3、未撤除，计算温度为温度15℃；（a）短轴立面（b）长轴立面图6-2工况1中屋盖结构平面图图6-3工况1中屋盖结构立面图工况2:两侧翼结构安装完毕，完成后拆除其临时支撑，计算温度为8℃；（a）短轴立面（b）长轴立面图6-4工况2中屋盖结构平面图图6-5工况2中屋盖结构立面图工况3:次桁架、水平支撑及楼梯安装完毕，临时支撑拆除，计算温度为29℃；（a）短轴立面（b）长轴立面图6-6工况2中屋盖结构平面图图6-7工况2中屋盖结构立面图工况4:檩条及设备管线安装完毕，计算温度为41℃；（a）短轴立面（b）长轴立面图6-8工况2中屋盖结构平面图图6-9工况2中屋盖结构立面图工况5:

4、屋面板及保温层等安装完毕，计算温度为16℃。6.3分析结果图6-10所示为华中科技大学网壳结构屋盖施工过程模拟分析杆件应变云图。从图中可以看出，在网壳结构施工过程中，受力较大杆件都集中在支座附近。（a）施工工况1网壳结构杆件应变图（b）施工工况2网壳结构杆件应变图（c）施工工况3网壳结构杆件应变图（d）施工工况4网壳结构杆件应变图（e）施工工况5网壳结构杆件应变图图6-10施工过程中网壳结构杆件应变图7武汉体育中心体育馆有限元分析7.1空心球节点有限元分析7.1.1分析模型采用有限元软件ANSYS对空间节点进行受力性能进行分析。节点建模采用ANSYS提供的4节点弹塑性壳单

5、元，每个节点有6个自由度，包括3个线位移自由度和3个转动自由度，该单元具有大挠度小应变的特点，能比较好的模拟球节点的受力特性。划分网格时采用映射划分和自由划分、整体划分和局部加密相结合的方法。先对模型分区，杆与球的主体采用映射网格划分法，相贯线处由于边界复杂采用自由划分。网格划分时通过控制单元边长，并在相贯线附近缩小控制尺寸，从而保证计算精度。这样，整个模型共分为56681个单元，28243个结点。加载时，考虑节点的实际受力情况加载，节点支座底部约束所有自由度，各杆上荷载按实际受力比例轴向加载。计算模型见图43。图43空心球节点计算模型分析时考虑了材料非线性和几何非线性。

6、材料为Q345钢，计算时材料假定为弹塑性材料，服从Von-Mises屈服准则，材料塑性按双线性等向强化考虑，弹性模量E=2.0×105N/mm2，屈服后模量取2%E，fy=370N/mm2。分析采用增量迭代的方法，将牛顿拉斐逊方法（Newton-Raphson）、线性搜索技术(LineSearch)、应用预测(Predictor)、自适应下降(AdaptiveDescent)等加速收敛技术有机结合建立非线性平衡求解方法。收敛准则为位移及不平衡节点力收敛准则。本文不计残余应力和节点区焊缝对节点极限承载力的影响。7.1.2分析结果在整个加载过程中，除7、8、9三根杆外，杆上应

7、力呈弹性状态，从受荷点至球杆交界处，应力呈比例增长，由于是轴向加载，无偏心影响，杆周应力均匀分布，基本是轴向应力，环向应力很小，其中应力最大点位于最大受力杆与球的交界处。从计算可知，在设计荷载和检验荷载作用下，除7、8、9三根杆外，其余各杆均未屈服。而在1.4倍设计荷载下，7、8、9三根杆相贯处和杆底端部分区域屈服。球面受力状态比较复杂，属于空间受力范畴。从计算得知，球杆交界处(焊趾附近)应力集中现象比较严重。在1.5倍设计荷载作用下，8号、9号杆件与空心球体交界处球体出现了局部屈服。因此，根据上述有限元分析结果，该节点极限承