【關(guān)鍵詞】 ANSYS 桁架結(jié)構(gòu) 優(yōu)化選型 

　　1 工程概況 

　　混凝土運(yùn)輸系統(tǒng)是大體積混凝土工程順利實(shí)施的關(guān)鍵�；炷�土熟料從拌和系統(tǒng)出來后經(jīng)水平運(yùn)輸和垂直運(yùn)輸?shù)綕仓�作業(yè)面，施工中，根據(jù)地形、工程量、混凝土性質(zhì)和企業(yè)能力等采用不同的運(yùn)輸方式。對于水平運(yùn)輸，中小型工程一般采用斗車或罐車，大型工程一般采用罐車、自卸汽車或皮帶機(jī)運(yùn)輸；對于垂直運(yùn)輸，中小型工程一般采用溜槽、人工翻倉、汽車吊、輸送泵等，大型工程一般采用塔式起重機(jī)、門式起重機(jī)、塔帶機(jī)和纜機(jī)等。 

　　某水庫是一座大（2）型水庫，其進(jìn)水塔為2級建筑物，相鄰的兩個(gè)進(jìn)水塔高度分別為102m和86m，均為岸坡式建筑物，混凝土工程量13.2萬m3，塔體采用限裂設(shè)計(jì)。[1] 

　　結(jié)合兩個(gè)進(jìn)水塔均為岸坡式建筑物，根據(jù)現(xiàn)場地形確定了以下運(yùn)輸方案。在施工道路旁架設(shè)皮帶機(jī)（簡稱1#機(jī)）進(jìn)行水平運(yùn)輸，通過鉛直布設(shè)的box管進(jìn)行垂直運(yùn)輸，box管的下端再架設(shè)一條皮帶機(jī)（簡稱2#機(jī)）把混凝土輸送給倉面布料機(jī)，360°旋轉(zhuǎn)的倉面布料機(jī)兩端掛直徑420mm的象鼻溜管進(jìn)行倉面布料，當(dāng)完成2～3個(gè)澆筑層（一般每層3m）需要上升布料機(jī)時(shí)，用900tm塔式起重機(jī)把2#皮帶機(jī)和布料機(jī)提升布設(shè)，進(jìn)行下一循環(huán)的作業(yè)。 

　　該方案雖然能夠滿足施工強(qiáng)度要求，資金投入相對較少，但亟待解決混凝土輸送桁架結(jié)構(gòu)選型這一技術(shù)問題。 

　　2 桁架結(jié)構(gòu)的有限元模型 

　　有限元模型建立是否恰當(dāng)會(huì)直接影響到工程計(jì)算結(jié)果的可靠性。所謂建立模型，就是結(jié)構(gòu)的離散化，對結(jié)構(gòu)施加約束條件和荷載，然后進(jìn)行計(jì)算分析。因此，選擇合適的計(jì)算模型和單元模型是十分重要的。 

　　本文中，在建立ANSYS模型時(shí)采用桿單元Link8來模擬二力桿，可用梁單元Beam4來模擬可承受拉、壓、彎、扭的受力單元。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求設(shè)置荷載布置，然后荷載由橫梁傳遞到桁架的各節(jié)點(diǎn)引起桁架共同受力。本文主要從兩個(gè)方面對桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，（1）對鋼站柱個(gè)數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；（2）對結(jié)構(gòu)中鋼站柱的位置進(jìn)行優(yōu)化。備選方案總共3個(gè)，A方案：鋼站柱兩個(gè)，橫坐標(biāo)分別為23m和46m，施加的等效荷載為547.9KN；B方案：剛站柱一個(gè)，橫坐標(biāo)為23m，施加的等效荷載仍為547.9KN；C方案：剛站柱一個(gè)，橫坐標(biāo)為35m，即位于皮帶機(jī)的中間位置下方位置在2/3處，施加的等效荷載仍為547.9KN。不同方案的鋼站柱的位置及其數(shù)量如表1所示。該桁架結(jié)構(gòu)三維模型中包含單元939個(gè)，結(jié)點(diǎn)387個(gè)。不同方案對應(yīng)的有限元分析模型如圖1、圖2、圖3所示。 

　　有限單元法是一種有著堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域的數(shù)值分析方法。從選擇未知量的角度來看，有限單元法可以分為三類，即位移法、力法及混合法，其中最常用的是有限元位移法。本文擬用混合法對三種方案下桁架架構(gòu)模型進(jìn)行ANSYS仿真分析，并對三種方案進(jìn)行對比優(yōu)選。該桁架結(jié)構(gòu)三維模型中包含單元939個(gè)，結(jié)點(diǎn)387個(gè)。不同方案對應(yīng)的有限元分析模型分別如圖1、圖2、圖3所示。 

　　3 結(jié)果分析 

　　應(yīng)用ANSYS軟件對產(chǎn)品進(jìn)行模擬和分析時(shí)，一般要經(jīng)歷三個(gè)步驟，即前處理、求解計(jì)算和后處理。具體本文中結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的步驟如下：1）參數(shù)化建立模型；2）求解；3）提取并指定狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)；4）進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；5）查看設(shè)計(jì)結(jié)果。本文桁架結(jié)構(gòu)仿真優(yōu)化分析所使用的材料參數(shù)如下：彈性模量E=2.06×105；泊松比0.3；材料密度7.8×103；容許應(yīng)力215。 

　　空間桁架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)驗(yàn)算其強(qiáng)度，剛度和穩(wěn)定性。理論分析和工程實(shí)例都表明，當(dāng)空間桁架結(jié)構(gòu)跨度比較大時(shí)，其設(shè)計(jì)一般是受穩(wěn)定性控制的，且穩(wěn)定分析首要的是計(jì)算其臨界荷載。 

　　綜合不同方案的ANSYS仿真計(jì)算結(jié)果，分析可知：三種方案中單元的最大拉應(yīng)力及最大壓應(yīng)力均小于Q235鋼的強(qiáng)度215Mpa，即三種方案均滿足強(qiáng)度要求；三種方案桁架結(jié)構(gòu)的位移滿足規(guī)范的要求，均不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞。結(jié)合工程所處的地質(zhì)條件及地形，并對三種方案計(jì)算結(jié)果進(jìn)行橫向?qū)Ρ确治隹芍�：A方案，可滿足設(shè)計(jì)要求及工程實(shí)際需要，但其桁架結(jié)構(gòu)搭設(shè)難度大，造價(jià)高，維修難度大；B方案，可滿足設(shè)計(jì)要求及工程實(shí)際需要，較A方案而言整體造價(jià)有所降低，但剛站柱高度需達(dá)到46m；C方案，可滿足設(shè)計(jì)要求及工程實(shí)際需要，較A、B方案而言造價(jià)低，經(jīng)濟(jì)效益高，且剛站柱高度只需達(dá)到30m，而且桁架結(jié)構(gòu)搭設(shè)難度較A、方案也較低。綜合分析可知，該桁架結(jié)構(gòu)應(yīng)選用C方案。 

　　在工程實(shí)際中，在選用C方案的基礎(chǔ)上，又對桁架結(jié)構(gòu)桿件的截面進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化。為工程創(chuàng)造了更大的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。 

　　4 結(jié)語 

　　本文根據(jù)工程的設(shè)計(jì)要求及實(shí)際需要，在ANSYS10.0環(huán)境下，建立了桁架結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，通過仿真計(jì)算得出不同方案中各桿的應(yīng)力、結(jié)構(gòu)的位移。有限元計(jì)算結(jié)果表明：三種方案下的桁架結(jié)構(gòu)均能夠安全承載，其最大應(yīng)力值和最大變形量均在允許的設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，不會(huì)引起結(jié)構(gòu)的破壞或變形量過大。結(jié)合桁架的實(shí)際工作環(huán)境及工程造價(jià)、經(jīng)濟(jì)效益，我們優(yōu)選C方案為最終方案�；�于ANSYS的有限元三維仿真分析為結(jié)構(gòu)安全驗(yàn)算及方案優(yōu)選提供了理論依據(jù)和積極的現(xiàn)實(shí)意義。 

　　參考文獻(xiàn)： 

　　[1]董旭剛.桁架結(jié)構(gòu)的有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究.西安理工大學(xué)，2005.03. 

　　[2]胡燕東.工程起重機(jī)中超靜定桁架結(jié)構(gòu)的彈性穩(wěn)定性分析.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.06.