時間：2022-08-05 09:12:45
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇有限元分析論文，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
關鍵詞：高聳鋼筋混凝土結構煙囪；爆破拆除；數值模擬；本構關系；有限元模型
1.引言
隨著城市化進程和產業升級的不斷推進，在城市建設和企業技術改造中，經常要開展煙囪、水塔等廢棄高聳建筑物的控制性拆除爆破工作。拆除爆破既要達到預定拆除目的，又必須有效控制爆破振動影響、飛石拋擲距離和破壞范圍等，以保障周圍環境安全[1]。目前，國內外已廣泛應用爆破方法拆除高聳建筑物，定向爆破拆除煙囪的高度已達210米[2]。
本文基于彈塑性力學和有限元基本理論，針對一150m高聳鋼筋混凝土結構煙囪定向爆破拆除工程，對該煙囪爆破拆除的力學條件、煙囪爆破傾覆時間、煙囪爆破傾覆時的支座內力以及煙囪爆破傾覆時的本構關系進行研究，并采用有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA，通過分離式共節點建模，建立高聳鋼筋混凝土煙囪有限元模型，對煙囪爆破拆除過程進行了有限元模擬。
2.爆破拆除方案
煙囪爆破拆除的原理是在煙囪傾倒一側的煙囪支承筒壁底部炸開一個爆破缺口，破壞煙囪結構穩定性，導致整個結構失穩和重心外移，使煙囪在自重作用下形成傾覆力矩，進而使煙囪按預定方向傾倒。若煙囪爆破缺口長度過短，上部結構產生的傾覆力矩可能小于下部支撐結構可以承受的彎矩，爆破時結構不易發生破壞；若煙囪爆破缺口尺寸過長，下部支撐結構不能承受上部結構的自重，上部結構將直接壓塌下部結構，影響煙囪倒塌方向，產生嚴重后果。因此煙囪爆破缺口尺寸對煙囪控制爆破拆除至關重要。
某電廠一個150m高度的鋼筋混凝土結構煙囪，煙囪底部壁厚400mm，外徑為5.83m、內徑為5.43m；110m高度處煙囪璧厚為180mm，外徑為3.68m、內徑為3.5m；煙囪頂部壁厚200mm，外徑為2.905m、內徑為2.705m；煙囪體積為1299.87m3，質量為3.37966×106Kg，煙囪自重為33121KN。圖1為該電廠150m高度的鋼筋混凝土煙囪。
在爆破缺口中部長度7.5m范圍內，采用137發瞬發導爆管雷管，總裝藥量8.22kg；第二段起爆雷管布置在爆破缺口余下的炮孔，采用140發導爆管毫秒延期雷管，總裝藥量8.4kg。此外，為保證煙囪順利倒塌，在煙囪爆破缺口兩端各開設了1個高1.46m、長4m的三角形作為定向窗。
3.煙囪爆破傾覆時間歷程
煙囪爆破傾覆時間是煙囪爆破過程控制的一個重要因素，煙囪爆破傾覆時間可由煙囪傾覆過程的角加速度ε與煙囪傾覆過程的角速度求得，即：
在公式（1）中，dt為煙囪爆破傾覆時間。針對論文中150m高度的鋼筋混凝土結構煙囪，其爆破傾覆時間為：
4.煙囪爆破拆除過程有限元模擬
4.1有限元模型
鑒于鋼筋混凝土煙囪由鋼筋和混凝土兩種不同性能的材料組成，采用分離式共節點有限元建模，可事先分別計算混凝土和鋼筋的單元剛度矩陣，然后統一集成到結構整體剛度矩陣中，可按實際配筋劃分單元，并可在鋼筋混凝土之間嵌入粘結單元。因此，論文針對該150m高度鋼筋混凝土結構煙囪，基于ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件[11]，采用分離式有限元建模方法建立鋼筋混凝土煙囪有限元模型。論文建立的煙囪有限元整體模型如圖3所示。
建模過程時，為模擬煙囪傾覆過程，通過在特定時間定義爆破缺口處材料失效的方法來模擬爆破缺口的形成。筒體之間以及筒體與地面之間采用自動單面接觸，鋼筋與地面之間采用點面接觸模擬煙囪傾覆觸地。其中在ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件環境下可通過在K文件中加入使材料失效的命令流來模擬爆破形成缺口，并可修改K文件使煙囪筒體和缺口處的材料具有失效準則功能。
4.2數值模擬結果
圖4為煙囪爆破傾覆歷程數值模擬結果，圖5為實際煙囪爆破傾覆歷程圖，圖6和圖7為有限元計算得到的煙囪頂部、質心及缺口等不同部位在爆破傾覆過程中的位移、運動速度隨時間的變化曲線，圖8為有限元計算得到的煙囪爆破傾覆歷程不同時刻的煙囪等效應力場分布圖。
由圖4和圖5可知，煙囪爆破傾覆歷程數值模擬結果與實際煙囪爆破傾覆過程吻合較好。由圖6和圖7可知，計算得到的煙囪頂部、質心及缺口等不同部位在爆破傾覆過程中的位移、運動速度隨時間的變化情況較符合實際。圖7中煙囪頂部、質心及缺口部位在爆破傾覆過程中的運動速度隨時間變化出現振動是因為爆破傾覆初期煙囪筒體出現晃動，圖7中煙囪頂部、質心及缺口部位運動速度在5.8秒出現突變是因為煙囪爆破傾覆過程中爆破缺口發生閉合，圖7中煙囪頂部、質心及缺口部位運動速度在5.8秒出現躍變是因為煙囪爆破傾覆觸地造成的。
5.結論
（1）采用數值模擬方法對煙囪爆破拆除過程進行模擬分析，可較全面地研究煙囪傾覆歷程、煙囪傾覆歷程的應力、位移、煙囪傾覆時間和速度、煙囪爆破傾覆時的支座內力等，可開展煙囪模擬爆破拆除實驗，以指導煙囪爆破拆除設計。
（2）采用有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA可模擬煙囪控制爆破拆除過程，采用分離式共節點有限元建模方法建模，實際煙囪傾覆歷程、傾覆方位、傾覆長度與有限元數值模擬結果吻合較好。
（3）論文提出的煙囪爆破傾覆歷程的本構關系符合實際；論文采用的材料塑性隨動硬化模型以及可Cowper-Symonds材料應變率模型可較好地反應煙囪爆破傾覆過程的鋼筋及混凝土材料力學性能。
（4）數值模擬結果與理論計算結果存在一定差別的主要原因是理論計算所采用的模型沒有考慮煙囪爆破過程形成的塑性鉸對煙囪傾覆運動的影響作用。數值模擬結果與實際煙囪爆破傾覆過程存在一定差別的主要原因是數值模擬所用材料參數與實際煙囪爆破傾覆過程材料力學性能存在偏差。
參考文獻
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關鍵詞：粘貼加固，有限元，仿真模擬
中圖分類號：TU37文獻標識碼： A
鋼筋混凝土結構是目前工業與民用建筑中最主要的結構形式。由于鋼筋混凝土是由兩種性質不同的材料——混凝土和鋼筋組合而成的，它的性能明顯地依賴于這兩種材料的性能，特別是在非線性階段，混凝土和鋼筋本身的各種非線性性能，都不同程度地在這種組合材料中反映出來。
鋼筋混凝土結構的有限元分析有與其他固體力學有限元分析有所不同，需要模擬混凝土的開裂和裂縫的發展過程，特別是在反復荷載作用下裂縫的開裂和閉合過程；需要在模型中適當反映鋼筋與混凝土之間的粘結和滑移機理；需要模擬混凝土材料在達到峰值應力以后的性能，也應模擬鋼筋屈服以后的性能；對于復雜的鋼筋混凝土結構，材料非線性問題與幾何非線性問題同時存在，使得計算分析的難度大大增加；分析結果強烈依賴混凝土材料和鋼筋材料的本構關系以及鋼筋和混凝土之間的粘結滑移的本構關系。
因此，對上述本構關系的深入研究和全面正確的描述是保證鋼筋混凝土有限元分析結果正確可靠和能應用于工程實際的基本條件。
粘貼加固鋼筋混凝土結構有限元分析與混凝土結構有限元分析一樣，其模型的選擇不僅與各種材料的本構關系和單元類型有關，還和混凝土結構有限元模型和邊界約束條件緊密相關。
1 材料的本構關系
本構關系所基于的理論模型[2]主要有：彈性理論、非線性彈性理論、彈塑性理論、粘彈性理論、粘塑性理論、損傷力學理論、內時理論等。
1.1 鋼筋的本構關系
在有限元分析中，常采用的鋼筋本構關系是單向加載下，鋼筋的應力－應變關系，表述如下：軟鋼的應力－應變曲線可分為三段：彈性段，屈服平臺和強化段。如圖1所示，彈性段是以E（鋼筋彈性模量）為斜率；屈服平臺是斜率為零的水平線。
1.2 混凝土的本構關系
混凝土的應力－應變(σ−ε)關系是鋼筋混凝土構件強度計算、超靜定結構內力分析、結構延性計算和鋼筋混凝土有限元分析的重要基礎。從試驗可以得到混凝土受壓時的關系曲線，考慮到鋼筋混凝土結構的特點及計算分析的方便，在鋼筋混凝土結構非線性有限元分析中應用得較多的是非線性彈性理論和彈塑性理論。其近似本構關系如圖2所示。
圖1 鋼筋應力應變曲線圖 圖2 混凝土應力應變曲線
1.3 粘貼材料的本構關系
在實際工程中常用的粘貼材料為鋼板和碳纖維，鋼板的本構關系與鋼筋相類似，常簡化理想彈塑性和線性強化彈塑性本構關系，如圖3所示；碳纖維為理想線彈性材料，其應力－應變關系取為線彈性模型，如圖4所示。
圖3 理想彈塑性本構關系 圖4 線彈性本構關系
2 單元類型
用有限元方法分析粘貼加固鋼筋混凝土結構，其單元選擇與一般固體力學有限元是一致的，常用的單元類型有實體單元、板殼單元、桿件單元和聯結單元。桿件和板殼單元主要用于整體結構中的單個構件模擬，所得的模擬結果受到一定限制，如桿單元只能承受軸力而不能受彎和受剪，因此常被用于模擬一些特定的材料（如鋼筋）。混凝土，鋼筋混凝土以及粘貼材料一般用實體單元來模擬。當考慮粘鋼或鋼筋與混凝土之間的相對滑移時，一般引入反映兩者間界面性能的單元即聯結單元。
3 鋼筋混凝土有限元模型
鋼筋混凝土結構由鋼筋和混凝土兩種材料組成，這類結構的離散化與一般均勻連續的一種或幾種材料組成的結構有類似之處，但也有不同之點。在鋼筋混凝土結構中，鋼筋一般被包圍于混凝土之中，且體積相對較小，因此，在建立鋼筋混凝土的有限元模型時，必須考慮到這一特點。通常構成鋼筋混凝土結構的有限元結構模型[3]主要有三種方式：整體式、分離式和組合式
4 仿真分析的幾點問題
4.1 前處理
（1） 選取單元類型
鋼板與混凝土間通過結構膠粘結，具有良好的粘結界面，我們可以近似不考慮兩者之間的錯動，建模時使鋼板與混凝土之間共用節點，從而保證兩者之間位移協調[4]。
（2） 設置實常數
本次模擬不同方案所需定義實常數的單元都各自不同，如整體式模型方案中，鋼筋的作用彌散于單元中，故需對于這部分的混凝土定義實常數。
（3） 定義材料屬性
混凝土是脆性材料，它的變形特性不同于金屬材料，而與材料體內微裂縫的擴展有關。但從宏觀上來看，仍然可以假定混凝土的應力－應變特性由第一階段的彈性變形，以及第二、三階段相應的非線性加工強化部分組成。在非線性階段，總的應變分為彈性部分和塑性部分。由于混凝土材料體內微裂縫的擴展引起的“塑形應變”被定義為一個不可恢復的變形。
（4） 有限元建模
整體式模型中，有兩個實體組成－混凝土和鋼板。分離式模型中，根據混凝土內部鋼筋的構造用工作平面將混凝土柱剖分成若干塊，在剖分完的混凝土實體模型中按照試驗實際情況選取適當的體線作為縱筋和箍筋。這樣，模型就由素混凝土、鋼筋和鋼板三種實體組成。在計算中如果出現因支座處或集中力作用處的應力集中現象而使梁未達到極限承載力就先行破壞，則在有限元實體建模中各自加一塊剛性或彈性墊塊。
（5） 剖分網格
算例中可采用映射的方式對混凝土、鋼板以及剛性墊板進行網格劃分，從而得到規整的單元形狀以提高分析的精確性以及計算的收斂。為了便于各種方案的計算結果比較，每種方案網格劃分的尺寸都相同。
（6） 定義荷載
算例中荷載的施加是在集中荷載處的單元節點上施加節點荷載，或在上面施加剛性墊塊后再在墊塊上施加節點荷載。
4.2 求解
（1） 荷載步與子步數
鋼筋混凝土梁因所施加的荷載比較單一，只設定一個荷載子步，至于子步數的設置只給出最小和最大子步數，通過激活自動時間分步來調整所需要的時間步長，從而獲得精度和計算時間之間的良好平衡。
（2） 牛頓－拉普森平衡迭代
由于純粹的增量近似不可避免地隨著每一個載荷增量積累誤差，導致結果最終失去平衡。有限元程序通過使用牛頓－拉普森平衡迭代克服了這種困難，它迫使在每一個載荷增量的末端的解達到平衡收斂（在某個容限范圍內）。
（3） 確定收斂準則
程序將連續進行平衡迭代直到滿足收斂準則或者直到達到允許的最大平衡迭代數。我們可以用缺省的收斂準則，也可以自己定義收斂準則。
4.3 后處理
可根據分析需要提取各級荷載作用下混凝土梁所有節點和單元的位移、應力、應變、變形以及裂縫開展等各方面的計算結果。
5 算例
梁模型設計成單跨簡支梁來模擬建筑物中需加固的梁。跨度為4500mm，凈跨為4200mm，矩形截面尺寸為150mm×350mm，混凝土標號為C30，架立筋為2Φ8，梁底受拉縱筋為2Φ14，梁兩端箍筋配為Φ8@150，梁跨中箍筋配為Φ8@200，均為雙肢箍。簡支梁采用千斤頂利用分配梁在三分點處對稱加載，使梁跨中處于純彎矩狀態。在正式加載前，先進行預加載，使構件變形和荷載的關系趨于穩定。加固材料選用HRB335鋼，厚度為4mm，長度為3400 mm。粘結劑采用JGN型建筑結構膠。
圖5 粘貼加固梁的豎向位移云圖
圖5為在承載力24000N的豎向荷載下，粘貼鋼板加固梁的豎向撓度圖，從圖中可以看出，模型梁的中點撓度為1.435mm。
6 致謝
本工作得到湖北理工學院大學生科技創新專項研究項目的資助（項目編號：11cx18）。
參考文獻：
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關鍵詞： 薄壁零件 有限元分析 數控補償
1.引言
薄壁件是一種輕量化結構，其主要組成為薄型殼板、框架、梁、壁板、加強筋等基本結構，薄壁結構具有造型和結構復雜美觀、重量輕等優點，在航空航天、通信雷達等高精尖領域中應用十分廣泛。但薄壁零件剛度較差，零件加工過程中極易發生變形，造成零件厚度不均勻，尺寸公差和形位公差增大，甚至造成廢品，無法保證零件的加工要求。
影響薄壁零件加工精度的因素有很多，主要包括受力變形、振動變形、受熱變形等因素，由于薄壁結構自身特點，很難用傳統方法進行變形分析，因此采用有限元技術，分析并模擬薄壁件的受力情況、溫升情況，并最終獲得零件的變形模型。根據零件的變形模型，修正數控加工過程中刀具和零件的相對位置，從而達到提高零件質量的目的。ANSYS是有限元分析中常用的軟件，該軟件的應用對提高薄壁零件加工精度有重要意義[1]。
2.有限元原理和分析步驟
2.1有限元分析原理
有限元分析軟件的原理是將一個整體結構按照一定規律分成若干個有限的獨立離散單元，各離散的單元按照一定的原則設定有限的節點，通過在這些獨立的計算單元中建立合適的基函數，分析和計算離散單元中場函數的分布規律，求解各個節點的值，并通過基函數的合理組合代替獨立單元的真實值。各離散單元通過各個節點聯系在一起，用離散單元基函數組成整個計算域上總體的基函數，整體結構在計算域內的解由各獨立單元的綜合結果近似而成[2]。
2.2基于有限元變形分析思想
基于有限元變形分析的主要思想是在有限元軟件的平臺上，利用機械加工中相關的切削力等理論公式及相應的邊界條件，計算出加工過程的誤差，然后在實際加工過程中將偏差值通過編程等方法予以補償。分析過程如圖1所示。有限元分析的應用，使得零件加工的實驗成本大大降低，研究周期大大縮短。
3.薄壁件有限元模擬
3.1有限元模型建立
有限元模型的建立是有限元分析的基礎，主要包括幾何模型的建立和材料模型的建立。在幾何模型建立過程中，主要通過所使用的有限元軟件選取合適的工件和刀具，選用原則為工件和刀具要符合待模擬的加工過程。材料模擬過程首先要明確所要進行模擬的零件的材料，在軟件環境中選擇要模擬的材料的相關參數，主要包括材料的力學性能參數，例如彈性模量、塑性模量、熱膨脹系數、屈服極限、泊松比等基本參數。
3.2有限元網格化分
在基本模型建立之后，要進行有限元網格劃分。網格劃分是進行有限元數值模擬分析的關鍵性環節，直接影響著后續數值計算分析結果的精確性。網格劃分要考慮單元的許多設置，包括單元形狀、類型、拓撲類型、網格生成器的選擇、網格的密度、單元的編號及幾何體素，其中單元類型的選用對于分析精度有著重要的影響，對于薄壁結構零件采用平面應力單元，自由空間曲面的薄壁結構采用膜殼單元。有限元網格劃分有兩種方法，簡單的結構可以采用直接生成法，直接建立單元模型的網格，當對象比較復雜時，則在幾何元素描述的物理基礎上自動離散成有限單元，即通過幾何自動生成法來完成[3]。
3.3添加約束和載荷
分析薄壁零件的受力，根據零件的受力特點和規律，將約束和載荷抽象化、理想化。通過對已建立的有限元模型添加合適的載荷和約束，實現對幾何模型進行相關的力學分析。在添加載荷和約束中，薄壁件銑削加工的力學模型的選擇和確定是模擬分析的關鍵。由于刀具、工件材料、加工特點等多種因素的影響，零件的受力是個復雜多變的情況。目前應用較多的力學模型是：OXLEY切削理論為基礎的銑削力理論模型、KLINE平均力學模型和WON-SOOYUN的三維力模型。以上三種為空間靜力學模型，隨著研究的進一步深入，針對不同的加工特點，又有許多學者提出了更多的力學模型。在薄壁件銑削加工過程中，機床參數、刀具幾何參數、切削參數都會影響切削力的大小，每種因素在切削力中所占的比例也不盡相同，在銑削過程中，常用的公式為：
當被加工零件為薄板結構時，荷載加載到零件上，每一個荷載都可以分解為兩個分荷載，即橫向荷載和縱向載荷，橫向載荷垂直于零件中面，使薄板產生彎曲，因此該方向載荷引起的應力、形變和位移，應該按薄板彎曲問題進行計算。縱向荷載是沿薄板厚度均勻分布，符合平面應力基本特點，因此縱向載荷引起的應力、形變和位移可以按平面應力進行計算。薄壁表面銑削中，主要研究五個問題：（1）銑削力的主要作用方向等同于縱向載荷情況，因此取等厚薄板使之只受到平行于該面的外力作用，模型可以簡化如圖2所示，我們可以按照平面應力應變問題來分析。（2）根據彈性力學的有關理論，求出平面問題中形變分量與位移分量之間的關系式。（3）根據胡克定律導出變形分量與應力分量之間的關系式。（4）變形協調方程。（5）利用邊界條件求解應力函數。
3.4后處理
利用有限元軟件平臺提供的后處理器，獲得計算及分析結果，并將零件的變形值和應力分析結果，以云圖和列表的形式輸出。結果是否正確，應進行試驗驗證，即將計算值和實驗值進行分析比較，誤差若在允許范圍之內，則整個模擬成功，否則需重新調整模擬過程，直到差值在允差范圍之內。
4.薄壁件補償加工
通過對薄壁件加工加工變形進行有限元建模，可以提前預測工件變形值。在進行數控程序編制中，據利用數控機床的補償功能，將變形值數體現在數控加工程序中，即在數控編程時，讓刀具在原有走刀軌跡的基礎上連續偏擺，按變形量附加連續讓刀量，保證了在連續加工中去除由于變形所帶來的欠切削，使得一次走刀即可保證薄壁件壁厚精度，避免了二次加工帶來的裝夾誤差、加工誤差等，從而達到控制薄壁件加工變形、提高加工精度的目的。
5.結語
切削力模型和約束載荷模型是薄壁件有限元分析的基礎，通過切屑力的分析和試驗，建立準確的切削力模型，形成精確的變形模型，利用軟件平臺進行迭代分析，最終為數控加工提供有效編程依據，是提高薄壁零件加工質量的有效途徑。
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關鍵字：預應力；CFRP布；鋼筋混凝土梁；有限元
Abstract : by using the CFRP reinforced concrete beams strengthened with CFRP sheets, CFRP utilization rate is not high, this paper uses finite element analysis software ANSYS, the prestressed CFRP reinforced concrete beams the nonlinear analysis, draws the following conclusion: prestress can improve the CFRP effective utilization rate, increase the cracking load, improve the component performance, and with the increase of prestress, CFRP effective utilization rate is also rising.
Keywords: prestressed; CFRP sheets; reinforced concrete beam; finite element
中圖分類號：TU375文獻標識碼：A文章編號：
1 引言
纖維增強復合材料（簡稱FRP）憑借其比強度和比剛度高、施工便捷、耐疲勞性能和耐久性好等特點被廣泛應用到土木工程領域，利用FRP對混凝土結構進行加固取得了很好的效果。由于纖維布抗拉強度高，極限拉應變大，而混凝土的極限拉應變很小，當混凝土開裂或裂縫達到很大時，CFRP布的拉應力還很小，遠遠沒有達到其極限拉應力，使得CFRP布的高強度難以得到充分發揮，降低其有效利用率，對提高構件的承載能力和改善構件的正常使用性能有限，造成了材料的浪費。大量試驗結果表明[1-3]，采用預應力CFRP加固可以提高構件的承載能力和改善構件的使用性能，提高CFRP布的有效利用率。
本文利用ANSYS有限元分析軟件，對預應力CFRP布加固鋼筋混凝土梁進行非線性分析，以驗證預應力的施加對CFRP加固鋼筋混凝土梁的改善作用。
2 有限元模型
2.1 試件設計
梁截面尺寸為200mm×300mm，跨度3000mm，凈跨長2900mm，梁內受拉縱筋和架立筋為HRB335級，箍筋為HPB235級，混凝土強度等級為C30，縱筋直徑為16mm，架立筋直徑12mm，箍筋為6@150，在梁底部粘貼單層CFRP布進行加固，CFRP布的厚度為0.167mm，采用兩端對稱加載，加載點間距為900mm，如圖1所示。本文共設計分析5根梁， 1根為普通CFRP增強鋼筋混凝土梁（LI），以作為對比試件，其余4根梁均為預應力CFRP增強鋼筋混凝土梁，施加的預應力大小分別為CFRP布極限抗拉強度的10%（L2）、20%（L3）、30%（L4）和40%（L5），用以分析預應力大小對結果的影響。
圖1 CFRP布加固鋼筋混凝土梁示意圖
2.2模型建立
本文采用ANSYS有限元分析軟件，對預應力CFRP布加固鋼筋混凝土梁進行非線性分析，分析中采用如下假定：（1）FRP布與混凝土及混凝土與鋼筋粘結接良好，無相對滑移；（2）在受力過程中，FRP布的應變與鋼筋、混凝土的應變滿足變形協調原理；（3）混凝土梁在加固前后有足夠的抗剪承載力；（4）不考慮碳纖維布的剝離破壞。
由于幾何條件、荷載以及邊界條件的對稱性，故取二分之一梁進行建模。采用分離式模型，其中混凝土采用3D實體單元SOLID65模擬，鋼筋采用3D桿單元LINK8模擬，由于碳纖維布本身很薄，因此選用沒有抗彎剛度的SHELL41膜單元，由于假定了CFRP布與混凝圖之間粘結良好、沒有相對滑移，故建模時通過節點耦合來模擬無相對滑移。假定CFRP布與混凝土粘貼可靠，并且不考慮預應力損失，進行ANSYA分析時，采用升溫法對CFRP布施加預應力，CFRP布的線膨脹系數為負數，系數為α=-0.7E-6/℃，通過公式T=σ/E/α即可求得當預應力水平分別是CFRP布的10%、20%、30%和40%時，需要溫度值分別為2610℃、5220℃、7830℃和10440℃。
3結果分析
本文共對5根CFRP布增強鋼筋混凝土梁進行了有限元分析， LI～L5主要分析結果如表2所示。
CFRP的有效利用率定義為極限狀態CFRP應力與CFRP布抗拉強度的比值。預應力的施加增加了CFRP的應力值，提高了CFRP布的有效利用率；隨著預應力的增加，反拱和CFRP的有效利用率逐漸增大。由于反拱在不引起梁上部開裂破壞的情況下，反拱值越大，梁的開裂荷載也越大，梁的跨中撓度也越小，改善了梁的使用性能，所以通過反拱的變化可以間接地得出，預應力的施加提高了構件的開裂荷載，改善了構件的使用性能，并且隨著預應力的增大，這種效果也在增強。
4 結論
本文通過ANSYSY有限元軟件，對5根CFRP增強鋼筋混凝土梁進行了非線性有限元分析，其中1根為未加預應力的，4根為預應力的，通過分析得出以下結論：
（1）預應力的施加提高了CFRP的有效利用率，并且隨著預應力大小的增大，CFRP的有效利用率也不斷提高，有效利用率達到了22.2%～58.5%，而非預應力的只有10.9%；
（2）通過反拱分析間接得出了預應力的施加增加了構件的開裂荷載，改善了構件的使用性能，并且隨著預應力的增大，這種效果也越明顯。
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作者簡介：彭敦明，男，1989年出生，本科，助理工程師，主要從事于橋梁施工。
張磊剛、男、1984年出生、本科、助理工程師，主要從事于橋梁設計工作。
關鍵詞：受彎工形鋼梁；加固；焊接；受力特性；ANSYS；有限元分析
中圖分類號：TU391文獻標志碼：A
Analysis on Loadcarrying Behavior of Flexural Isection Steel Beams
Strengthened with Welding Under LoadWANG Yuanqing1，2， ZHU Ruixiang3， DAI Guoxin4， SHI Gang1，2
（1. Key Laboratory of Civil Engineering Safety and Durability of Ministry of Education， Tsinghua University，
Beijing 100084， China； 2. Department of Civil Engineering， Tsinghua University， Beijing 100084， China；
3. China United Engineering Corporation， Hangzhou 310022， Zhejiang， China； 4. School of Civil
Engineering， Chongqing University， Chongqing 400045， China）Abstract： The finite element model were performed using the general finite element software ANSYS， and finite element analysis was carried out for loadcarrying behavior of the three reinforced Isection beams strengthened with welding under different initial loads and one unreinforced Isection steel beam. Two kinds of finite element analysis methods used to simulate the loadcarrying behavior of steel beams strengthened with welding under load were introduced in detail. Based on the method in common use at present， adopting the technology of element birth and death but without considering welding thermal process， the finite element analysis method considering the influence of welding process was put forward， which used the indirect thermalstructure coupling analysis method and considered the welding thermal process. The effectiveness of the finite element analysis method and the finite element model were verified by the comparisons between the finite element analysis results and the test results. The calculation results show that the initial load has greatly effect on the ultimate bearing capacity of steel beams strengthened with welding under initial load.
Key words： flexural Isection steel beam； strengthening； welding； loadcarrying behavior； ANSYS； finite element analysis
0引言
建筑結構在使用一段時間后，因為建筑結構使用功能或條件發生變化，使得結構的布置和荷載分布形式發生了變化，經評估鑒定，原有結構或構件不能滿足新的要求，這時就需要對結構或構件進行加固。針對鋼結構單根構件的加固，從施工角度來劃分，可分為完全卸載加固和負載加固[12]。鋼結構的完全卸載加固，通常需要對構件進行完全拆卸或更換，有可能破壞原有結構且經濟效益不高，也可能致生產活動長時間地的中斷，所以更適合鋼結構構件的加固施工通常是在負載下完成的。負載下焊接加固鋼梁施工方便，且耐久性具有可靠保證，因而是目前鋼梁增大截面加固法中最常用的方法之一[35]。文獻[3]，[4]中采用了在翼緣內側或外側焊接鋼板加固鋼梁的方式，文獻[5]中采用了在鋼梁下翼緣焊接T形鋼的截面組合形式加固鋼梁。
目前與上述加固方法廣泛應用相矛盾的是，與此相關設計的規范很少且適用性有限[6]，開展的相關研究非常少且不具有系統性。目前在國外已有學者對負載下焊接加固鋼梁展開了研究。Liu等[7]完成了9根熱軋W310×28鋼梁負載下焊接加固的四點受彎承載特性試驗，研究了不同初始荷載大小、不同跨度和不同加固截面組合形式對加固后鋼梁承載能力的影響。試驗采用了2種加固形式，第1種是僅在鋼梁下翼緣外側焊接鋼板，第2種是在平行截面腹板的方向焊接鋼板形成箱型截面。試驗研究表明，以第1種截面組合方式加固后的跨度為2 400 mm的鋼梁，最終發生顯著的側扭屈曲失穩，其側扭屈曲承載力受負載影響較大，而其極限承載力受負載影響非常小。
Liu等[8]采用有限元軟件ANSYS進行了多個影響因素的數值模擬分析，研究了初始負載、初始缺陷和加固板長度對加固后鋼梁極限承載力的影響。試驗結果表明，鋼梁在恒定負載下焊接加固過程的力位移曲線呈現一平臺段，在有限元分析中，二者只是將該平臺段采用增大初始缺陷的方法來進行試驗的數值模擬分析，雖然結果吻合較好，但該方法不適用于大量的參數化分析，而且文獻[8]中采用的有限元分析方法與Wu等[9]和龔順風等[10]對焊接加固鋼柱受力性能的數值模擬分析相同，僅簡略地采用了生死單元技術來模擬加固這一過程，并未考慮焊接熱過程和隨溫度變化鋼材材性對負載下加固鋼梁或鋼柱受力特性的影響。為此，筆者采用通用有限元軟件ANSYS對4個負載下焊接加固的三點受彎工形截面鋼梁的受力特性進行了有限元分析，并與試驗結果進行了對比分析，提出了適用于負載下焊接加固鋼梁的有限元分析方法。
1試件概況
本文中進行有限元分析的試件包括1個未加固的工形鋼梁和3個不同初始負載下焊接加固的工形鋼梁。受彎鋼梁采用三點受彎試驗，加載點在鋼梁跨中上翼緣處，鋼梁兩端采用夾支支座，夾支長度為200 mm。試驗裝置如圖1所示，試件截面尺寸定義如圖2所示，試件實測尺寸和初始負載如表1所示。圖2中，H為未加固梁截面高度，tw為腹板厚度，bf，tf分別為未加固梁翼緣寬度和厚度，bs，ts分別為加固板寬度和厚度。表1中，P0為跨中初始負載，L為鋼梁總長度，Lu為梁跨度，Ls為加固板長度，e為鋼梁中截面處總的幾何初始彎曲，其值為鋼梁的最大初始彎曲值δ0[12]。圖3為構件的幾何初始缺陷，其中，最大初始彎曲值δ0取L/4處幾何初始彎曲測量值δ1，δ2，δ3的最大值。
圖1試驗裝置
Fig.1Test Device2有限元分析
為了探討焊接熱對負載下加固鋼梁受力特性的影響，有限元分析采用了不含熱和含熱的分析過程。
2.1不考慮熱影響的數值分析
2.1.1有限元建模
已有研究者在負載下梁焊接加固的分析中，未考慮焊接熱輸入影響和隨溫度變化的鋼材材性，而僅使用簡便的有限元分析模型進行受力特性的模擬圖2試件截面尺寸定義
Fig.2Definition of Specimen Section Dimension分析，筆者為了進行對比分析，并討論該方法的準確性，在試驗數值模擬分析中也使用了該方法，具體過程為：①建立鋼梁、加固板和加載端板的有限元模型，并通過焊縫單元連接好鋼梁和加固板；②殺死加固板和焊縫單元，施加既定的初始荷載；③激活加固板和焊縫單元，進入第2個荷載步，加載至鋼梁破壞為止。
鋼梁、加固板和焊縫都采用Shell181單元建立模型，加固板和鋼梁翼緣外側的接觸采用3D接觸對的Targe170目標單元和Conta174接觸單元形成面面接觸，接觸面的摩擦因數取0.3。有限元網格圖3構件的幾何初始缺陷
Fig.3Initial Geometric Imperfections of Specimens劃分和鋼梁的整體初始缺陷如圖4所示。本文中試驗模擬分析的焊縫采用的是Shell181單元，高度取翼緣厚度中心到加固板厚度中心的距離，厚度取角焊縫焊腳尺寸hf，加勁肋也采用Shell181單元。有限元模型的邊界約束條件和加載點如圖5所示，其中，ux為側向位移，uy為彎曲平面內位移，uz為沿試件長度方向位移。試驗中兩端支座處各夾支200 mm，因此約束支座范圍內縱向（z方向）200 mm的側向位移為ux，具體見圖5。
圖4有限元模型網格劃分及初始缺陷
Fig.4Finite Element Mesh Division and
Initial Imperfection圖5有限元模型的邊界約束
Fig.5Boundary Conditions of Finite Element Model2.1.2材料參數
鋼梁和加固板的材料性能采用試驗測得的真實材料性能（表2），并采用四折線材料本構模型；由于焊縫缺乏材料模型，因而采用的是加固板的材料模型，以此近似考慮。
2.1.3有限元分析結果
（1）荷載位移關系曲線
通過采用不考慮熱影響的有限元模型分析得到了4根鋼梁的有限元分析結果。圖6為對有限元分析得到的荷載跨中豎向位移曲線和荷載跨中上翼緣側向位移曲線與試驗結果的對比，其中，P為荷載，u為位移。
由圖6可以看出，有限元結果和試驗結果吻合較好。試件BIS3的結果差異較大，主要是因為試
平臺末端應變；εu為極限應變。
圖6不考慮熱影響的試件荷載位移曲線有限元結果與
試驗結果的對比
Fig.6Comparisons of Loaddisplacement Curves of
Specimens Without Considering Thermal Effect
Between Finite Element Results and Test Results件BIS3試驗中發生以彎曲屈曲破壞為主的局部屈曲失穩，而其他3個試件試驗中發生的是整體側扭失穩，有限元的結果也是整體側扭失穩破壞，因此存在差異。各試件有限元分析得到的曲線剛度都比試驗值大，有限元分析得到的極限承載力也與試驗結果略有差別，產生這些差別的原因包括：①試驗中的試件與支座的連接采用砂漿，與有限元模型采用的理想約束條件存在差異；②由于試件加工誤差，試驗中翼緣和夾支支座沒有全長接觸，存在空隙，而有限元的夾支較為理想；③有限元分析未考慮截面殘余應力，這也會對結果產生一定的影響。
（2）極限承載力
采用普通有限元分析方法得到各試件的極限承載力，同時將有限元結果與試驗結果進行對比，結果見表3。
Pu，FEA為不考慮熱影響的
試件極限承載力計算結果；e/L為試件初始彎曲值；σ0，fy分
別為初始負載下最大名義彎曲應力和鋼材屈服強度。
由表3可以看出，對于試件BIUR，BIS1，采用普通有限元分析方法分析得到的結果和試驗結果吻合非常好。對于試件BIS2，試驗中大部分采用了手工電弧焊，該焊接方法比二氧化碳氣體保護焊采用的電壓電流更大，焊接熱輸入也更大，因而會引起試件的變形增大，這可能是導致其最終承載能力降低的原因。
2.2考慮熱影響的數值分析
2.2.1有限元建模
負載下焊接加固鋼梁的試驗過程中，焊縫的施焊產生了局部高熱，同時由于鋼材材性是隨溫度變化的，特別是高溫下其材性會發生很大的變化[1314]。基于此，筆者提出更準確的有限元方法來分析鋼梁在負載下焊接加固的受力特性，建立了能夠考慮焊接熱影響的有限元分析模型。在焊接熱力學模擬時，通常主要考慮溫度場、應力變形場及顯微組織之間的相互作用，而忽略其他的因素，焊接熱力過程的多物理場作用如圖7所示[15]，其中，實線箭頭表示強烈的影響，虛線箭頭表示較弱的影響。研究表明，應力與變形場對溫度場的影響主要為變形熱，而變形熱相比于焊接熱量的輸入又顯得非常小，可以忽略。因此為提高計算效率，通常忽略應力與變形場對溫度場的耦合作用，即僅考慮單向耦合計算，先進行溫度場分析計算，再進行應力場分析計算。因為沒有直接進行溫度場同應力變形場的直接雙向耦合分析，所以該方法稱為間接熱力耦合分析。間接熱力耦合分析有限元分析步驟為：①采用熱單元建立熱分析有限元模型，定義材料不同溫度的熱物理參數，并定義熱力學邊界條件（如輻射、對流和初始溫度等）；②通過移動熱源的施加和刪除模擬焊接熱輸入進行瞬態熱分析，得到各時間步溫度場分析結果，結果保存在*.rth文件中；③重新進入前處理，根據ANSYS規定的熱結構單元變換對，將熱分析模型轉變為相應的結構分析模型，定義不同溫度下材料的力學參數和結構模型邊界條件；④施加荷載進行應力變形場求解，荷載包括外力荷載和熱分析得到的溫度場荷載，溫度場荷載通過LREAD命令從*.rth文件中讀取并且施加；⑤后處理。
圖7焊接熱力過程的多物理場作用
Fig.7Multiphysical Field Effects of
Welding Thermal Process本文中的間接熱結構分析有限元模型的建立采用Shell131～Shell181熱結構單元對。加固鋼板和翼緣外側采用3D接觸對的Targe170目標單元和Conta174接觸單元形成面面接觸，該接觸單元對同時支持熱分析和應力、應變分析。鋼梁加勁肋只在應力、應變場分析中采用Shell181殼單元建立模型，忽略其對熱場分析的影響。
2.2.2材料參數
在進行熱力耦合分析時，鋼材在不同溫度下的應力應變關系參照歐洲規范Eurocode 3結構防火設計部分EN 199312：2005[16]中的規定。各溫度下鋼材材料特征值和常溫下的材料特征值比值如圖8所示，常溫（20 ℃）下鋼材的材性特征值見表圖8各溫度下鋼材力學特征值的降低系數
Fig.8Reduction Factors of Mechanics Characteristic
Value of Steel at Different Temperatures2。圖8中，ηy，T，ηp，T，ηE，T分別為屈服強度降低系數、比例極限降低系數和彈性模量降低系數，ηy，T=fy，T/fy，ηp，T=fp，T/fy，ηE，T=ET/E，fp，T，fy，T，ET分別為各溫度下鋼材的比例極限、屈服強度和彈性模量。鋼材密度ρ取7.85×103 kg·m-3，界面對流系數取25 W·（m2·K）-1，其他熱物理參數見表4。
3加固焊接順序模擬方法
試驗中首先焊接受拉側的加固板，再焊接受壓側的加固板。圖9為鋼梁焊接加固施焊順序。焊縫從兩端向跨中施焊，依次按照A1，A2，B1，…，D2的順序對加固鋼梁的連接焊縫進行施焊。而對于各個分段（A1，A2，…，D2），連接焊縫的施焊按圖9（b）中對A1段焊縫的施焊順序進行，將加固板兩側350 mm焊縫按每段70 mm分成10段，按1～10的順序進行各道焊縫的對稱施焊，每道焊縫現場焊接時間約10 s，焊后停歇約10 s。
圖9鋼梁焊接加固施焊順序（單位：mm）
Fig.9Welding Process of Steel Beam Strengthened with
Welding （Unit：mm）根據試驗的加固焊接順序，各道加固焊縫是依次生成的，加固板參與到鋼梁受力也是逐漸進行的。因此在模擬焊縫焊接的熱場模擬分析過程中，在某個時間點焊縫的溫度場和應力場分析過程中，該時間點后邊的焊縫不應當參與計算。本文中的熱力耦合分析中也采用了生死單元功能，將未焊接的焊縫單元殺死，被殺死的單元在熱分析中不參與傳熱，在應力、應變場分析中剛度貢獻極小。通過在計算過程中逐步地激活被殺死的焊縫單元來模擬焊縫的生成過程。
試驗中加固焊縫為長焊縫，若采用與常用的焊接殘余應力分析一樣的非常精細的單元尺寸和熱源模型，則該有限元分析在現階段將非常耗時、耗力，因而為了能夠使該負載下焊接加固鋼柱的有限元熱結構分析順利進行，筆者采用了試驗中的焊接分段和點熱源模型來考慮焊縫焊接熱輸入，具體是將各小分段的中點作為焊縫中心點，引入的點熱源中心最高溫度以1 500 ℃為準，這與試驗中采用的二氧化碳氣體保護焊基本吻合。為了能使點熱源模擬出焊縫焊接的過程，筆者采用隨時間變化的點熱源作用坐標位置的變化函數，使之更接近試驗的焊接過程。
2.2.4有限元分析結果
（1）極限變形狀態
在應力變形場的分析中采用的各約束條件同上述不考慮熱影響分析中的約束條件。有限元分析得到典型試件BIS2的側向彎扭屈曲的極限變形如圖10所示。
圖10典型試件BIS2的極限變形（單位：mm）
Fig.10Ultimate Deformation of Typical
Specimens （Unit：mm）（2）荷載位移關系曲線
采用有熱影響的間接熱結構耦合有限元分析方法進行計算，得到的鋼梁荷載跨中豎向位移曲線和荷載跨中上翼緣橫側位移曲線與對應的試驗結果的對比如圖11所示。
圖11考慮熱影響的試件荷載位移曲線有限元結果與
試驗結果的對比
Fig.11Comparisons of Loaddisplacement Curves of
Specimens with Considering Thermal Effect Between
Finite Element Results and Test Results從圖11可以看出，有限元結果的荷載位移曲線剛度比試驗結果的剛度大，且其曲線的加固焊接平臺段較試驗結果的小，造成這種情況的原因包括：①試驗中的夾支支座難免存在縫隙，很難達到理想的夾支約束條件，這就會在實際的加固焊接過程中增大試件的側向位移；②實際的焊接過程復雜多變，很難用有限元方法進行真實準確的模擬；③不同溫度下的材料特性尚不明確，只是采用其他已有成果進行模擬，難免存在偏差；④試驗中的加固板是在鋼梁加載到既定荷載才進行定位、夾緊并焊接的，加固板自身未發生和試件相同的側向位移，而有限元分析只是采用生死單元技術模擬加固過程，加固板始終是和鋼梁協調變形的。上述情況也使得分析得到的極限承載力與試驗結果略有偏差。
（3）極限承載力
試件BIS2和試件BIS3這2個負載下焊接加固鋼梁試件的極限承載力與試驗結果的對比如表5所示。
采用考慮熱影響的有限元分析得到的試件極限承載力比試驗結果和不考慮熱影響的有限元分析結果都大，一定程度上表明了這2個試件的焊接加固并沒有因負載而產生極限承載力減小的情況。從圖11還可以看出，采用考慮熱影響的有限元分析獲得了與試驗相同的情況，即負載下的加固焊接引起了試件的變形增大，從而出現一平臺段。試驗中該平臺段的位移是隨著加固焊接的進行而變化的，為此筆者對跨中豎向位移和跨中上翼緣側向位移等指標進行了加固焊接全過程的監測，提取出了試件BIS3的有限元分析結果，其與試驗結果的對比如圖12，13所示。
圖12跨中豎向位移時程曲線
Fig.12Timehistory Curves of Vertical
Displacement at Midspan圖13跨中上翼緣側向位移時程曲線
Fig.13Timehistory Curves of Lateral
Displacement at Midspan由圖12，13可以看出，考慮熱影響的有限元分析得到的位移時程曲線在焊接過程中的發展趨勢與試驗結果基本相同，如焊接下翼緣加固板過程和冷卻階段都引起鋼梁跨中下翼緣位移的增大，而焊接上翼緣加固板則都出現跨中位移減小。由于采用的是與試驗相同的對稱交替均勻的焊接施工工序，因而有限元分析得到的跨中上翼緣側向位移與試驗相同，也出現交替增減的情況。
試件BIS2和試件BIS3這2個負載下焊接加固的試件在加固焊接前后的位移變化見表6。表6中，位移指標下角標的0和1分別指焊接加固前和加固冷卻后2個狀態。
由表6可以看出，采用該有限元方法分析得到的位移響應與試驗存在一定的差異。這是因為有限元分析中采用的鋼材的物理特性和焊接熱過程與真實的情況不同而產生的，特別是對于試件BIS2在試驗中因電焊機故障而部分采用了手工電弧焊，這使得加固焊接的熱輸入較二氧化碳氣體保護焊大得多，因而使得試件在負載下的變形也較大。熱結構的耦合分析結果表明，采用考慮熱影響的間接熱結構耦合有限元分析方法模擬負載下的焊接加固具有一定的可行性。
固前后鋼梁跨中上翼緣側向位移。
（4）截面應變分布
除了對負載下焊接過程的位移進行監測外，試驗中還在鋼梁腹板上布置了應變片，用來監測加固焊接過程中腹板應變的變化，試驗結果表明，經過焊接加固后，腹板的壓應變增大較多，而拉應變變化很小，如圖14所示。加固焊接過程引起了梁截面的應變、應力重分布，且根據應變結果得出試件焊接加固后彎曲曲率較加固前有所增大。而目前采用考慮熱影響的間接熱結構耦合分析方法也得出了相同的規律。圖15為加固前后與試驗中應變測量相同截面（距跨中150 mm）處應力云圖。圖16為該截面上腹板的應力分布，其中，壓應力為負，拉應力為正。
圖14焊接加固前后鋼梁腹板應變分布
Fig.14Stress Distributions of Web of Steel Beam
Before and After Weldingstrengthening圖15焊接加固前后鋼梁截面應力云圖（單位：MPa）
Fig.15Stress Nephograms of Steel Beam Section Before and
After Weldingstrengthening （Unit：MPa）圖16焊接加固前后鋼梁腹板的應力分布
Fig.16Stress Distributions of Web of Steel Beam
Before and After Weldingstrengthening3結語
（1）對未加固鋼梁試件BIUR和未在負載下焊接加固的鋼梁試件BIS1采用普通的不含熱影響的有限元分析方法，并采用實際的構件尺寸、常溫材料特性和幾何初始缺陷建立有限元模型，分析得到的結果和試驗結果基本吻合，驗證了不含熱影響的有限元分析方法的可靠性。
（2）采用不考慮熱影響的有限元分析方法，由于沒有焊接加固過程，因而無法得出試驗中因加固焊接引起的荷載位移曲線平臺段。
（3）采用含加固焊接熱過程的有限元分析方法對負載下焊接鋼梁的有限元模擬分析能夠得出荷載位移曲線的平臺段，且分析得到的位移時程與試驗結果的變化趨勢吻合較好，但由于試驗中材料在高溫下的真實材料性能和物理特性不太明確，且試驗中的加固焊接過程受人為因素、環境因素影響而復雜多變，難以進行準確模擬，所以導致有限元分析得到的結果與試驗結果存在一定的差異。通過對荷載位移曲線的對比可知，采用考慮熱影響的有限元分析方法來模擬負載下焊接加固鋼梁的受力特性具有一定的可行性，為進一步運用ANSYS有限元模型進行鋼梁負載下焊接加固受力特性分析計算提供了方法和依據。
（4）根據這2種有限元分析方法計算得到的試件在負載下焊接加固后的極限承載力均未出現明顯降低的情況，表明此類鋼梁在最大初應力比為0.41的條件下采用試驗規定的焊接加固方法加固后，鋼梁的承載能力受初始負載的影響非常小，其加固后承載能力可以得到足夠的保證。參考文獻：
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【關鍵詞】碼垛機器人 受力分析 優化
一、前言
日本早在二十世紀70年代已開始將碼垛機器人用于其工業制造。如今，國際上在碼垛領域較為出色的包括日本FANUC，德國的KUKA以及瑞士ABB等，他們對CAD＼CAE＼FAE等計算機輔助技術的運用已經相當成熟，為客戶帶來的是機器人自動化生產線成套裝備解決方案。而在我國，目前碼垛機器人還未成產業，國內多數廠家仍處于自主研發、或小批量成產的初步階段，面臨的問題包括：生產力落后，產品通用性不高以及產品的可靠性較低等。而這些問題最終都歸結到國內的機器人設計手段較落后這一根本原因。要縮小與國外同行的差距，重中之重就是要提高設計能力。本文碼垛機器人手臂在設計中使用SolidWorks三維建模以及使用其Simulation模塊進行有限元分析，并對零件結構進行優化，以此彰顯CAD＼CAE技術在機械設計中的重要性。
二、建模和分析前準備
三維建模是進行計算機輔助分析的第一步。首先按照設計尺寸在SolidWorks上進行草圖繪制、拉伸等在維建模操作，碼垛機器人手臂為焊接組合件，在此把模型簡化成一體化的實體模型，以利于接下來的分析和優化。三維模型完成后進入Simulation模塊，新建新算例，按照要求進行網格劃分。
三、有限元分析及優化
有了前面的準備工作，要模擬碼垛機器人極限位姿下的實際加減速運行狀況（如無特殊說明，本文所描述的手臂分析狀態皆為碼垛機器人的加減速階段），首先將定義材料為Q235-A。然后對手臂的末端添加符合運行情況的邊界約束條件，對手臂的前端添加兩部分載荷，一部分為碼垛機器人前部及負載所產生的載荷；另一部分為碼垛機器人的加減速階段，在加速度條件下等效的慣性載荷。最后，在運算結果中添加應力分析及位移分析。運行算例后，得到圖1及圖2的分析結果。
圖1.碼垛機器人手臂 圖2. 碼垛機器人手臂
應力分析圖 位移分析圖
由圖1可見，在碼垛機器人作加減速動作時，最大應力發生在方鋼與手臂末端的接合處，應力值為120MPa。而Q235材料的屈服強度為235MPa左右，故安全系數為1.95，并未達到設計的預期值。由圖2可見，加減速狀態時碼垛機器人手臂越靠近手臂末端，位移值最大，達到4.663mm，這個位移值偏離設計要求，如果不給予優化，將導致碼垛機器人運行時產生較嚴重的振動，影響機器整體性能。
為解決上面的問題，較直接的方法是滿足設計要求的前提下，修改手臂相應的結構和焊接形式。首先，在碼垛機器人手臂前端，增加手臂前端方鋼的壁厚，使方鋼與焊接件的結合處過渡得更平滑，增加兩軸承孔間的跨距。然后，在碼垛機器人的末端，在兩個板的中間處，增加加強筋，同時確保此加強筋在整個工作空間運行時不會與其他零部件發生干涉。此加強筋的作用是，增加影響發生位移的兩板之間的剛性聯結，減小位移變形的發生。采取這些措施后，在同樣的條件下再次運行算例進行分析。
優化后的最大應力只有68MPa，安全系數符合設計要求，位移變形雖然仍然是越接近手臂末端，位移值越大，但是最值已減少到1.749mm，這對于碼垛機器人的實際碼垛工況，是可以接受的。如表1中所示，進行有限元分析后，優化前與優化后的對比，有力的證明了有限元分析及優化對傳統設計的幫助是很大的。
表1 優化前和優化后的分析對比
項目 優化前 優化后
應力最大值 120MPa 68MPa
位移最大值 4.663mm 1.749mm
四、結語
實踐證明，只是單純采用傳統設計以及經驗設計，在這種新型的重載荷和高速度運行的機械結構設計上，也只能是摸著石頭過河。本文用簡單地實例證明了SolidWorks以及其Simulation模塊在有限元分析及優化上，有著極大的開發潛力。使設計者能在試制試產前能提前發現問題，解決問題。這直接降低了產品的研發成本，縮短了產品周期，節省了大量的人力物力。要縮短國內與國外同行的差距，最重要的就是要解決設計手段上的差距，這就需要研發人員不斷提高CAD/CAE的應用能力。
參考文獻：
[1]謝莉. 斜流泵結構強度及振動特性分析. CAD/CAM與制造業信息化. 2010：23-24.
關鍵詞：土工格柵；路面；抗壓強度；ANSYS軟件
“土工格柵”是聚合物材料經過定向拉伸形成的具有開孔網格，較高強度的平面網狀材料。它以聚丙烯，高密度聚乙烯或其他高分子聚合物為原料，加人一定量的抗紫外線助劑，經熱熔，擠出拉伸等新工藝生產而成。土工格柵在制造過程中經過定向拉伸，使聚合物分子沿拉伸方向排列，加強了分子鏈間的聯接力。它與其它土工合成材料相比，具有重量輕、變形小、抗拉強度高、延伸率低的優點。同時它具有較好的耐酸、耐堿、耐腐蝕和抗老化等性能。玻璃纖維土工格柵是以高強度無堿玻璃纖維通過國際先進的經編工藝織成基材，經表面涂覆處理而成的半剛性制品。
1.有限元分析方法
1.1有限元方法
有限元分析是使用有限元方法分析靜態或動態的物理物體或物理系統。在這種方法中一個物體或系統被分解為多個相互聯結的、簡單、獨立的點組成的幾何模型。在這種方法中這些獨立的點的數量是有限的，因此被稱為有限元。由實際的物理模型中推導出來的平衡方程式被使用到每個點上，由此產生了一個方程組。這個方程組可以用線性代數方法來求解，有限元分析的精度無法無限提高。元的數目到達一定高度后解的精度不再提高，只有計算時間不斷提高。有限元的高度通用性與實用性使得有限元通用程序迅速發展。40多年來，各種商業通用軟件陸續登入市場，它們的應用范圍越來越廣，能處理的問題越來越多，涉及的問題越來越大。目前國際著名的通用程序有幾十種，針對不同的領域，它們有各自的特點，但是基本思路是一致的。常用的軟件有：SAP、ABAQUS、ANSYS、LS-DYNA、NASTRAN、ASKA、ADIAN等等。本論文的數值模擬部分，采用大型有限元軟件ADINA進行模擬分析。
1.2單元類型與邊界條件
路基結構模型在水平方向和深度方向取其有限尺寸。模型設計中，路面縱向長為6.0m，橫向寬為7.0m，路面厚度為33cm，土基厚度3m。路基材料選用ANSYS單元中的三維實體單元（solid 單元），土工格柵選擇殼單元（shell63）對模型體進行網格劃分。對模型路面結構的側面即左右面Y方向進行約束，整個模型的前后面X方向進行約束，底部完全約束，面層表面作為自由面，不進行任何約束。為保證計算結果的精度并不致使計算過于復雜，在采用ANSYS有限元軟件進行分析計算采用了8節點三維塊體單元，并對結構中預計將產生最大應力的部位適當加密了單元網格的劃分，遠處網格逐步擴大，有裂縫模型層厚度方向采用了較密的單元劃分。單元總計：23925個，節點總計：5087個。圖1-1與1-2為舊路面有裂縫力學模型示意圖、有限單元劃分示意圖。
1.3 荷載
汽車荷載施加在結構層中可能產生最大應力或結構層最可能損壞的位置，其荷載位置如圖所示。按對稱荷載作用位置加載計算。根據《公路瀝青路面設計規范》取單軸雙輪（軸重60KN），雙圓荷載，雙圓中心距離3（=9.75cm）保持不變，接觸壓力采用均布荷載，輪胎接地壓強為=0.7MPa，單輪傳壓面當量圓直徑=19.50cm。
2有限元計算結果分析
2.1 路面結構的有限元分析結果
路表彎沉是指在一定荷載作用下路表面的豎向變形，是反映路面整體承載能力高低和使用狀況好壞的最直觀、最簡單的指標。它是由路面各結構層（包括土基）各自變形的綜合結果，因此該變形在一定程度上反映了路面各結構層及土基的力學性質。根據我國現行規范要求，以雙輪組車輛荷載作用下，在路表面輪隙中心處的彎沉作為路面整體抗變形能力的指標。因此，對位移的分析，主要就是分析路表面輪隙中心處的彎沉。
經ANSYS計算可知在未加格柵和加入格柵的路表輪隙中心處的豎向最大位移分別為1.0533mm，0.9756mm，都小于路面設計彎沉值（
1.32mm）。雙輪載荷作用于路面時，在兩車輪中心路表處產生最大彎沉，而輪隙中心路表處彎沉略有減小。加鋪土工格柵的車輪中心的最大彎沉值比未加格柵的最大彎沉值減小0.077mm，在輪隙中心處彎沉值基本沒有變化。
在原路面未鋪設土工格柵時，基層底面產生的拉應力達到了0.03～0.04MPa，加鋪格柵的路面底基層的拉應力降到0.015～0.02MPa，可見加鋪的土工格柵減少了基層底面的應力集中現象。這是因為土工格柵具有一定的抗彎拉能力，減少減少基層變形從而降拉應力集中的現象出現。
在原路面未鋪設土工格柵時，裂縫上面的基層底面產生了較大的拉應力集中，拉應力達到0.05～0.06MPa，加鋪格柵的路面裂縫處的拉應力降到0.03～0.04MPa，使裂縫處的拉應力降低了1倍左右，消除了基層底面的應力集中現象，這是因為土工格柵使開裂斷面具有一定的抗彎拉能力，減少裂縫張開變形從而降低裂縫尖端的拉應力集中，土工格柵起到了應力吸收膜的作用，它會吸收下底基層的很多水平運動，分散了裂縫處的應力集中從而阻止裂縫通過基層底面反射到瀝青混合料面層。鋪加土工格柵發揮了其強度高，變形能力好的優點，使粘結層形成應力吸收膜，在加鋪層與基層之間構成緩沖層避免應力集中，增加路面整體剛度，減小和延緩反射裂縫產生，控制路面開裂，延長路面使用壽命，提高了路面的路用性能，也會節省養護開支。
3結論
（1）經ANSYS計算可知在未加格柵和加入格柵的路表輪隙中心處的豎向最大位移分別為1.0533mm、0.9756mm，都小于路面設計彎沉值（1.32mm）。雙輪載荷作用于路面時，在兩車輪中心路表處產生最大彎沉，而輪隙中心路表處彎沉略有減小；
（2）加鋪土工格柵的車輪中心的最大彎沉值比未加格柵的最大彎沉值減小0.077mm，在輪隙中心處彎沉值基本沒有變化。在原路面未鋪設土工格柵時，基層底面產生的拉應力達到了0.03～0.04MPa，加鋪格柵的路面底基層的拉應力降到0.015～0.02MPa，可見加鋪的土工格柵減少了基層底面的應力集中現象。這是因為土工格柵具有一定的抗彎拉能力，減少減少基層變形從而降拉應力集中的現象出現。
【關鍵詞】鋼筋混凝土，有限元分析，異形柱，軸心受壓
概述
近年來，隨著社會的不斷進步與發展，人民生活水平得到極大提高，對住宅的數量、功能和形式的要求不斷提升。傳統的磚混結構住宅雖然具有施工簡單，造價低廉等優點，但除了其結構本身強度低，自重大，抗震能力差，建筑功能局限大等缺點外，大量建造磚混結構房屋所帶來的惡劣后果已越來越明顯。因此，近年來，異形柱大開間框架結構引起工程界越來越廣泛的重視[1]。
本文對鋼筋混凝土異形柱基本構件進行了軸心受壓承載力有限元分析，對分析結果和試驗結果進行比較，得出了初步成果對將來鋼筋混凝土異形柱建筑結構研究提供了基礎。
試驗參數
2.1原材料及混凝土配合比
水泥：425#普通硅酸鹽水泥，砂為水洗河砂（中砂），石子為豆石，粒徑為5-15mm；鋼筋：縱筋為HPB235級Φ8的圓鋼，箍筋為HPB235級Φ6.5的圓鋼；混凝土：強度等級為C40，實際配合比為1∶1.92∶3.36∶0.6（水泥∶砂∶石子∶水）。
2.2截面形狀及尺寸
試件分為兩種截面（即L形和T形），分別用符號Lw和Tw表示。截面設計如圖2－1所示。截面設計的參數為：柱肢寬均取300mm，柱肢厚度取為100mm，柱長均為1200mm，采用復合箍筋，間距取150mm。
2.3試驗材料的性能參數
有限元模型
3.1單元選擇
混凝土單元采用8結點六面體單元，該單元每個結點均有三個平動自由度，可以考慮混凝土這類非線性材料的很多非線性性質，將鋼筋分布于整個單元中【2】，假定混凝土和鋼筋粘結很好，并把單元視為連續均勻材料。鋼性墊塊均采用實體結構單元，每個節點具有X,Y,Z位移方向的三個自由度。具有塑性、徐變、膨脹、應力剛化、大變形、大應變的特征【3】。
3.2材料性質
3.2.1混凝土的本構就是表示在各種外荷載作用下的混凝土應力應變的響應關系。
在建立混凝土的本構關系時一般都是基于現有的連續介質力學的本構理論，再結合混凝土的力學特性，確定甚至調整本構關系中各種所需的材料參數。通常，混凝土的本構關系可以分為線性彈性、非線性彈性、彈塑性和其他力學理論等四類。其中研究最多的是非線性彈性和彈塑性本構關系。
混凝土的本構關系借用Hognested提出的σ-ε曲線，其表達式為：
在公式（3－2）中，fc為曲線的應力峰值，取為混凝土的抗壓強度；ε0為應力峰值所對應的應變，均取為ε0＝0.002；εcu為混凝土極限壓應變，取值為εcu＝0.0038。
3.2.2混凝土材料輸入參數
3.3 鋼材材料性質【4】【5】
文算例所模擬的鋼材包括有鋼筋和鋼性墊板，其應力－應變關系均采用雙線性隨動強化模型（Bilinear KinematicHarding），即理想彈塑性模型，屈服準則選用Mises準則。鋼材材料的參數見表3－2。
3.4 建立模型
本文算例采用的是自底向上的方法建立有限元模型。由于柱模型采用的是L和T形截面，通過工作平面將柱體剖分為有限個矩形截面的六面體【6】，同時選用25mm×25mm×25mm的單元尺寸對這些六面體進行映射網格劃分，以保證所有單元的節點位移協調。
3.5 加載
為了更接近于試驗的真實情況，本算例在加載處和支座處均加設400mm×400mm×40mm鋼性墊塊以避免出現局部破壞。同時將柱底假設為固定端，約束實體模型底面的全部自由度，柱頂則將軸向均布荷載直接加到有限元模型的節點上，所加荷載的大小要比試驗測定的極限荷載值大一些。
計算結果及分析
4.1 軸向承載力
通過對L形和T形截面鋼筋混凝土異形柱的有限元分析，L形有限元結果為775KN, 試驗結果為805KN，而T形有限元結果為1031KN，試驗結果為1084KN.可以看出，鋼筋混凝土異形柱極限荷載的有限元計算結果和試驗結果吻合較好，且不論L形柱還是T形柱，有限元計算結果都略低于試驗結果。
4.2 荷載－應變曲線結果分析
通過分析L形試件所施加的荷載分別同柱中橫向應變、柱中縱向應變、縱向平均應變的關系曲線，可以得出，計算曲線同試驗曲線吻合較好，且無論結果還是試驗結果，曲線都表現出試件一定的彈塑性能力。同時，由于試驗條件及人為讀數的誤差，試驗曲線點呈現出一定的離散性，而計算曲線較試驗曲線明顯平滑。從中看出，運用計算機程序模擬試驗可以消除試驗條件、人為等的因素影響，所得到的結果也更符合實際情況。
同樣通過分析T形試件荷載－應變關系曲線的計算值與試驗值，可以得出，T形試件的荷載－應變的計算曲線較試驗曲線平滑，同時，荷載－柱中縱向應變、荷載－縱向平均應變的計算曲線與試驗曲線吻合較好。對于荷載－柱中橫向應變的關系，從試驗曲線可以看出，在加載中后期，柱中橫向應變的變化很小，大致成水平狀態。
4.3 荷載－變形曲線結果分析
由鋼筋混凝土異形柱的荷載－縱向變形的計算曲線與試驗曲線的對比，可以看出：不論L形柱還是T形柱，計算曲線與試驗曲線吻合較好，且計算曲線比試驗曲線更為平滑。
結論
從極限荷載、荷載－應變曲線、荷載－變形曲線等方面比較了計算值與試驗值，結果表明有限元計算結果與試驗結果吻合較好。同時，計算值與試驗值相比還有一定的誤差，這是由于多方面的因素造成的，包括試驗條件，模型材料參數及本構關系的選取、軟件本身等。通過對鋼筋混凝土異形柱的有限元分析，表明該分析方法精度較高，同時也為鋼骨混凝土異形柱的數值仿真分析提供了依據。
【參考文獻】
[1]陳昌聲.多層RC異型柱框架住宅在龍巖市推廣應用研究.同濟大學碩士論文,2001.10.
關鍵詞：桁架，許用應力，有限元分析
中圖分類號： S611 文獻標識碼： A 文章編號：
前言
秦皇島港煤五期工程帶式輸送機皮帶機承載帶與地面之間的高度大于2m時皮帶機機架設計成橋架型式。縱梁為板梁或桁架結構。因此膠帶機都有獨立的桁架式鋼廊道，廊道跨距10米、15米、20米、30米、40米不等，其中三條膠帶機同時平行作用在一個帶外裝板的鋼廊道上，并有一段廊道要越過50米左右寬的建設大道。
2. 桁架設計
首先滿足建筑要求的前提下擬定了設計方案，設計中充分考慮當地系統工藝特點及氣象條件等，綜合考慮系統設備的穩定性、安全性、可靠性、經濟性。經過初算、繪圖、反復計算，將各條膠帶機工況及載荷進行分類與組合。然后將這些組合全部加到桁架上再進行計算效核。最后確定桁架的最終長、寬、高尺寸為55mx13mX7.25m(不含屋脊)。見下圖
圖1
3. 結構形式
本桁架的是由H鋼（焊接）、槽鋼、角鋼、鋼板等構件焊接而成。上下弦桿采用的是400X400X13X21的H鋼，而兩端立桿是400X400X13X21H鋼、350X350X12X19、300X300X10X15H鋼逐漸向中部減小，在三條膠帶機下面每隔5m橫方向都用一片桁架連接。以增加橫向剛度。屋脊三角架我們采用的是T形鋼，用T形鋼即減輕了屋脊的重量，又簡便了連接方式。桁架上的主梁、立柱、和所有斜撐盡可能的不采用偏心連接，避免不必要的附加應力，連接方式全部采用坡口對焊和雙面角焊。其它部位采用螺栓連接，需要大塊拼裝的地方，選用的是專用的“H鋼接頭”高強度螺栓群連接。
不同跨度的桁架對支座節點有不同的要求，此桁架采用的是普通壓力支座，支座兩端螺栓孔為長圓孔，允許有微小的平移，由此以適應溫度變化和桁架撓曲變形所產生的位移。這種連接方式制作比較簡單，安裝也比較簡方便。
4. 靜強度和剛度計算
此桁架由型鋼和鋼板焊接而成，用來支撐BH6－6、BH7－6和BH8－6三條膠帶機。其長、寬、高尺寸為55m13mx7.25m(不含屋脊)。我們采用有限元法對桁架整體結構進行了靜力強度、剛度分析，受壓桿件進行了穩定性校核。圖2為桁架結構圖型。
4.1 有限元分析的力學模型
4.1.1單元的選擇
廊道桁架鋼結構是由多種型鋼桿件和鋼板組合成的空間結構，受有三維方向的力和彎矩作用，根據結構特點和受力情況, 有限元分析時簡化成空間鋼架，各桿件均等效為三維彈性梁單元（BEAM189），將與架體相連的鋼板等效為板殼單元（SHELL63）。
4.1.2 約束
廊道桁架剛結構通過下弦桿兩端與高支柱用螺栓聯接。有限元分析時將與支柱聯接點約束，共有個點，過道桁架一端兩個點的三個方向X、Y、Z線位移自由度約束，另端兩個點約束Y、Z二個方向的線位移。
4.1.3 載荷
廊道桁架的載荷按三種工況加載，即：
圖2廊道桁架結構圖
第一種工況：膠帶機正常滿載起動工作工況。
第二種工況：膠帶機正常工作+地震工況
第三種工況：膠帶機非工作+極限風載工況
4.2計算結果
4.2.1結構應力
工況一 廊道桁架最大應力在下弦桿中間位置，應力值σ＝90MPa,表1是廊道桁架各部分桿件最大應力值，。結構各桿件應力均小于許用應力，
表1廊道桁架各部分桿件應力值單位：MPa
表2廊道桁架各部分桿件應力值單位：MPa
工況三廊道桁架最大應力在過道桁架端部豎向腹桿與橫梁聯接位置，應力值σ＝125MPa,表3是過道桁架各部分桿件最大應力值。結構各桿件應力均小于許用應力.
表3廊道桁架各部分桿件應力值 單位：MPa
4.2.2結構變形
表4列出了三種工況結構在X、Y、Z三個方向的最大位移值，圖3是桁架結構在Z方向的變形圖。
表4結構最大變形值 單位：mm
圖3廊道桁架結構Z方向變形圖
5結論及評價
經過計算分析，兩種工況結構發生的變形位移均在規范要求的范圍內（撓度小于1/500），說明結構剛度是足夠的；結構產生的應力峰值均在100MPa（安全系數取2.35）以下，滿足強度安全條件。
由于槽鋼在受彎作用時，穩定性欠佳。工作狀態的槽鋼梁上翼緣平鋪有鋼板（厚20mm），實際的結構剛度有較大改善，穩定性不存在問題；建議在不影響滑輪組穿線及結構正常工作的前提下，把檢修工況的槽鋼梁上下翼緣均用10mm厚的鋼板給平鋪連接起來，這樣有助于增強結構的整體穩定性。
參考文獻：
ANSYS工程結構數值分析 王新敏【著】 北京·人民交通出版社 2007.10
鋼結構設計 主編 王新堂 同濟大學出版社
鋼結構設計規范 主編 中華人民共和國建設部 北京·中國計劃出版社 2003
材料力學 合編 浙江大學、南京工程學院等 人民教育出版社1979
建筑結構載荷規范 主編 中華人民共和國建設部2006
作者簡介：
[關鍵詞]材料力學 ANSYS 結構強度
引言
材料力學是機械專業的學科基礎課，其教學目主要是為了后期專業課服務。它與機械設計、課程設計、畢業設計等息息相關。材料力學理論教學內容概念繁雜，定義抽象，學生不好學，老師不好講。尤其是應力狀態內容經常陷入只可意會不可言傳的“微妙境界”。而其相關的課內實驗教學往往以破壞性的驗證性實驗為主，其實驗對應用型的本科生意義不大，而且其成本高，其實驗器材具有不可重復性。在材料力學的教學過程中引入ANSYS軟件可以彌補這些缺點。
一、ANSYS軟件結構分析功介紹
（一）軟件的結構分析處理過程
ANSYS有限元分析分為前處理過程；求解過程；后處理過程。前處理過程就是創建有限元模型；求解過程就是施加載荷并求解；后處理過程就是查看分析結果。ANSYS軟件的CAD/CAE的協同環境AWE（ANSYS Workbench Environment）可直接讀入各類繪圖軟件的零件模型。當然也可從ANSYS軟件中直接建模。比如說汽車車架，車架的結構較為復雜，則可用CAD建模導入ANSYS中。對于前處理過程中關鍵性的網格劃分，網格劃分是比較繁瑣費時的，對于缺乏經驗的人來說很難準確完成，而其劃分的準確性對求解過程會有很大的影響。ANSYS的網格劃分是比較智能化的，對于學生們來說可以很好的彌補經驗不足這一缺點。在分析求解過程中使用有限元方法進行分析求解時可先對一些條件進行假設，然后再引入已知的約束條件，來模擬實際的邊界條件。通過計算車架在無阻尼狀態下的固有頻率和振形可分析其共振環境和頻率。通用后處理器則可以把結果數據映射到任意路徑上，可以觀察某項結果數據沿路徑的變化情況。
（二）軟件結構分析內容
ANSYS軟件中的結構靜力分析很適合用于處于穩定外載荷引起的系統的應力應變。靜力分析可以分析穩定的慣性力和隨時間穩定變化的靜載荷，比如說金屬錨桿靜力分析，首先利用ANSYS軟件建立錨桿的原始模型，有原始模型推建幾何模型，運用有限元分析可得出元件基本上都是從桿體部位斷裂，想要提高錨桿的使用壽命，則需從桿體部位入手。運用ANSYS平臺進行結構分析不僅有其實用價值，在教學中更能體現出其理論價值。
二、材料力學教學與ANSYS軟件相結合
（一）材料力學教學與軟件結合教學模式實施方案
對于應用型本科教學而言，可將傳統的64（理論課時）+8（實驗課時）改成50（理論課時）+22（軟件教學）。對應用型本科材料力學中的實驗全部用軟件教學代替，再將理論教學中的一部分（公式推導、演示部分）學時也用于該軟件的教學。當然，該軟件在相關刪掉的理論教學方面完全有替代作用，且其效果較傳統教學模式好。
（二）實驗教學內容用ANSYS軟件的相關教學代替
傳統的材料力學實驗一般都是拉壓、扭轉變形的應力公式驗證，這些實驗大多為驗證破壞性實驗。而我校屬于三本院校，培養出來的本科生以應用型為主。這些驗證性實驗對大部分本科生都沒有什么實質性的意義。且這些實驗對其公式的應用也并無益處，其破壞形式也很難從實驗中觀測出來。在引入ANSYS軟件教學后，可利用其后處理模塊動態演示實驗過程，另外很重要的一點就是與實驗室破壞性實驗不同，ANSYS可重復多次演示實驗過程，可大大節約實驗材料，并加深學生們的理解。
（三）理論教學引入ANSYS軟件
下面就在材料力學教學過程中那些內容要引入軟件教學進行論述。
1.拉壓扭轉變形
通過ANSYS軟件建造構件的拉壓扭轉變形模型。比如：圓形截面桿件的扭轉變形，通過圖例可以很好的看出圓形截面桿件扭轉時各截面仍為平面。通過這種圖例可直觀簡潔的看出桿件發生的變形，可以很好地幫助學生理解扭轉變形，還可以節約教師課堂教學時間，提高教學效率。
2.壓桿穩定
通過建立有限元分析，可使學生更容易理解用ANSYS軟件的分析過程，在求解過程中，首先應當進行靜力分析，得出靜力解。再做特征值屈曲分析。ANSYS中有兩種分析方法：線性（特征值）和非線性屈曲分析。其中線性屈曲分析與教材中的彈性屈曲分析方法類似，結果與歐拉解相同。屈曲過程的結果在結果文件中，文件中包含屈曲載荷系數、模態形狀、相對應力分布等等。其結果與教材中的理論結果相吻合，這樣就加深了學生對壓桿失穩的理解。
3.組合變形
ANSYS強大的非線性分析能力可以有效的解決各類組合變形問題，例如：矩形截面梁的彎扭組合變形屬于典型的幾何非線性問題，這就需要用有限變形理論來解決。首先，可用ANSYS對矩形截面梁所受載荷的變形程度進行分析，將分析結果與實驗結果進行對比，發現結果相差無幾，由此可以看出，ANSYS完全可以模擬彎扭組合變形問題。這樣不但節約了時間，而且更加方便學生理解掌握。
4.應力狀態分析
通過有限元分析可以得出零件結構的工作特性。比如說應力集中問題。教材中一般只對影響因素進行說明，并未對影響后的結果做具體說明，以至于學生對于應力集中得不到更多了解與認識。教師可利用ANSYS軟件對應力集中計算并分析其結果，即可幫助學生對其分析計算有更感性的理解。這樣既可以幫助同學們系統的理解應力狀態分布知識也有助于培養學生們的創新能力。
（四）教學效果
我校對材料力學這門課程在2010級機械專業試行這種教學模式。現在該年級學生已經快畢業。證明該年級的學生在后期的專業課中對于強度分析校核的應用的理解明顯優于其他年級的。通過調研發現，在學生找工作的過程中，有ANSYS軟件應用能力的學生更受歡迎。
三、結束語
ANSYS軟件不但能夠豐富理論教學內容，提升學生對于材料力學的興趣，加深學生們對于教材理論認識，將其與課堂內容教學結合起來，可以有效地解決課堂中所遇到的一些疑難問題，拓寬學生們的知識面，熟悉所學的知識在實際工程當中的應用，為以后機械設計等專業課的學習打下基礎。而且還可以培養學生們應用計算機的能力，促進學生掌握一門實用性很強的應用軟件。這對于應用型本科人才的培養至關重要。
武昌工學院校級教學研究項目：（課題編號2012JY01）
課題名稱：“實踐+應用軟件+理論”三結合模式課程體系的構建研究
[參考文獻]
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關鍵詞：深基坑支護結構；主體結構；設計與施工
中圖分類號：TU476 文獻標識碼：A
相比較以往深基坑施工技術來說，結合主體結構和支護結構的方式具備節約資源、保護環境、縮短工期的優勢，是構建可持續健康發展節約型社會的關鍵，同時也是一種新型支護技術。本文集中闡述了設計主體結構和支護結構的方式，全面促進基坑支護技術以后的發展。
一、主體結構和支護結構相結合的設計類型
（一）墻體相結合
主體地下室圍護墻和外墻相結合的形式通常為地下連續墻。設計和計算墻體相結合結構的時候應該合理分析施工中、竣工中以及使用中地下連續墻的不同結構與荷載作用的狀態，并且也應該切實符合正常使用和不同承載能力情況下的極限狀態設計需求。設計兩墻合一接頭形式主要有設計接頭結構和施工接頭以及設計連接主體的結構，設計接頭的過程中滿足主體結構變形與受力的實際需求，尤其是保障可以剪力傳遞新舊混凝土接縫的位置，同時設置響應和止水措施和抗滲措施。設計兩墻合一結構中一般應用現澆地下連續墻結構，施工質量經常出現不穩定因素，會對墻體結構受力性能和抗滲性造成影響。
（二）水平構件相結合
主體結構水平構件圍護強形變小、支撐剛度大，可以當作內支撐，適合應用在逆作施工中。內支撐系統如果是地下室結構樓板，此時框架梁施工體系為無梁樓蓋板和梁板體系。實際操作中因為需要分析向下挖土的工程，應該在結構樓板上對兩種結構都設置相應的出土口，前兩種均需要在結構樓板上設置一定數量的出土口，無梁樓蓋板結構可以更加方便地進行挖土，但是因為屬于二次樓板施工項目，板梁接縫處的位置應該設置一定的止水措施。內支撐若是地下結構水平構件，應該合理計算正常使用和不同承載能力情況下的極限狀態，同時也切實滿足使用期限和施工周期的需求。當結構梁板被當作臨時施工棧橋或者平臺的時候，設計構件中應分析動力荷載。計算樓板預留孔位置的變形和應力，并且設置孔口邊梁。施工中連接地下連續墻和地下結構水平構件的過程中保障滿足主體結構變形以及受力的實際需求，依據連接剛性需求設計構造，結構中都設置止水構造。
（三）豎向構件相結合
當支撐系統和主體結構水平構件結合的時候，利用結合主體結構工程的立柱樁保護臨時立柱來處理立柱樁與豎向立柱。如果施工中應用臨時立柱，完成地下室結構項目以后需要及時拆除臨時立柱，同時托換主體結構柱。若施工中應用主體結構結合柱的時候，實際操作中合理使用H型鋼柱、角鋼格構柱等。在完成基礎底板結構以后依據澆筑外包混凝土的方式處理形成H型鋼柱或者角鋼格構柱，板上一般需要預留澆筑孔，立柱樁正常使用的時候，能夠對混凝土和勁性構件進行共同作用。
二、深基坑支護結構與主體結構相結合設計的分析方法
（一）工程實用分析法
工程實用分析法實際上就是對分離水平支撐體系和圍護結構進行分析。可以使用連續介質平面有限元分析法處理圍護結構，也可以使用平面豎向彈性地基梁分析法處理圍護結構。國內理正基坑支護軟件、理正基坑支護軟件等平面豎向彈性地基梁分析方式。現階段經常使用ABAQUS、ADINA、PLAXIS等連續介質平面有限元分析方法。水平支撐類型為周邊地下聯系強兩墻合一結構支撐形式，空間桿系模型方式分析臨時水平支撐，此時可以合理應用啟明星軟件。主體結構和支護結構向結合的方式被臨時周邊維護體結構方式取代，考慮梁板作用模型的方式來分析主體結構支撐水平依稀，此時可以合理應用ABAQUS、ANSYS等大型有限元分析軟件。
（二）豎向支撐、水平支撐、維護結構一起作用的三維m法
支護結構作為這種方式的主要分析目標，依據支護結構為中心構建三維有限元模型，這種模型結構包括土彈簧單元、豎向支撐系統、維護結構以及水平支撐系統。如果依據臨時水平支撐進行分析，此時利用梁單元來模擬體系梁結構；主結構梁板為水平支撐結構的時候，分析水平支撐構件中可以應用板單元和梁單元，同時也需要充分分析板和梁的共同作用。立柱樁和立柱為豎向支撐體系的關鍵結構形式，模擬中應用梁單元。彈簧單元來對坑底以下土體進行模擬，大型有限元軟件對支護結構和分層開挖土體的方式進行模擬，荷載來對坑外土體進行模擬，以便于可以合理分析支護結構的變形和內力。
（三）結構和同作用方式下的三維有限元方法
深基坑中結合主體地下結構和支護結構的方式具備十分復雜的支撐結構，開挖土體的時候屬于結構和土一起作用的三維問題，如果此時只是應用平面分析方式不能完全展現基坑三維形變的情況，同時也不能體現建筑支撐結構變形和受力規律。所以需要應用三維有限元分析方式來處理上述問題。三維有限元分析中包括以下模擬方式為三維四面體單元、三維六面體單元。利用板待援對支撐樓板和圍護結構進行模擬，依據梁單元來對梁支撐和立柱進行模擬。三維有限元方式分析過程中主要有支護結構和土體結構，同時也應該著重闡述結構和土體對于建筑的共同作用，依據施工實際情況來對施工過程中進行模擬，以便于獲得建筑結構的變形和內力。
結語
綜上所述，近年來隨著建筑事業的高速發展，越來越多地開始使用主體結構和支護結構相結合的建筑結構，并且成為基坑技術發展的主要趨勢。因此上述主要研究了主體結構和支護結構相合形式的設計方法和分析方式，分析中提出了3種主體結構和支護結構相結合的構件形式，為豎向支撐結構體系、水平構件結構體系、墻體結合。依據上述三種主體結構和支護結構結合的形式，提出了幾種分析主體結構和支護結構框架體系的綜合技術，主要包括基于規范維護結構、工程實用分析法、結構和同作用的有限元分析法以及三維m分析法。這種基坑支護結構在工程領域已經得到一定成果，可以全面提升建筑單位的社會效益和經濟效益。
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關鍵詞：機械類專業；畢業設計；民族班；改革
畢業設計是學生在校學習期間最后一個實踐性教學環節，是學生學習、研究與實踐成果的全面總結，是學生綜合素質與工程能力培養的全面檢驗。其主要目的是培養學生綜合應用所學知識和技能解決工程實際問題的能力，進行創造性工作的基本訓練，培養學生獨立工作和團隊協作能力，是對學生學習成果的一次全面考驗。新疆是個多民族地區，少數民族的基礎教育比較薄弱，考入新疆大學的多數少數民族學生均來自邊緣地區。雖然在四年的學習過程中，嚴格地按照教學大綱和教學計劃完成教學內容，但是由于學生本身基礎較差、漢語接受能力有限，大部分學生對于系統性、實踐性較強的專業課程很難全部理解透徹，使學生在學習中總處于被動狀態。為加大民族班教學改革的力度，提高教學質量，在以往實踐性教學環節中所積累的經驗的基礎上，通過采取有效的改革措施，取得了較好的成果。
一、設計手段
機械制圖是機械工程專業最基本的工具，是表達設計思路和設計方案的語言。以往我們都是采用手工繪圖，其缺點是：繪圖速度慢、出錯率高、不易修改、圖面質量差。國家早就規定要甩掉圖板，利用計算機二維繪圖解決以上問題，但其設計思路仍然建立在手工繪圖的基礎上。機電產品的配合性和可裝配性是設計人員容易出現錯誤的地方，以往要到產品最后裝配時才能發現，導致零件的報廢和工期的延誤，造成巨大的經濟損失和信譽損失。采用3D平臺下的計算機輔助裝配技術可以在設計階段就進行驗證，確保設計的正確性，避免損失。三維設計方法與人的思維方式比較接近，較為直觀，可以大大地提高設計速度，并且可以進行裝配干涉檢驗、機構運動仿真及有限元計算、優化設計等。尤其對于空間想象力不高的學生來說，更是一種比較理想的設計方法。此外，三維設計后可以立即轉化為二維（平面）圖形，因此從三維到二維的整個過程不一定比直接畫二維圖要慢。我們從2000年（95級民族班）起，要求學生在畢業設計過程中盡量采用計算機繪圖，并在答辯中采用多媒體答辯，這在當時全校民、漢班級中是比較少見的。直到2004年，采用三維設計已經較普遍，這方面已經達到了內地同類大學的水平。
二、設計題目
選題是否合適，其難易程度直接決定學生畢業設計的質量。我們在近幾年的畢業設計選題上，淘汰了以前過時的老題目，而盡量選擇指導教師的科研課題和當前的生產實際相結合的題目，充分體現教學與科研、生產實際相結合的原則，培養學生綜合應用所學知識和技能解決工程實際問題的能力。如2001年機械制圖96-2班兩名學生參加了由指導教師主持的橫向課題“數控塑料切粘機的研制”，并以之作為畢業設計題目，完成了產品的設計、零件的加工到整機的調試全過程，獲得了難得的實踐經驗，并完成了整機的CAD繪圖工作。長期以來，機械強度分析與計算一直沿用材料力學、理論力學和彈性力學所提供的公式來進行。由于在計算過程中有許多的簡化條件，因而計算精度較低；在設計中，為了保證設備或構件的安全可靠性，常采用加大安全系數的方法，結果使結構尺寸加大，浪費材料，有時還會造成結構性能的降低。有限元分析技術是最重要的工程分析技術之一，它廣泛應用于彈塑性力學、斷裂力學、流體力學、熱傳導等領域。有限元法在產品結構設計中的應用，使機電產品設計產生革命性的變化，理論設計代替了經驗類比設計。以前由于其理論性較強，有限元法僅僅用在碩士論文中，但從2002年起，在本科班中嘗試應用有限元強度分析作為畢業論文題目。同時，由于我們所用的有限元分析軟件在Linux平臺上運行，所以學生必須掌握Linux操作系統，使學生在計算機方面也有了全方面的提高。
三、創新實踐
近幾年，我們在學生當中廣泛進行了課外學術活動和機械創新設計實踐，并把這些內容與學生的畢業設計相結合，獲得了可喜的成績。依布拉音、西克熱木等學生完成的“油罐車注油自動控制系統”項目在西北地區比賽中獲得一等獎，全國大賽中獲得三等獎。努爾比亞等學生完成的“上下樓梯搬運機器人”項目在西北地區比賽中獲得一等獎，全國大賽中獲得三等獎。通過這些設計大賽及幾年的教學改革實踐，學生不僅從設計中得到了鍛煉，學到了設計技能，而且在做設計時的動手機會多了，培養了他們科學的思維方法與創新能力，加深了學生對機械制造專業的認識，促進了課程設計、畢業設計質量的提高。要實現教育改革和建設的目標，關鍵是教師，教師不但要有高度的敬業精神和教學責任心，還要有較高的教學業務素質。為使青年教師提高工程素質，增加實踐經驗，鼓勵青年教師積極參與實際科研工作和實驗室建設，并對青年教師制定了嚴格的培養計劃。教師梯隊建設及青年教師培養有了明確的規劃，結合課程建設，個人業務素質提高較快。
四、結論
