H型钢悬臂梁结构非线性分析

H型钢悬臂梁结构非线性分析

刘欣

重庆交通大学 土木工程学院

摘要：H型钢是当今建筑工程行业使用较为广泛的材料，因此分析H型钢也对工程应用有很大的实际意义。基于ANSYS对工字钢悬臂梁的非线性分析，建立有限元模型，得出给定参数下的计算结果，并对结果进行分析。

关键词：工字钢；悬臂梁；非线性；有限元；模型

1 引言

H型钢在生活中是较为普遍的钢材，广泛用于各种建筑结构、桥梁、车辆、支架、机械等[2、3]。农村快速建房均采用工字钢作为整体的框架，速度快，省时。H型钢可以看成是由三块钢板焊接而成的，因此可以将H型钢当做组合梁[1]。在一些楼层较高的建筑中，工字梁可以承受很大的荷载。同时钢的强度很大，在实际的应用中也比较广泛，本文主要是利用有限元软件ANSYS对工字钢进行非线性分析，分析在荷载的作用下，H型钢产生的位移与荷载之间的关系。

对于弹性力学的假设，若不满足任一假设均可被视为非线性问题。同样，一个线性问题就是系统所做出来的响应与施加的载荷之间是成线性的比例关系的，剩下的问题都可以被认为是非线性问题[5]。非线性结构也包括了：几何非线性、材料非线性、边界非线性、非线性动力问题以及接触问题等。

在实际工程分析中，大部分的受力构件都可以简化为悬臂梁。悬臂梁在一端固定，即不产生轴向力、垂直位移和转动的固定支座，一端自由的情况下，根据材料力学相关理论，对于悬臂梁而言，最大的挠度则发生在自由端。

2 ANSYS模拟分析

2.1问题描述

本文分析的是一个H型钢的悬臂梁，H型钢截面尺寸如下图，长1500mm，杨氏模量，泊松比。将材料认为是理想弹塑性材料，材料的应力应变关系如图1所示。对H型钢悬臂梁分析，一端固定，一端自由，在自由端施加集中力大小为，方向竖直向下。H型钢本身具有较强的刚度，通过增量步，使得结构会产生非线性变形，因此从几何非线性的角度来分析此问题。采用ANSYS对模型进行分析，本文通过数值模拟，计算得到在边缘受力的作用下，边缘的挠度与载荷之间的关系图。

2.2非线性分析

2.2.1几何模型建立及材料属性

在进行分析之前，应该首先建立有限元的模型，本文采取在ANSYS中建模，采取BEAM189单元，通过点线的连接，创建H型钢截面。

2.2.2单元类型网格划分

在单元的类型的选择上也很重要，会影响网格的合理性和求解的精度。本文选择六面体单元作为划分网格的类型。将梁长度方向划分为100个单元，并对H型钢的截面进行网格划分。需要注意的是单元出现不太规则的六面体时，应该做一系列的调整，从而避免求解精度受到影响。

2.2.3施加边界条件及荷载

为保证梁的一端为固定端，要施加上足够的约束，因此需要固定梁的一端。在另一端施加集中力。

3.2.4定义分析步

打开大变形设置，在时间为1的时候结束计算。时间步为0.1，最大时间步为1，最小时间步为0.1，并且将每一步都记录下来。

2.2.5求解及后处理

采用ANSYS中默认的牛顿-拉欧森方法。在荷载的作用下，H钢梁的Mises应力分布云图如图所示。从云图中可以看出，悬臂梁所能承受的最大应力为1513.62MPa。可得到在力的作用下，梁有很明显的变形。

图1Mises应力云图

可以得到所需要的荷载-位移曲线。

图2荷载-位移曲线图

2.3静力分析

在其他材料参数以及网格划分等均不变的情况下，关闭大变形进行计算。计算结果如下

图3 静力分析下的荷载-位移关系

3结论

(1)通过ANSYS软件分析，将H型钢简化为一条线，设置各参数即可得到H型钢的应力、应变云图，同样可以得到所需要的荷载位移曲线图。

(2)通过荷载-位移曲线图可以看出，在前阶段荷载与位移是呈现线性的关系，说明此时结构只存在弹性变形，且结构在变形过程中的刚度是保持不变的；在后阶段出现非线性变化关系，此时出现了塑性变形，结构在变型过程中刚度是变化的。

(3)对于塑性材料来说，应该满足最大的应力值小于自身的屈服强度，本文中最大的应力，屈服强度为，明显结构受到巨大的变形。

(4)非线性分析与静力分析进行对比，如图2和图3可以得到，非线性情况下的位移变形更大，静力分析的位移相对较小。图3的荷载位移图为线性关系，说明在此情况下结构的刚度是没有变化的。

(5)本文同时也验证了H型钢悬臂梁的力学性能。

参考文献

[1]李建莉.基于ANSYS对工字钢梁结构的静力分析[J].机械工程与自动化，2017年，第1期：80-81.

[2]徐莹.基于ANSYS工字钢截面力学优化设计[J].华北科技学院学报，2014年，第11卷（第11期）：30-36.

[3]彭刚，岳岭，刘忠.工字型钢-混凝土连续组合梁受弯性能数值分析[J].科研开发，2013年，第9期：18-22.

[4]王晓明.钢筋混凝土结构非线性有限元分析简述[J].建筑监督检测与造价，2017年，第4期（第10卷）：45-