時(shí)間：2022-08-05 09:12:45
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)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(nèi)容能成為您創(chuàng)作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進(jìn)步。
關(guān)鍵詞：高聳鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)煙囪；爆破拆除；數(shù)值模擬；本構(gòu)關(guān)系；有限元模型
1.引言
隨著城市化進(jìn)程和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的不斷推進(jìn)，在城市建設(shè)和企業(yè)技術(shù)改造中，經(jīng)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(dá)到預(yù)定拆除目的，又必須有效控制爆破振動(dòng)影響、飛石拋擲距離和破壞范圍等，以保障周圍環(huán)境安全[1]。目前，國內(nèi)外已廣泛應(yīng)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(dá)210米[2]。
本文基于彈塑性力學(xué)和有限元基本理論，針對(duì)一150m高聳鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)煙囪定向爆破拆除工程，對(duì)該煙囪爆破拆除的力學(xué)條件、煙囪爆破傾覆時(shí)間、煙囪爆破傾覆時(shí)的支座內(nèi)力以及煙囪爆破傾覆時(shí)的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行研究，并采用有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA，通過分離式共節(jié)點(diǎn)建模，建立高聳鋼筋混凝土煙囪有限元模型，對(duì)煙囪爆破拆除過程進(jìn)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(cè)的煙囪支承筒壁底部炸開一個(gè)爆破缺口，破壞煙囪結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)和重心外移，使煙囪在自重作用下形成傾覆力矩，進(jìn)而使煙囪按預(yù)定方向傾倒。若煙囪爆破缺口長度過短，上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩可能小于下部支撐結(jié)構(gòu)可以承受的彎矩，爆破時(shí)結(jié)構(gòu)不易發(fā)生破壞；若煙囪爆破缺口尺寸過長，下部支撐結(jié)構(gòu)不能承受上部結(jié)構(gòu)的自重，上部結(jié)構(gòu)將直接壓塌下部結(jié)構(gòu)，影響煙囪倒塌方向，產(chǎn)生嚴(yán)重后果。因此煙囪爆破缺口尺寸對(duì)煙囪控制爆破拆除至關(guān)重要。
某電廠一個(gè)150m高度的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)煙囪，煙囪底部壁厚400mm，外徑為5.83m、內(nèi)徑為5.43m；110m高度處煙囪璧厚為180mm，外徑為3.68m、內(nèi)徑為3.5m；煙囪頂部壁厚200mm，外徑為2.905m、內(nèi)徑為2.705m；煙囪體積為1299.87m3，質(zhì)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(nèi)，采用137發(fā)瞬發(fā)導(dǎo)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(fā)導(dǎo)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(shè)了1個(gè)高1.46m、長4m的三角形作為定向窗。
3.煙囪爆破傾覆時(shí)間歷程
煙囪爆破傾覆時(shí)間是煙囪爆破過程控制的一個(gè)重要因素，煙囪爆破傾覆時(shí)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(shí)間。針對(duì)論文中150m高度的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)煙囪，其爆破傾覆時(shí)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(jié)點(diǎn)有限元建模，可事先分別計(jì)算混凝土和鋼筋的單元?jiǎng)偠染仃嚕缓蠼y(tǒng)一集成到結(jié)構(gòu)整體剛度矩陣中，可按實(shí)際配筋劃分單元，并可在鋼筋混凝土之間嵌入粘結(jié)單元。因此，論文針對(duì)該150m高度鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)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(shí)，為模擬煙囪傾覆過程，通過在特定時(shí)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(dòng)單面接觸，鋼筋與地面之間采用點(diǎn)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(huán)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(zhǔn)則功能。
4.2數(shù)值模擬結(jié)果
圖4為煙囪爆破傾覆歷程數(shù)值模擬結(jié)果，圖5為實(shí)際煙囪爆破傾覆歷程圖，圖6和圖7為有限元計(jì)算得到的煙囪頂部、質(zhì)心及缺口等不同部位在爆破傾覆過程中的位移、運(yùn)動(dòng)速度隨時(shí)間的變化曲線，圖8為有限元計(jì)算得到的煙囪爆破傾覆歷程不同時(shí)刻的煙囪等效應(yīng)力場(chǎng)分布圖。
由圖4和圖5可知，煙囪爆破傾覆歷程數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際煙囪爆破傾覆過程吻合較好。由圖6和圖7可知，計(jì)算得到的煙囪頂部、質(zhì)心及缺口等不同部位在爆破傾覆過程中的位移、運(yùn)動(dòng)速度隨時(shí)間的變化情況較符合實(shí)際。圖7中煙囪頂部、質(zhì)心及缺口部位在爆破傾覆過程中的運(yùn)動(dòng)速度隨時(shí)間變化出現(xiàn)振動(dòng)是因?yàn)楸苾A覆初期煙囪筒體出現(xiàn)晃動(dòng)，圖7中煙囪頂部、質(zhì)心及缺口部位運(yùn)動(dòng)速度在5.8秒出現(xiàn)突變是因?yàn)闊焽璞苾A覆過程中爆破缺口發(fā)生閉合，圖7中煙囪頂部、質(zhì)心及缺口部位運(yùn)動(dòng)速度在5.8秒出現(xiàn)躍變是因?yàn)闊焽璞苾A覆觸地造成的。
5.結(jié)論
（1）采用數(shù)值模擬方法對(duì)煙囪爆破拆除過程進(jìn)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(yīng)力、位移、煙囪傾覆時(shí)間和速度、煙囪爆破傾覆時(shí)的支座內(nèi)力等，可開展煙囪模擬爆破拆除實(shí)驗(yàn)，以指導(dǎo)煙囪爆破拆除設(shè)計(jì)。
（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(jié)點(diǎn)有限元建模方法建模，實(shí)際煙囪傾覆歷程、傾覆方位、傾覆長度與有限元數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好。
（3）論文提出的煙囪爆破傾覆歷程的本構(gòu)關(guān)系符合實(shí)際；論文采用的材料塑性隨動(dòng)硬化模型以及可Cowper-Symonds材料應(yīng)變率模型可較好地反應(yīng)煙囪爆破傾覆過程的鋼筋及混凝土材料力學(xué)性能。
（4）數(shù)值模擬結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果存在一定差別的主要原因是理論計(jì)算所采用的模型沒有考慮煙囪爆破過程形成的塑性鉸對(duì)煙囪傾覆運(yùn)動(dòng)的影響作用。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際煙囪爆破傾覆過程存在一定差別的主要原因是數(shù)值模擬所用材料參數(shù)與實(shí)際煙囪爆破傾覆過程材料力學(xué)性能存在偏差。
參考文獻(xiàn)
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關(guān)鍵詞：粘貼加固，有限元，仿真模擬
中圖分類號(hào)：TU37文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是目前工業(yè)與民用建筑中最主要的結(jié)構(gòu)形式。由于鋼筋混凝土是由兩種性質(zhì)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(jié)構(gòu)的有限元分析有與其他固體力學(xué)有限元分析有所不同，需要模擬混凝土的開裂和裂縫的發(fā)展過程，特別是在反復(fù)荷載作用下裂縫的開裂和閉合過程；需要在模型中適當(dāng)反映鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)和滑移機(jī)理；需要模擬混凝土材料在達(dá)到峰值應(yīng)力以后的性能，也應(yīng)模擬鋼筋屈服以后的性能；對(duì)于復(fù)雜的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，材料非線性問題與幾何非線性問題同時(shí)存在，使得計(jì)算分析的難度大大增加；分析結(jié)果強(qiáng)烈依賴混凝土材料和鋼筋材料的本構(gòu)關(guān)系以及鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)滑移的本構(gòu)關(guān)系。
因此，對(duì)上述本構(gòu)關(guān)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(jié)果正確可靠和能應(yīng)用于工程實(shí)際的基本條件。
粘貼加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有限元分析與混凝土結(jié)構(gòu)有限元分析一樣，其模型的選擇不僅與各種材料的本構(gòu)關(guān)系和單元類型有關(guān)，還和混凝土結(jié)構(gòu)有限元模型和邊界約束條件緊密相關(guān)。
1 材料的本構(gòu)關(guān)系
本構(gòu)關(guān)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(xué)理論、內(nèi)時(shí)理論等。
1.1 鋼筋的本構(gòu)關(guān)系
在有限元分析中，常采用的鋼筋本構(gòu)關(guān)系是單向加載下，鋼筋的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系，表述如下：軟鋼的應(yīng)力－應(yīng)變曲線可分為三段：彈性段，屈服平臺(tái)和強(qiáng)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(tái)是斜率為零的水平線。
1.2 混凝土的本構(gòu)關(guān)系
混凝土的應(yīng)力－應(yīng)變(σ−ε)關(guān)系是鋼筋混凝土構(gòu)件強(qiáng)度計(jì)算、超靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析、結(jié)構(gòu)延性計(jì)算和鋼筋混凝土有限元分析的重要基礎(chǔ)。從試驗(yàn)可以得到混凝土受壓時(shí)的關(guān)系曲線，考慮到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及計(jì)算分析的方便，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)非線性有限元分析中應(yīng)用得較多的是非線性彈性理論和彈塑性理論。其近似本構(gòu)關(guān)系如圖2所示。
圖1 鋼筋應(yīng)力應(yīng)變曲線圖 圖2 混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線
1.3 粘貼材料的本構(gòu)關(guān)系
在實(shí)際工程中常用的粘貼材料為鋼板和碳纖維，鋼板的本構(gòu)關(guān)系與鋼筋相類似，常簡化理想彈塑性和線性強(qiáng)化彈塑性本構(gòu)關(guān)系，如圖3所示；碳纖維為理想線彈性材料，其應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系取為線彈性模型，如圖4所示。
圖3 理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系 圖4 線彈性本構(gòu)關(guān)系
2 單元類型
用有限元方法分析粘貼加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其單元選擇與一般固體力學(xué)有限元是一致的，常用的單元類型有實(shí)體單元、板殼單元、桿件單元和聯(lián)結(jié)單元。桿件和板殼單元主要用于整體結(jié)構(gòu)中的單個(gè)構(gòu)件模擬，所得的模擬結(jié)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(shí)體單元來模擬。當(dāng)考慮粘鋼或鋼筋與混凝土之間的相對(duì)滑移時(shí)，一般引入反映兩者間界面性能的單元即聯(lián)結(jié)單元。
3 鋼筋混凝土有限元模型
鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由鋼筋和混凝土兩種材料組成，這類結(jié)構(gòu)的離散化與一般均勻連續(xù)的一種或幾種材料組成的結(jié)構(gòu)有類似之處，但也有不同之點(diǎn)。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼筋一般被包圍于混凝土之中，且體積相對(duì)較小，因此，在建立鋼筋混凝土的有限元模型時(shí)，必須考慮到這一特點(diǎn)。通常構(gòu)成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的有限元結(jié)構(gòu)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(diǎn)問題
4.1 前處理
（1） 選取單元類型
鋼板與混凝土間通過結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)，具有良好的粘結(jié)界面，我們可以近似不考慮兩者之間的錯(cuò)動(dòng)，建模時(shí)使鋼板與混凝土之間共用節(jié)點(diǎn)，從而保證兩者之間位移協(xié)調(diào)[4]。
（2） 設(shè)置實(shí)常數(shù)
本次模擬不同方案所需定義實(shí)常數(shù)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(duì)于這部分的混凝土定義實(shí)常數(shù)。
（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(nèi)微裂縫的擴(kuò)展有關(guān)。但從宏觀上來看，仍然可以假定混凝土的應(yīng)力－應(yīng)變特性由第一階段的彈性變形，以及第二、三階段相應(yīng)的非線性加工強(qiáng)化部分組成。在非線性階段，總的應(yīng)變分為彈性部分和塑性部分。由于混凝土材料體內(nèi)微裂縫的擴(kuò)展引起的“塑形應(yīng)變”被定義為一個(gè)不可恢復(fù)的變形。
（4） 有限元建模
整體式模型中，有兩個(gè)實(shí)體組成－混凝土和鋼板。分離式模型中，根據(jù)混凝土內(nèi)部鋼筋的構(gòu)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(shí)體模型中按照試驗(yàn)實(shí)際情況選取適當(dāng)?shù)捏w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(shí)體組成。在計(jì)算中如果出現(xiàn)因支座處或集中力作用處的應(yīng)力集中現(xiàn)象而使梁未達(dá)到極限承載力就先行破壞，則在有限元實(shí)體建模中各自加一塊剛性或彈性墊塊。
（5） 剖分網(wǎng)格
算例中可采用映射的方式對(duì)混凝土、鋼板以及剛性墊板進(jìn)行網(wǎng)格劃分，從而得到規(guī)整的單元形狀以提高分析的精確性以及計(jì)算的收斂。為了便于各種方案的計(jì)算結(jié)果比較，每種方案網(wǎng)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(jié)點(diǎn)上施加節(jié)點(diǎn)荷載，或在上面施加剛性墊塊后再在墊塊上施加節(jié)點(diǎn)荷載。
4.2 求解
（1） 荷載步與子步數(shù)
鋼筋混凝土梁因所施加的荷載比較單一，只設(shè)定一個(gè)荷載子步，至于子步數(shù)的設(shè)置只給出最小和最大子步數(shù)，通過激活自動(dòng)時(shí)間分步來調(diào)整所需要的時(shí)間步長，從而獲得精度和計(jì)算時(shí)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(gè)載荷增量積累誤差，導(dǎo)致結(jié)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(gè)載荷增量的末端的解達(dá)到平衡收斂（在某個(gè)容限范圍內(nèi)）。
（3） 確定收斂準(zhǔn)則
程序?qū)⑦B續(xù)進(jìn)行平衡迭代直到滿足收斂準(zhǔn)則或者直到達(dá)到允許的最大平衡迭代數(shù)。我們可以用缺省的收斂準(zhǔn)則，也可以自己定義收斂準(zhǔn)則。
4.3 后處理
可根據(jù)分析需要提取各級(jí)荷載作用下混凝土梁所有節(jié)點(diǎn)和單元的位移、應(yīng)力、應(yīng)變、變形以及裂縫開展等各方面的計(jì)算結(jié)果。
5 算例
梁模型設(shè)計(jì)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(biāo)號(hào)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(diǎn)處對(duì)稱加載，使梁跨中處于純彎矩狀態(tài)。在正式加載前，先進(jìn)行預(yù)加載，使構(gòu)件變形和荷載的關(guān)系趨于穩(wěn)定。加固材料選用HRB335鋼，厚度為4mm，長度為3400 mm。粘結(jié)劑采用JGN型建筑結(jié)構(gòu)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(diǎn)撓度為1.435mm。
6 致謝
本工作得到湖北理工學(xué)院大學(xué)生科技創(chuàng)新專項(xiàng)研究項(xiàng)目的資助（項(xiàng)目編號(hào)：11cx18）。
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關(guān)鍵詞： 薄壁零件 有限元分析 數(shù)控補(bǔ)償
1.引言
薄壁件是一種輕量化結(jié)構(gòu)，其主要組成為薄型殼板、框架、梁、壁板、加強(qiáng)筋等基本結(jié)構(gòu)，薄壁結(jié)構(gòu)具有造型和結(jié)構(gòu)復(fù)雜美觀、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、通信雷達(dá)等高精尖領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛。但薄壁零件剛度較差，零件加工過程中極易發(fā)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(dòng)變形、受熱變形等因素，由于薄壁結(jié)構(gòu)自身特點(diǎn)，很難用傳統(tǒng)方法進(jìn)行變形分析，因此采用有限元技術(shù)，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(jù)零件的變形模型，修正數(shù)控加工過程中刀具和零件的相對(duì)位置，從而達(dá)到提高零件質(zhì)量的目的。ANSYS是有限元分析中常用的軟件，該軟件的應(yīng)用對(duì)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(gè)整體結(jié)構(gòu)按照一定規(guī)律分成若干個(gè)有限的獨(dú)立離散單元，各離散的單元按照一定的原則設(shè)定有限的節(jié)點(diǎn)，通過在這些獨(dú)立的計(jì)算單元中建立合適的基函數(shù)，分析和計(jì)算離散單元中場(chǎng)函數(shù)的分布規(guī)律，求解各個(gè)節(jié)點(diǎn)的值，并通過基函數(shù)的合理組合代替獨(dú)立單元的真實(shí)值。各離散單元通過各個(gè)節(jié)點(diǎn)聯(lián)系在一起，用離散單元基函數(shù)組成整個(gè)計(jì)算域上總體的基函數(shù)，整體結(jié)構(gòu)在計(jì)算域內(nèi)的解由各獨(dú)立單元的綜合結(jié)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(tái)上，利用機(jī)械加工中相關(guān)的切削力等理論公式及相應(yīng)的邊界條件，計(jì)算出加工過程的誤差，然后在實(shí)際加工過程中將偏差值通過編程等方法予以補(bǔ)償。分析過程如圖1所示。有限元分析的應(yīng)用，使得零件加工的實(shí)驗(yàn)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(chǔ)，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(jìn)行模擬的零件的材料，在軟件環(huán)境中選擇要模擬的材料的相關(guān)參數(shù)，主要包括材料的力學(xué)性能參數(shù)，例如彈性模量、塑性模量、熱膨脹系數(shù)、屈服極限、泊松比等基本參數(shù)。
3.2有限元網(wǎng)格化分
在基本模型建立之后，要進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分是進(jìn)行有限元數(shù)值模擬分析的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)，直接影響著后續(xù)數(shù)值計(jì)算分析結(jié)果的精確性。網(wǎng)格劃分要考慮單元的許多設(shè)置，包括單元形狀、類型、拓?fù)漕愋汀⒕W(wǎng)格生成器的選擇、網(wǎng)格的密度、單元的編號(hào)及幾何體素，其中單元類型的選用對(duì)于分析精度有著重要的影響，對(duì)于薄壁結(jié)構(gòu)零件采用平面應(yīng)力單元，自由空間曲面的薄壁結(jié)構(gòu)采用膜殼單元。有限元網(wǎng)格劃分有兩種方法，簡單的結(jié)構(gòu)可以采用直接生成法，直接建立單元模型的網(wǎng)格，當(dāng)對(duì)象比較復(fù)雜時(shí)，則在幾何元素描述的物理基礎(chǔ)上自動(dòng)離散成有限單元，即通過幾何自動(dòng)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(jù)零件的受力特點(diǎn)和規(guī)律，將約束和載荷抽象化、理想化。通過對(duì)已建立的有限元模型添加合適的載荷和約束，實(shí)現(xiàn)對(duì)幾何模型進(jìn)行相關(guān)的力學(xué)分析。在添加載荷和約束中，薄壁件銑削加工的力學(xué)模型的選擇和確定是模擬分析的關(guān)鍵。由于刀具、工件材料、加工特點(diǎn)等多種因素的影響，零件的受力是個(gè)復(fù)雜多變的情況。目前應(yīng)用較多的力學(xué)模型是：OXLEY切削理論為基礎(chǔ)的銑削力理論模型、KLINE平均力學(xué)模型和WON-SOOYUN的三維力模型。以上三種為空間靜力學(xué)模型，隨著研究的進(jìn)一步深入，針對(duì)不同的加工特點(diǎn)，又有許多學(xué)者提出了更多的力學(xué)模型。在薄壁件銑削加工過程中，機(jī)床參數(shù)、刀具幾何參數(shù)、切削參數(shù)都會(huì)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(dāng)被加工零件為薄板結(jié)構(gòu)時(shí)，荷載加載到零件上，每一個(gè)荷載都可以分解為兩個(gè)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(chǎn)生彎曲，因此該方向載荷引起的應(yīng)力、形變和位移，應(yīng)該按薄板彎曲問題進(jìn)行計(jì)算。縱向荷載是沿薄板厚度均勻分布，符合平面應(yīng)力基本特點(diǎn)，因此縱向載荷引起的應(yīng)力、形變和位移可以按平面應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。薄壁表面銑削中，主要研究五個(gè)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(yīng)力應(yīng)變問題來分析。（2）根據(jù)彈性力學(xué)的有關(guān)理論，求出平面問題中形變分量與位移分量之間的關(guān)系式。（3）根據(jù)胡克定律導(dǎo)出變形分量與應(yīng)力分量之間的關(guān)系式。（4）變形協(xié)調(diào)方程。（5）利用邊界條件求解應(yīng)力函數(shù)。
3.4后處理
利用有限元軟件平臺(tái)提供的后處理器，獲得計(jì)算及分析結(jié)果，并將零件的變形值和應(yīng)力分析結(jié)果，以云圖和列表的形式輸出。結(jié)果是否正確，應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，即將計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行分析比較，誤差若在允許范圍之內(nèi)，則整個(gè)模擬成功，否則需重新調(diào)整模擬過程，直到差值在允差范圍之內(nèi)。
4.薄壁件補(bǔ)償加工
通過對(duì)薄壁件加工加工變形進(jìn)行有限元建模，可以提前預(yù)測(cè)工件變形值。在進(jìn)行數(shù)控程序編制中，據(jù)利用數(shù)控機(jī)床的補(bǔ)償功能，將變形值數(shù)體現(xiàn)在數(shù)控加工程序中，即在數(shù)控編程時(shí)，讓刀具在原有走刀軌跡的基礎(chǔ)上連續(xù)偏擺，按變形量附加連續(xù)讓刀量，保證了在連續(xù)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(dá)到控制薄壁件加工變形、提高加工精度的目的。
5.結(jié)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(chǔ)，通過切屑力的分析和試驗(yàn)，建立準(zhǔn)確的切削力模型，形成精確的變形模型，利用軟件平臺(tái)進(jìn)行迭代分析，最終為數(shù)控加工提供有效編程依據(jù)，是提高薄壁零件加工質(zhì)量的有效途徑。
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關(guān)鍵字：預(yù)應(yīng)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(hào)：TU375文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：
1 引言
纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（簡稱FRP）憑借其比強(qiáng)度和比剛度高、施工便捷、耐疲勞性能和耐久性好等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用到土木工程領(lǐng)域，利用FRP對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固取得了很好的效果。由于纖維布抗拉強(qiáng)度高，極限拉應(yīng)變大，而混凝土的極限拉應(yīng)變很小，當(dāng)混凝土開裂或裂縫達(dá)到很大時(shí)，CFRP布的拉應(yīng)力還很小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到其極限拉應(yīng)力，使得CFRP布的高強(qiáng)度難以得到充分發(fā)揮，降低其有效利用率，對(duì)提高構(gòu)件的承載能力和改善構(gòu)件的正常使用性能有限，造成了材料的浪費(fèi)。大量試驗(yàn)結(jié)果表明[1-3]，采用預(yù)應(yīng)力CFRP加固可以提高構(gòu)件的承載能力和改善構(gòu)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(duì)預(yù)應(yīng)力CFRP布加固鋼筋混凝土梁進(jìn)行非線性分析，以驗(yàn)證預(yù)應(yīng)力的施加對(duì)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(shè)計(jì)
梁截面尺寸為200mm×300mm，跨度3000mm，凈跨長2900mm，梁內(nèi)受拉縱筋和架立筋為HRB335級(jí)，箍筋為HPB235級(jí)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)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(jìn)行加固，CFRP布的厚度為0.167mm，采用兩端對(duì)稱加載，加載點(diǎn)間距為900mm，如圖1所示。本文共設(shè)計(jì)分析5根梁， 1根為普通CFRP增強(qiáng)鋼筋混凝土梁（LI），以作為對(duì)比試件，其余4根梁均為預(yù)應(yīng)力CFRP增強(qiáng)鋼筋混凝土梁，施加的預(yù)應(yīng)力大小分別為CFRP布極限抗拉強(qiáng)度的10%（L2）、20%（L3）、30%（L4）和40%（L5），用以分析預(yù)應(yīng)力大小對(duì)結(jié)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(duì)預(yù)應(yīng)力CFRP布加固鋼筋混凝土梁進(jìn)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(jié)接良好，無相對(duì)滑移；（2）在受力過程中，F(xiàn)RP布的應(yīng)變與鋼筋、混凝土的應(yīng)變滿足變形協(xié)調(diào)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(duì)稱性，故取二分之一梁進(jìn)行建模。采用分離式模型，其中混凝土采用3D實(shí)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(jié)良好、沒有相對(duì)滑移，故建模時(shí)通過節(jié)點(diǎn)耦合來模擬無相對(duì)滑移。假定CFRP布與混凝土粘貼可靠，并且不考慮預(yù)應(yīng)力損失，進(jìn)行ANSYA分析時(shí)，采用升溫法對(duì)CFRP布施加預(yù)應(yīng)力，CFRP布的線膨脹系數(shù)為負(fù)數(shù)，系數(shù)為α=-0.7E-6/℃，通過公式T=σ/E/α即可求得當(dāng)預(yù)應(yīng)力水平分別是CFRP布的10%、20%、30%和40%時(shí)，需要溫度值分別為2610℃、5220℃、7830℃和10440℃。
3結(jié)果分析
本文共對(duì)5根CFRP布增強(qiáng)鋼筋混凝土梁進(jìn)行了有限元分析， LI～L5主要分析結(jié)果如表2所示。
CFRP的有效利用率定義為極限狀態(tài)CFRP應(yīng)力與CFRP布抗拉強(qiáng)度的比值。預(yù)應(yīng)力的施加增加了CFRP的應(yīng)力值，提高了CFRP布的有效利用率；隨著預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力的施加提高了構(gòu)件的開裂荷載，改善了構(gòu)件的使用性能，并且隨著預(yù)應(yīng)力的增大，這種效果也在增強(qiáng)。
4 結(jié)論
本文通過ANSYSY有限元軟件，對(duì)5根CFRP增強(qiáng)鋼筋混凝土梁進(jìn)行了非線性有限元分析，其中1根為未加預(yù)應(yīng)力的，4根為預(yù)應(yīng)力的，通過分析得出以下結(jié)論：
（1）預(yù)應(yīng)力的施加提高了CFRP的有效利用率，并且隨著預(yù)應(yīng)力大小的增大，CFRP的有效利用率也不斷提高，有效利用率達(dá)到了22.2%～58.5%，而非預(yù)應(yīng)力的只有10.9%；
（2）通過反拱分析間接得出了預(yù)應(yīng)力的施加增加了構(gòu)件的開裂荷載，改善了構(gòu)件的使用性能，并且隨著預(yù)應(yīng)力的增大，這種效果也越明顯。
參考文獻(xiàn)：
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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(shè)計(jì)工作。
關(guān)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(hào)：TU391文獻(xiàn)標(biāo)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(jié)構(gòu)在使用一段時(shí)間后，因?yàn)榻ㄖY(jié)構(gòu)使用功能或條件發(fā)生變化，使得結(jié)構(gòu)的布置和荷載分布形式發(fā)生了變化，經(jīng)評(píng)估鑒定，原有結(jié)構(gòu)或構(gòu)件不能滿足新的要求，這時(shí)就需要對(duì)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件進(jìn)行加固。針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)單根構(gòu)件的加固，從施工角度來劃分，可分為完全卸載加固和負(fù)載加固[12]。鋼結(jié)構(gòu)的完全卸載加固，通常需要對(duì)構(gòu)件進(jìn)行完全拆卸或更換，有可能破壞原有結(jié)構(gòu)且經(jīng)濟(jì)效益不高，也可能致生產(chǎn)活動(dòng)長時(shí)間地的中斷，所以更適合鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的加固施工通常是在負(fù)載下完成的。負(fù)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(xiàn)[3]，[4]中采用了在翼緣內(nèi)側(cè)或外側(cè)焊接鋼板加固鋼梁的方式，文獻(xiàn)[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(yīng)用相矛盾的是，與此相關(guān)設(shè)計(jì)的規(guī)范很少且適用性有限[6]，開展的相關(guān)研究非常少且不具有系統(tǒng)性。目前在國外已有學(xué)者對(duì)負(fù)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(fù)載下焊接加固的四點(diǎn)受彎承載特性試驗(yàn)，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(duì)加固后鋼梁承載能力的影響。試驗(yàn)采用了2種加固形式，第1種是僅在鋼梁下翼緣外側(cè)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(yàn)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(fā)生顯著的側(cè)扭屈曲失穩(wěn)，其側(cè)扭屈曲承載力受負(fù)載影響較大，而其極限承載力受負(fù)載影響非常小。
Liu等[8]采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行了多個(gè)影響因素的數(shù)值模擬分析，研究了初始負(fù)載、初始缺陷和加固板長度對(duì)加固后鋼梁極限承載力的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼梁在恒定負(fù)載下焊接加固過程的力位移曲線呈現(xiàn)一平臺(tái)段，在有限元分析中，二者只是將該平臺(tái)段采用增大初始缺陷的方法來進(jìn)行試驗(yàn)的數(shù)值模擬分析，雖然結(jié)果吻合較好，但該方法不適用于大量的參數(shù)化分析，而且文獻(xiàn)[8]中采用的有限元分析方法與Wu等[9]和龔順風(fēng)等[10]對(duì)焊接加固鋼柱受力性能的數(shù)值模擬分析相同，僅簡略地采用了生死單元技術(shù)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(duì)負(fù)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(duì)4個(gè)負(fù)載下焊接加固的三點(diǎn)受彎工形截面鋼梁的受力特性進(jìn)行了有限元分析，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，提出了適用于負(fù)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(jìn)行有限元分析的試件包括1個(gè)未加固的工形鋼梁和3個(gè)不同初始負(fù)載下焊接加固的工形鋼梁。受彎鋼梁采用三點(diǎn)受彎試驗(yàn)，加載點(diǎn)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(yàn)裝置如圖1所示，試件截面尺寸定義如圖2所示，試件實(shí)測(cè)尺寸和初始負(fù)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(fù)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(gòu)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(cè)量值δ1，δ2，δ3的最大值。
圖1試驗(yàn)裝置
Fig.1Test Device2有限元分析
為了探討焊接熱對(duì)負(fù)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(shù)值分析
2.1.1有限元建模
已有研究者在負(fù)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(jìn)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(jìn)行對(duì)比分析，并討論該方法的準(zhǔn)確性，在試驗(yàn)數(shù)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(jìn)入第2個(gè)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(cè)的接觸采用3D接觸對(duì)的Targe170目標(biāo)單元和Conta174接觸單元形成面面接觸，接觸面的摩擦因數(shù)取0.3。有限元網(wǎng)格圖3構(gòu)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(yàn)?zāi)M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(diǎn)如圖5所示，其中，ux為側(cè)向位移，uy為彎曲平面內(nèi)位移，uz為沿試件長度方向位移。試驗(yàn)中兩端支座處各夾支200 mm，因此約束支座范圍內(nèi)縱向（z方向）200 mm的側(cè)向位移為ux，具體見圖5。
圖4有限元模型網(wǎng)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(shù)
鋼梁和加固板的材料性能采用試驗(yàn)測(cè)得的真實(shí)材料性能（表2），并采用四折線材料本構(gòu)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(jié)果
（1）荷載位移關(guān)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(jié)果。圖6為對(duì)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(cè)向位移曲線與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，其中，P為荷載，u為位移。
由圖6可以看出，有限元結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。試件BIS3的結(jié)果差異較大，主要是因?yàn)樵?/p>
平臺(tái)末端應(yīng)變；εu為極限應(yīng)變。
圖6不考慮熱影響的試件荷載位移曲線有限元結(jié)果與
試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比
Fig.6Comparisons of Loaddisplacement Curves of
Specimens Without Considering Thermal Effect
Between Finite Element Results and Test Results件BIS3試驗(yàn)中發(fā)生以彎曲屈曲破壞為主的局部屈曲失穩(wěn)，而其他3個(gè)試件試驗(yàn)中發(fā)生的是整體側(cè)扭失穩(wěn)，有限元的結(jié)果也是整體側(cè)扭失穩(wěn)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(yàn)值大，有限元分析得到的極限承載力也與試驗(yàn)結(jié)果略有差別，產(chǎn)生這些差別的原因包括：①試驗(yàn)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(yàn)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(yīng)力，這也會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)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(shí)將有限元結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表3。
Pu，F(xiàn)EA為不考慮熱影響的
試件極限承載力計(jì)算結(jié)果；e/L為試件初始彎曲值；σ0，fy分
別為初始負(fù)載下最大名義彎曲應(yīng)力和鋼材屈服強(qiáng)度。
由表3可以看出，對(duì)于試件BIUR，BIS1，采用普通有限元分析方法分析得到的結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果吻合非常好。對(duì)于試件BIS2，試驗(yàn)中大部分采用了手工電弧焊，該焊接方法比二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊采用的電壓電流更大，焊接熱輸入也更大，因而會(huì)引起試件的變形增大，這可能是導(dǎo)致其最終承載能力降低的原因。
2.2考慮熱影響的數(shù)值分析
2.2.1有限元建模
負(fù)載下焊接加固鋼梁的試驗(yàn)過程中，焊縫的施焊產(chǎn)生了局部高熱，同時(shí)由于鋼材材性是隨溫度變化的，特別是高溫下其材性會(huì)發(fā)生很大的變化[1314]。基于此，筆者提出更準(zhǔn)確的有限元方法來分析鋼梁在負(fù)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(xué)模擬時(shí)，通常主要考慮溫度場(chǎng)、應(yīng)力變形場(chǎng)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(chǎng)作用如圖7所示[15]，其中，實(shí)線箭頭表示強(qiáng)烈的影響，虛線箭頭表示較弱的影響。研究表明，應(yīng)力與變形場(chǎng)對(duì)溫度場(chǎng)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(jì)算效率，通常忽略應(yīng)力與變形場(chǎng)對(duì)溫度場(chǎng)的耦合作用，即僅考慮單向耦合計(jì)算，先進(jìn)行溫度場(chǎng)分析計(jì)算，再進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)分析計(jì)算。因?yàn)闆]有直接進(jìn)行溫度場(chǎng)同應(yīng)力變形場(chǎng)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(shù)，并定義熱力學(xué)邊界條件（如輻射、對(duì)流和初始溫度等）；②通過移動(dòng)熱源的施加和刪除模擬焊接熱輸入進(jìn)行瞬態(tài)熱分析，得到各時(shí)間步溫度場(chǎng)分析結(jié)果，結(jié)果保存在*.rth文件中；③重新進(jìn)入前處理，根據(jù)ANSYS規(guī)定的熱結(jié)構(gòu)單元變換對(duì)，將熱分析模型轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的結(jié)構(gòu)分析模型，定義不同溫度下材料的力學(xué)參數(shù)和結(jié)構(gòu)模型邊界條件；④施加荷載進(jìn)行應(yīng)力變形場(chǎng)求解，荷載包括外力荷載和熱分析得到的溫度場(chǎng)荷載，溫度場(chǎng)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(chǎng)作用
Fig.7Multiphysical Field Effects of
Welding Thermal Process本文中的間接熱結(jié)構(gòu)分析有限元模型的建立采用Shell131～Shell181熱結(jié)構(gòu)單元對(duì)。加固鋼板和翼緣外側(cè)采用3D接觸對(duì)的Targe170目標(biāo)單元和Conta174接觸單元形成面面接觸，該接觸單元對(duì)同時(shí)支持熱分析和應(yīng)力、應(yīng)變分析。鋼梁加勁肋只在應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)分析中采用Shell181殼單元建立模型，忽略其對(duì)熱場(chǎng)分析的影響。
2.2.2材料參數(shù)
在進(jìn)行熱力耦合分析時(shí)，鋼材在不同溫度下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系參照歐洲規(guī)范Eurocode 3結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)部分EN 199312：2005[16]中的規(guī)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(xué)特征值的降低系數(shù)
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(qiáng)度降低系數(shù)、比例極限降低系數(shù)和彈性模量降低系數(shù)，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(qiáng)度和彈性模量。鋼材密度ρ取7.85×103 kg·m-3，界面對(duì)流系數(shù)取25 W·（m2·K）-1，其他熱物理參數(shù)見表4。
3加固焊接順序模擬方法
試驗(yàn)中首先焊接受拉側(cè)的加固板，再焊接受壓側(cè)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?qū)庸啼摿旱倪B接焊縫進(jìn)行施焊。而對(duì)于各個(gè)分段（A1，A2，…，D2），連接焊縫的施焊按圖9（b）中對(duì)A1段焊縫的施焊順序進(jìn)行，將加固板兩側(cè)350 mm焊縫按每段70 mm分成10段，按1～10的順序進(jìn)行各道焊縫的對(duì)稱施焊，每道焊縫現(xiàn)場(chǎng)焊接時(shí)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(jù)試驗(yàn)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(jìn)行的。因此在模擬焊縫焊接的熱場(chǎng)模擬分析過程中，在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)焊縫的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分析過程中，該時(shí)間點(diǎn)后邊的焊縫不應(yīng)當(dāng)參與計(jì)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?dú)⑺溃粴⑺赖膯卧跓岱治鲋胁粎⑴c傳熱，在應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)分析中剛度貢獻(xiàn)極小。通過在計(jì)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(yàn)中加固焊縫為長焊縫，若采用與常用的焊接殘余應(yīng)力分析一樣的非常精細(xì)的單元尺寸和熱源模型，則該有限元分析在現(xiàn)階段將非常耗時(shí)、耗力，因而為了能夠使該負(fù)載下焊接加固鋼柱的有限元熱結(jié)構(gòu)分析順利進(jìn)行，筆者采用了試驗(yàn)中的焊接分段和點(diǎn)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(diǎn)作為焊縫中心點(diǎn)，引入的點(diǎn)熱源中心最高溫度以1 500 ℃為準(zhǔn)，這與試驗(yàn)中采用的二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊基本吻合。為了能使點(diǎn)熱源模擬出焊縫焊接的過程，筆者采用隨時(shí)間變化的點(diǎn)熱源作用坐標(biāo)位置的變化函數(shù)，使之更接近試驗(yàn)的焊接過程。
2.2.4有限元分析結(jié)果
（1）極限變形狀態(tài)
在應(yīng)力變形場(chǎng)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(cè)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(guān)系曲線
采用有熱影響的間接熱結(jié)構(gòu)耦合有限元分析方法進(jìn)行計(jì)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(cè)位移曲線與對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)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(jié)果與
試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)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(jié)果的荷載位移曲線剛度比試驗(yàn)結(jié)果的剛度大，且其曲線的加固焊接平臺(tái)段較試驗(yàn)結(jié)果的小，造成這種情況的原因包括：①試驗(yàn)中的夾支支座難免存在縫隙，很難達(dá)到理想的夾支約束條件，這就會(huì)在實(shí)際的加固焊接過程中增大試件的側(cè)向位移；②實(shí)際的焊接過程復(fù)雜多變，很難用有限元方法進(jìn)行真實(shí)準(zhǔn)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(jìn)行模擬，難免存在偏差；④試驗(yàn)中的加固板是在鋼梁加載到既定荷載才進(jìn)行定位、夾緊并焊接的，加固板自身未發(fā)生和試件相同的側(cè)向位移，而有限元分析只是采用生死單元技術(shù)模擬加固過程，加固板始終是和鋼梁協(xié)調(diào)變形的。上述情況也使得分析得到的極限承載力與試驗(yàn)結(jié)果略有偏差。
（3）極限承載力
試件BIS2和試件BIS3這2個(gè)負(fù)載下焊接加固鋼梁試件的極限承載力與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)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(yàn)結(jié)果和不考慮熱影響的有限元分析結(jié)果都大，一定程度上表明了這2個(gè)試件的焊接加固并沒有因負(fù)載而產(chǎn)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(yàn)相同的情況，即負(fù)載下的加固焊接引起了試件的變形增大，從而出現(xiàn)一平臺(tái)段。試驗(yàn)中該平臺(tái)段的位移是隨著加固焊接的進(jìn)行而變化的，為此筆者對(duì)跨中豎向位移和跨中上翼緣側(cè)向位移等指標(biāo)進(jìn)行了加固焊接全過程的監(jiān)測(cè)，提取出了試件BIS3的有限元分析結(jié)果，其與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如圖12，13所示。
圖12跨中豎向位移時(shí)程曲線
Fig.12Timehistory Curves of Vertical
Displacement at Midspan圖13跨中上翼緣側(cè)向位移時(shí)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(shí)程曲線在焊接過程中的發(fā)展趨勢(shì)與試驗(yàn)結(jié)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(xiàn)跨中位移減小。由于采用的是與試驗(yàn)相同的對(duì)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(cè)向位移與試驗(yàn)相同，也出現(xiàn)交替增減的情況。
試件BIS2和試件BIS3這2個(gè)負(fù)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(biāo)下角標(biāo)的0和1分別指焊接加固前和加固冷卻后2個(gè)狀態(tài)。
由表6可以看出，采用該有限元方法分析得到的位移響應(yīng)與試驗(yàn)存在一定的差異。這是因?yàn)橛邢拊治鲋胁捎玫匿摬牡奈锢硖匦院秃附訜徇^程與真實(shí)的情況不同而產(chǎn)生的，特別是對(duì)于試件BIS2在試驗(yàn)中因電焊機(jī)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?xì)怏w保護(hù)焊大得多，因而使得試件在負(fù)載下的變形也較大。熱結(jié)構(gòu)的耦合分析結(jié)果表明，采用考慮熱影響的間接熱結(jié)構(gòu)耦合有限元分析方法模擬負(fù)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(cè)向位移。
（4）截面應(yīng)變分布
除了對(duì)負(fù)載下焊接過程的位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)外，試驗(yàn)中還在鋼梁腹板上布置了應(yīng)變片，用來監(jiān)測(cè)加固焊接過程中腹板應(yīng)變的變化，試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過焊接加固后，腹板的壓應(yīng)變?cè)龃筝^多，而拉應(yīng)變變化很小，如圖14所示。加固焊接過程引起了梁截面的應(yīng)變、應(yīng)力重分布，且根據(jù)應(yīng)變結(jié)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(jié)構(gòu)耦合分析方法也得出了相同的規(guī)律。圖15為加固前后與試驗(yàn)中應(yīng)變測(cè)量相同截面（距跨中150 mm）處應(yīng)力云圖。圖16為該截面上腹板的應(yīng)力分布，其中，壓應(yīng)力為負(fù)，拉應(yīng)力為正。
圖14焊接加固前后鋼梁腹板應(yīng)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(yīng)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(yīng)力分布
Fig.16Stress Distributions of Web of Steel Beam
Before and After Weldingstrengthening3結(jié)語
（1）對(duì)未加固鋼梁試件BIUR和未在負(fù)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(shí)際的構(gòu)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(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，驗(yàn)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(yàn)中因加固焊接引起的荷載位移曲線平臺(tái)段。
（3）采用含加固焊接熱過程的有限元分析方法對(duì)負(fù)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(tái)段，且分析得到的位移時(shí)程與試驗(yàn)結(jié)果的變化趨勢(shì)吻合較好，但由于試驗(yàn)中材料在高溫下的真實(shí)材料性能和物理特性不太明確，且試驗(yàn)中的加固焊接過程受人為因素、環(huán)境因素影響而復(fù)雜多變，難以進(jìn)行準(zhǔn)確模擬，所以導(dǎo)致有限元分析得到的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果存在一定的差異。通過對(duì)荷載位移曲線的對(duì)比可知，采用考慮熱影響的有限元分析方法來模擬負(fù)載下焊接加固鋼梁的受力特性具有一定的可行性，為進(jìn)一步運(yùn)用ANSYS有限元模型進(jìn)行鋼梁負(fù)載下焊接加固受力特性分析計(jì)算提供了方法和依據(jù)。
（4）根據(jù)這2種有限元分析方法計(jì)算得到的試件在負(fù)載下焊接加固后的極限承載力均未出現(xiàn)明顯降低的情況，表明此類鋼梁在最大初應(yīng)力比為0.41的條件下采用試驗(yàn)規(guī)定的焊接加固方法加固后，鋼梁的承載能力受初始負(fù)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(xiàn)：
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【關(guān)鍵詞】碼垛機(jī)器人 受力分析 優(yōu)化
一、前言
日本早在二十世紀(jì)70年代已開始將碼垛機(jī)器人用于其工業(yè)制造。如今，國際上在碼垛領(lǐng)域較為出色的包括日本FANUC，德國的KUKA以及瑞士ABB等，他們對(duì)CAD＼CAE＼FAE等計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的運(yùn)用已經(jīng)相當(dāng)成熟，為客戶帶來的是機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線成套裝備解決方案。而在我國，目前碼垛機(jī)器人還未成產(chǎn)業(yè)，國內(nèi)多數(shù)廠家仍處于自主研發(fā)、或小批量成產(chǎn)的初步階段，面臨的問題包括：生產(chǎn)力落后，產(chǎn)品通用性不高以及產(chǎn)品的可靠性較低等。而這些問題最終都?xì)w結(jié)到國內(nèi)的機(jī)器人設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)能力。本文碼垛機(jī)器人手臂在設(shè)計(jì)中使用SolidWorks三維建模以及使用其Simulation模塊進(jìn)行有限元分析，并對(duì)零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以此彰顯CAD＼CAE技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的重要性。
二、建模和分析前準(zhǔn)備
三維建模是進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助分析的第一步。首先按照設(shè)計(jì)尺寸在SolidWorks上進(jìn)行草圖繪制、拉伸等在維建模操作，碼垛機(jī)器人手臂為焊接組合件，在此把模型簡化成一體化的實(shí)體模型，以利于接下來的分析和優(yōu)化。三維模型完成后進(jìn)入Simulation模塊，新建新算例，按照要求進(jìn)行網(wǎng)格劃分。
三、有限元分析及優(yōu)化
有了前面的準(zhǔn)備工作，要模擬碼垛機(jī)器人極限位姿下的實(shí)際加減速運(yùn)行狀況（如無特殊說明，本文所描述的手臂分析狀態(tài)皆為碼垛機(jī)器人的加減速階段），首先將定義材料為Q235-A。然后對(duì)手臂的末端添加符合運(yùn)行情況的邊界約束條件，對(duì)手臂的前端添加兩部分載荷，一部分為碼垛機(jī)器人前部及負(fù)載所產(chǎn)生的載荷；另一部分為碼垛機(jī)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(yùn)算結(jié)果中添加應(yīng)力分析及位移分析。運(yùn)行算例后，得到圖1及圖2的分析結(jié)果。
圖1.碼垛機(jī)器人手臂 圖2. 碼垛機(jī)器人手臂
應(yīng)力分析圖 位移分析圖
由圖1可見，在碼垛機(jī)器人作加減速動(dòng)作時(shí)，最大應(yīng)力發(fā)生在方鋼與手臂末端的接合處，應(yīng)力值為120MPa。而Q235材料的屈服強(qiáng)度為235MPa左右，故安全系數(shù)為1.95，并未達(dá)到設(shè)計(jì)的預(yù)期值。由圖2可見，加減速狀態(tài)時(shí)碼垛機(jī)器人手臂越靠近手臂末端，位移值最大，達(dá)到4.663mm，這個(gè)位移值偏離設(shè)計(jì)要求，如果不給予優(yōu)化，將導(dǎo)致碼垛機(jī)器人運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生較嚴(yán)重的振動(dòng)，影響機(jī)器整體性能。
為解決上面的問題，較直接的方法是滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，修改手臂相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和焊接形式。首先，在碼垛機(jī)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(jié)合處過渡得更平滑，增加兩軸承孔間的跨距。然后，在碼垛機(jī)器人的末端，在兩個(gè)板的中間處，增加加強(qiáng)筋，同時(shí)確保此加強(qiáng)筋在整個(gè)工作空間運(yùn)行時(shí)不會(huì)與其他零部件發(fā)生干涉。此加強(qiáng)筋的作用是，增加影響發(fā)生位移的兩板之間的剛性聯(lián)結(jié)，減小位移變形的發(fā)生。采取這些措施后，在同樣的條件下再次運(yùn)行算例進(jìn)行分析。
優(yōu)化后的最大應(yīng)力只有68MPa，安全系數(shù)符合設(shè)計(jì)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(duì)于碼垛機(jī)器人的實(shí)際碼垛工況，是可以接受的。如表1中所示，進(jìn)行有限元分析后，優(yōu)化前與優(yōu)化后的對(duì)比，有力的證明了有限元分析及優(yōu)化對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的幫助是很大的。
表1 優(yōu)化前和優(yōu)化后的分析對(duì)比
項(xiàng)目 優(yōu)化前 優(yōu)化后
應(yīng)力最大值 120MPa 68MPa
位移最大值 4.663mm 1.749mm
四、結(jié)語
實(shí)踐證明，只是單純采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)以及經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，在這種新型的重載荷和高速度運(yùn)行的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，也只能是摸著石頭過河。本文用簡單地實(shí)例證明了SolidWorks以及其Simulation模塊在有限元分析及優(yōu)化上，有著極大的開發(fā)潛力。使設(shè)計(jì)者能在試制試產(chǎn)前能提前發(fā)現(xiàn)問題，解決問題。這直接降低了產(chǎn)品的研發(fā)成本，縮短了產(chǎn)品周期，節(jié)省了大量的人力物力。要縮短國內(nèi)與國外同行的差距，最重要的就是要解決設(shè)計(jì)手段上的差距，這就需要研發(fā)人員不斷提高CAD/CAE的應(yīng)用能力。
參考文獻(xiàn)：
[1]謝莉. 斜流泵結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及振動(dòng)特性分析. CAD/CAM與制造業(yè)信息化. 2010：23-24.
關(guān)鍵詞：土工格柵；路面；抗壓強(qiáng)度；ANSYS軟件
“土工格柵”是聚合物材料經(jīng)過定向拉伸形成的具有開孔網(wǎng)格，較高強(qiáng)度的平面網(wǎng)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(jīng)熱熔，擠出拉伸等新工藝生產(chǎn)而成。土工格柵在制造過程中經(jīng)過定向拉伸，使聚合物分子沿拉伸方向排列，加強(qiáng)了分子鏈間的聯(lián)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(qiáng)度高、延伸率低的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)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(qiáng)度無堿玻璃纖維通過國際先進(jìn)的經(jīng)編工藝織成基材，經(jīng)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(tài)或動(dòng)態(tài)的物理物體或物理系統(tǒng)。在這種方法中一個(gè)物體或系統(tǒng)被分解為多個(gè)相互聯(lián)結(jié)的、簡單、獨(dú)立的點(diǎn)組成的幾何模型。在這種方法中這些獨(dú)立的點(diǎn)的數(shù)量是有限的，因此被稱為有限元。由實(shí)際的物理模型中推導(dǎo)出來的平衡方程式被使用到每個(gè)點(diǎn)上，由此產(chǎn)生了一個(gè)方程組。這個(gè)方程組可以用線性代數(shù)方法來求解，有限元分析的精度無法無限提高。元的數(shù)目到達(dá)一定高度后解的精度不再提高，只有計(jì)算時(shí)間不斷提高。有限元的高度通用性與實(shí)用性使得有限元通用程序迅速發(fā)展。40多年來，各種商業(yè)通用軟件陸續(xù)登入市場(chǎng)，它們的應(yīng)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(duì)不同的領(lǐng)域，它們有各自的特點(diǎn)，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(shù)值模擬部分，采用大型有限元軟件ADINA進(jìn)行模擬分析。
1.2單元類型與邊界條件
路基結(jié)構(gòu)模型在水平方向和深度方向取其有限尺寸。模型設(shè)計(jì)中，路面縱向長為6.0m，橫向?qū)挒?.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(shí)體單元（solid 單元），土工格柵選擇殼單元（shell63）對(duì)模型體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對(duì)模型路面結(jié)構(gòu)的側(cè)面即左右面Y方向進(jìn)行約束，整個(gè)模型的前后面X方向進(jìn)行約束，底部完全約束，面層表面作為自由面，不進(jìn)行任何約束。為保證計(jì)算結(jié)果的精度并不致使計(jì)算過于復(fù)雜，在采用ANSYS有限元軟件進(jìn)行分析計(jì)算采用了8節(jié)點(diǎn)三維塊體單元，并對(duì)結(jié)構(gòu)中預(yù)計(jì)將產(chǎn)生最大應(yīng)力的部位適當(dāng)加密了單元網(wǎng)格的劃分，遠(yuǎn)處網(wǎng)格逐步擴(kuò)大，有裂縫模型層厚度方向采用了較密的單元?jiǎng)澐帧卧傆?jì)：23925個(gè)，節(jié)點(diǎn)總計(jì)：5087個(gè)。圖1-1與1-2為舊路面有裂縫力學(xué)模型示意圖、有限單元?jiǎng)澐质疽鈭D。
1.3 荷載
汽車荷載施加在結(jié)構(gòu)層中可能產(chǎn)生最大應(yīng)力或結(jié)構(gòu)層最可能損壞的位置，其荷載位置如圖所示。按對(duì)稱荷載作用位置加載計(jì)算。根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)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(qiáng)為=0.7MPa，單輪傳壓面當(dāng)量圓直徑=19.50cm。
2有限元計(jì)算結(jié)果分析
2.1 路面結(jié)構(gòu)的有限元分析結(jié)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(biāo)。它是由路面各結(jié)構(gòu)層（包括土基）各自變形的綜合結(jié)果，因此該變形在一定程度上反映了路面各結(jié)構(gòu)層及土基的力學(xué)性質(zhì)。根據(jù)我國現(xiàn)行規(guī)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(biāo)。因此，對(duì)位移的分析，主要就是分析路表面輪隙中心處的彎沉。
經(jīng)ANSYS計(jì)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(shè)計(jì)彎沉值（
1.32mm）。雙輪載荷作用于路面時(shí)，在兩車輪中心路表處產(chǎn)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(shè)土工格柵時(shí)，基層底面產(chǎn)生的拉應(yīng)力達(dá)到了0.03～0.04MPa，加鋪格柵的路面底基層的拉應(yīng)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(yīng)力集中現(xiàn)象。這是因?yàn)橥凉じ駯啪哂幸欢ǖ目箯澙芰Γ瑴p少減少基層變形從而降拉應(yīng)力集中的現(xiàn)象出現(xiàn)。
在原路面未鋪設(shè)土工格柵時(shí)，裂縫上面的基層底面產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力集中，拉應(yīng)力達(dá)到0.05～0.06MPa，加鋪格柵的路面裂縫處的拉應(yīng)力降到0.03～0.04MPa，使裂縫處的拉應(yīng)力降低了1倍左右，消除了基層底面的應(yīng)力集中現(xiàn)象，這是因?yàn)橥凉じ駯攀归_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(yīng)力集中，土工格柵起到了應(yīng)力吸收膜的作用，它會(huì)吸收下底基層的很多水平運(yùn)動(dòng)，分散了裂縫處的應(yīng)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(fā)揮了其強(qiáng)度高，變形能力好的優(yōu)點(diǎn)，使粘結(jié)層形成應(yīng)力吸收膜，在加鋪層與基層之間構(gòu)成緩沖層避免應(yīng)力集中，增加路面整體剛度，減小和延緩反射裂縫產(chǎn)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(huì)節(jié)省養(yǎng)護(hù)開支。
3結(jié)論
（1）經(jīng)ANSYS計(jì)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(shè)計(jì)彎沉值（1.32mm）。雙輪載荷作用于路面時(shí)，在兩車輪中心路表處產(chǎn)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(shè)土工格柵時(shí)，基層底面產(chǎn)生的拉應(yīng)力達(dá)到了0.03～0.04MPa，加鋪格柵的路面底基層的拉應(yīng)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(yīng)力集中現(xiàn)象。這是因?yàn)橥凉じ駯啪哂幸欢ǖ目箯澙芰Γ瑴p少減少基層變形從而降拉應(yīng)力集中的現(xiàn)象出現(xiàn)。
【關(guān)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(huì)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，人民生活水平得到極大提高，對(duì)住宅的數(shù)量、功能和形式的要求不斷提升。傳統(tǒng)的磚混結(jié)構(gòu)住宅雖然具有施工簡單，造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)，但除了其結(jié)構(gòu)本身強(qiáng)度低，自重大，抗震能力差，建筑功能局限大等缺點(diǎn)外，大量建造磚混結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)引起工程界越來越廣泛的重視[1]。
本文對(duì)鋼筋混凝土異形柱基本構(gòu)件進(jìn)行了軸心受壓承載力有限元分析，對(duì)分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，得出了初步成果對(duì)將來鋼筋混凝土異形柱建筑結(jié)構(gòu)研究提供了基礎(chǔ)。
試驗(yàn)參數(shù)
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(jí)Φ8的圓鋼，箍筋為HPB235級(jí)Φ6.5的圓鋼；混凝土：強(qiáng)度等級(jí)為C40，實(shí)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(hào)Lw和Tw表示。截面設(shè)計(jì)如圖2－1所示。截面設(shè)計(jì)的參數(shù)為：柱肢寬均取300mm，柱肢厚度取為100mm，柱長均為1200mm，采用復(fù)合箍筋，間距取150mm。
2.3試驗(yàn)材料的性能參數(shù)
有限元模型
3.1單元選擇
混凝土單元采用8結(jié)點(diǎn)六面體單元，該單元每個(gè)結(jié)點(diǎn)均有三個(gè)平動(dòng)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(zhì)，將鋼筋分布于整個(gè)單元中【2】，假定混凝土和鋼筋粘結(jié)很好，并把單元視為連續(xù)均勻材料。鋼性墊塊均采用實(shí)體結(jié)構(gòu)單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有X,Y,Z位移方向的三個(gè)自由度。具有塑性、徐變、膨脹、應(yīng)力剛化、大變形、大應(yīng)變的特征【3】。
3.2材料性質(zhì)
3.2.1混凝土的本構(gòu)就是表示在各種外荷載作用下的混凝土應(yīng)力應(yīng)變的響應(yīng)關(guān)系。
在建立混凝土的本構(gòu)關(guān)系時(shí)一般都是基于現(xiàn)有的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的本構(gòu)理論，再結(jié)合混凝土的力學(xué)特性，確定甚至調(diào)整本構(gòu)關(guān)系中各種所需的材料參數(shù)。通常，混凝土的本構(gòu)關(guān)系可以分為線性彈性、非線性彈性、彈塑性和其他力學(xué)理論等四類。其中研究最多的是非線性彈性和彈塑性本構(gòu)關(guān)系。
混凝土的本構(gòu)關(guān)系借用Hognested提出的σ-ε曲線，其表達(dá)式為：
在公式（3－2）中，fc為曲線的應(yīng)力峰值，取為混凝土的抗壓強(qiáng)度；ε0為應(yīng)力峰值所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變，均取為ε0＝0.002；εcu為混凝土極限壓應(yīng)變，取值為εcu＝0.0038。
3.2.2混凝土材料輸入?yún)?shù)
3.3 鋼材材料性質(zhì)【4】【5】
文算例所模擬的鋼材包括有鋼筋和鋼性墊板，其應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系均采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型（Bilinear KinematicHarding），即理想彈塑性模型，屈服準(zhǔn)則選用Mises準(zhǔn)則。鋼材材料的參數(shù)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(gè)矩形截面的六面體【6】，同時(shí)選用25mm×25mm×25mm的單元尺寸對(duì)這些六面體進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分，以保證所有單元的節(jié)點(diǎn)位移協(xié)調(diào)。
3.5 加載
為了更接近于試驗(yàn)的真實(shí)情況，本算例在加載處和支座處均加設(shè)400mm×400mm×40mm鋼性墊塊以避免出現(xiàn)局部破壞。同時(shí)將柱底假設(shè)為固定端，約束實(shí)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(jié)點(diǎn)上，所加荷載的大小要比試驗(yàn)測(cè)定的極限荷載值大一些。
計(jì)算結(jié)果及分析
4.1 軸向承載力
通過對(duì)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(jié)果為775KN, 試驗(yàn)結(jié)果為805KN，而T形有限元結(jié)果為1031KN，試驗(yàn)結(jié)果為1084KN.可以看出，鋼筋混凝土異形柱極限荷載的有限元計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，且不論L形柱還是T形柱，有限元計(jì)算結(jié)果都略低于試驗(yàn)結(jié)果。
4.2 荷載－應(yīng)變曲線結(jié)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(yīng)變、柱中縱向應(yīng)變、縱向平均應(yīng)變的關(guān)系曲線，可以得出，計(jì)算曲線同試驗(yàn)曲線吻合較好，且無論結(jié)果還是試驗(yàn)結(jié)果，曲線都表現(xiàn)出試件一定的彈塑性能力。同時(shí)，由于試驗(yàn)條件及人為讀數(shù)的誤差，試驗(yàn)曲線點(diǎn)呈現(xiàn)出一定的離散性，而計(jì)算曲線較試驗(yàn)曲線明顯平滑。從中看出，運(yùn)用計(jì)算機(jī)程序模擬試驗(yàn)可以消除試驗(yàn)條件、人為等的因素影響，所得到的結(jié)果也更符合實(shí)際情況。
同樣通過分析T形試件荷載－應(yīng)變關(guān)系曲線的計(jì)算值與試驗(yàn)值，可以得出，T形試件的荷載－應(yīng)變的計(jì)算曲線較試驗(yàn)曲線平滑，同時(shí)，荷載－柱中縱向應(yīng)變、荷載－縱向平均應(yīng)變的計(jì)算曲線與試驗(yàn)曲線吻合較好。對(duì)于荷載－柱中橫向應(yīng)變的關(guān)系，從試驗(yàn)曲線可以看出，在加載中后期，柱中橫向應(yīng)變的變化很小，大致成水平狀態(tài)。
4.3 荷載－變形曲線結(jié)果分析
由鋼筋混凝土異形柱的荷載－縱向變形的計(jì)算曲線與試驗(yàn)曲線的對(duì)比，可以看出：不論L形柱還是T形柱，計(jì)算曲線與試驗(yàn)曲線吻合較好，且計(jì)算曲線比試驗(yàn)曲線更為平滑。
結(jié)論
從極限荷載、荷載－應(yīng)變曲線、荷載－變形曲線等方面比較了計(jì)算值與試驗(yàn)值，結(jié)果表明有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。同時(shí)，計(jì)算值與試驗(yàn)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(yàn)條件，模型材料參數(shù)及本構(gòu)關(guān)系的選取、軟件本身等。通過對(duì)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(shí)也為鋼骨混凝土異形柱的數(shù)值仿真分析提供了依據(jù)。
【參考文獻(xiàn)】
[1]陳昌聲.多層RC異型柱框架住宅在龍巖市推廣應(yīng)用研究.同濟(jì)大學(xué)碩士論文,2001.10.
關(guān)鍵詞：桁架，許用應(yīng)力，有限元分析
中圖分類號(hào)： S611 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：
前言
秦皇島港煤五期工程帶式輸送機(jī)皮帶機(jī)承載帶與地面之間的高度大于2m時(shí)皮帶機(jī)機(jī)架設(shè)計(jì)成橋架型式。縱梁為板梁或桁架結(jié)構(gòu)。因此膠帶機(jī)都有獨(dú)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(jī)同時(shí)平行作用在一個(gè)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(shè)大道。
2. 桁架設(shè)計(jì)
首先滿足建筑要求的前提下擬定了設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)中充分考慮當(dāng)?shù)叵到y(tǒng)工藝特點(diǎn)及氣象條件等，綜合考慮系統(tǒng)設(shè)備的穩(wěn)定性、安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性。經(jīng)過初算、繪圖、反復(fù)計(jì)算，將各條膠帶機(jī)工況及載荷進(jìn)行分類與組合。然后將這些組合全部加到桁架上再進(jìn)行計(jì)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(jié)構(gòu)形式
本桁架的是由H鋼（焊接）、槽鋼、角鋼、鋼板等構(gòu)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(jī)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(yīng)力，連接方式全部采用坡口對(duì)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(qiáng)度螺栓群連接。
不同跨度的桁架對(duì)支座節(jié)點(diǎn)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(yīng)溫度變化和桁架撓曲變形所產(chǎn)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(qiáng)度和剛度計(jì)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(jī)。其長、寬、高尺寸為55m13mx7.25m(不含屋脊)。我們采用有限元法對(duì)桁架整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力強(qiáng)度、剛度分析，受壓桿件進(jìn)行了穩(wěn)定性校核。圖2為桁架結(jié)構(gòu)圖型。
4.1 有限元分析的力學(xué)模型
4.1.1單元的選擇
廊道桁架鋼結(jié)構(gòu)是由多種型鋼桿件和鋼板組合成的空間結(jié)構(gòu)，受有三維方向的力和彎矩作用，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和受力情況, 有限元分析時(shí)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(jié)構(gòu)通過下弦桿兩端與高支柱用螺栓聯(lián)接。有限元分析時(shí)將與支柱聯(lián)接點(diǎn)約束，共有個(gè)點(diǎn)，過道桁架一端兩個(gè)點(diǎn)的三個(gè)方向X、Y、Z線位移自由度約束，另端兩個(gè)點(diǎn)約束Y、Z二個(gè)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(jié)構(gòu)圖
第一種工況：膠帶機(jī)正常滿載起動(dòng)工作工況。
第二種工況：膠帶機(jī)正常工作+地震工況
第三種工況：膠帶機(jī)非工作+極限風(fēng)載工況
4.2計(jì)算結(jié)果
4.2.1結(jié)構(gòu)應(yīng)力
工況一 廊道桁架最大應(yīng)力在下弦桿中間位置，應(yīng)力值σ＝90MPa,表1是廊道桁架各部分桿件最大應(yīng)力值，。結(jié)構(gòu)各桿件應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，
表1廊道桁架各部分桿件應(yīng)力值單位：MPa
表2廊道桁架各部分桿件應(yīng)力值單位：MPa
工況三廊道桁架最大應(yīng)力在過道桁架端部豎向腹桿與橫梁聯(lián)接位置，應(yīng)力值σ＝125MPa,表3是過道桁架各部分桿件最大應(yīng)力值。結(jié)構(gòu)各桿件應(yīng)力均小于許用應(yīng)力.
表3廊道桁架各部分桿件應(yīng)力值 單位：MPa
4.2.2結(jié)構(gòu)變形
表4列出了三種工況結(jié)構(gòu)在X、Y、Z三個(gè)方向的最大位移值，圖3是桁架結(jié)構(gòu)在Z方向的變形圖。
表4結(jié)構(gòu)最大變形值 單位：mm
圖3廊道桁架結(jié)構(gòu)Z方向變形圖
5結(jié)論及評(píng)價(jià)
經(jīng)過計(jì)算分析，兩種工況結(jié)構(gòu)發(fā)生的變形位移均在規(guī)范要求的范圍內(nèi)（撓度小于1/500），說明結(jié)構(gòu)剛度是足夠的；結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力峰值均在100MPa（安全系數(shù)取2.35）以下，滿足強(qiáng)度安全條件。
由于槽鋼在受彎作用時(shí)，穩(wěn)定性欠佳。工作狀態(tài)的槽鋼梁上翼緣平鋪有鋼板（厚20mm），實(shí)際的結(jié)構(gòu)剛度有較大改善，穩(wěn)定性不存在問題；建議在不影響滑輪組穿線及結(jié)構(gòu)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(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。
參考文獻(xiàn)：
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鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 主編 中華人民共和國建設(shè)部 北京·中國計(jì)劃出版社 2003
材料力學(xué) 合編 浙江大學(xué)、南京工程學(xué)院等 人民教育出版社1979
建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范 主編 中華人民共和國建設(shè)部2006
作者簡介：
[關(guān)鍵詞]材料力學(xué) ANSYS 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度
引言
材料力學(xué)是機(jī)械專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課，其教學(xué)目主要是為了后期專業(yè)課服務(wù)。它與機(jī)械設(shè)計(jì)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等息息相關(guān)。材料力學(xué)理論教學(xué)內(nèi)容概念繁雜，定義抽象，學(xué)生不好學(xué)，老師不好講。尤其是應(yīng)力狀態(tài)內(nèi)容經(jīng)常陷入只可意會(huì)不可言傳的“微妙境界”。而其相關(guān)的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往以破壞性的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，其實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)用型的本科生意義不大，而且其成本高，其實(shí)驗(yàn)器材具有不可重復(fù)性。在材料力學(xué)的教學(xué)過程中引入ANSYS軟件可以彌補(bǔ)這些缺點(diǎn)。
一、ANSYS軟件結(jié)構(gòu)分析功介紹
（一）軟件的結(jié)構(gòu)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(chuàng)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(jié)果。ANSYS軟件的CAD/CAE的協(xié)同環(huán)境AWE（ANSYS Workbench Environment）可直接讀入各類繪圖軟件的零件模型。當(dāng)然也可從ANSYS軟件中直接建模。比如說汽車車架，車架的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，則可用CAD建模導(dǎo)入ANSYS中。對(duì)于前處理過程中關(guān)鍵性的網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分是比較繁瑣費(fèi)時(shí)的，對(duì)于缺乏經(jīng)驗(yàn)的人來說很難準(zhǔn)確完成，而其劃分的準(zhǔn)確性對(duì)求解過程會(huì)有很大的影響。ANSYS的網(wǎng)格劃分是比較智能化的，對(duì)于學(xué)生們來說可以很好的彌補(bǔ)經(jīng)驗(yàn)不足這一缺點(diǎn)。在分析求解過程中使用有限元方法進(jìn)行分析求解時(shí)可先對(duì)一些條件進(jìn)行假設(shè)，然后再引入已知的約束條件，來模擬實(shí)際的邊界條件。通過計(jì)算車架在無阻尼狀態(tài)下的固有頻率和振形可分析其共振環(huán)境和頻率。通用后處理器則可以把結(jié)果數(shù)據(jù)映射到任意路徑上，可以觀察某項(xiàng)結(jié)果數(shù)據(jù)沿路徑的變化情況。
（二）軟件結(jié)構(gòu)分析內(nèi)容
ANSYS軟件中的結(jié)構(gòu)靜力分析很適合用于處于穩(wěn)定外載荷引起的系統(tǒng)的應(yīng)力應(yīng)變。靜力分析可以分析穩(wěn)定的慣性力和隨時(shí)間穩(wěn)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(yùn)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(yùn)用ANSYS平臺(tái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析不僅有其實(shí)用價(jià)值，在教學(xué)中更能體現(xiàn)出其理論價(jià)值。
二、材料力學(xué)教學(xué)與ANSYS軟件相結(jié)合
（一）材料力學(xué)教學(xué)與軟件結(jié)合教學(xué)模式實(shí)施方案
對(duì)于應(yīng)用型本科教學(xué)而言，可將傳統(tǒng)的64（理論課時(shí)）+8（實(shí)驗(yàn)課時(shí)）改成50（理論課時(shí)）+22（軟件教學(xué)）。對(duì)應(yīng)用型本科材料力學(xué)中的實(shí)驗(yàn)全部用軟件教學(xué)代替，再將理論教學(xué)中的一部分（公式推導(dǎo)、演示部分）學(xué)時(shí)也用于該軟件的教學(xué)。當(dāng)然，該軟件在相關(guān)刪掉的理論教學(xué)方面完全有替代作用，且其效果較傳統(tǒng)教學(xué)模式好。
（二）實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容用ANSYS軟件的相關(guān)教學(xué)代替
傳統(tǒng)的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)一般都是拉壓、扭轉(zhuǎn)變形的應(yīng)力公式驗(yàn)證，這些實(shí)驗(yàn)大多為驗(yàn)證破壞性實(shí)驗(yàn)。而我校屬于三本院校，培養(yǎng)出來的本科生以應(yīng)用型為主。這些驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)對(duì)大部分本科生都沒有什么實(shí)質(zhì)性的意義。且這些實(shí)驗(yàn)對(duì)其公式的應(yīng)用也并無益處，其破壞形式也很難從實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)出來。在引入ANSYS軟件教學(xué)后，可利用其后處理模塊動(dòng)態(tài)演示實(shí)驗(yàn)過程，另外很重要的一點(diǎn)就是與實(shí)驗(yàn)室破壞性實(shí)驗(yàn)不同，ANSYS可重復(fù)多次演示實(shí)驗(yàn)過程，可大大節(jié)約實(shí)驗(yàn)材料，并加深學(xué)生們的理解。
（三）理論教學(xué)引入ANSYS軟件
下面就在材料力學(xué)教學(xué)過程中那些內(nèi)容要引入軟件教學(xué)進(jìn)行論述。
1.拉壓扭轉(zhuǎn)變形
通過ANSYS軟件建造構(gòu)件的拉壓扭轉(zhuǎn)變形模型。比如：圓形截面桿件的扭轉(zhuǎn)變形，通過圖例可以很好的看出圓形截面桿件扭轉(zhuǎn)時(shí)各截面仍為平面。通過這種圖例可直觀簡潔的看出桿件發(fā)生的變形，可以很好地幫助學(xué)生理解扭轉(zhuǎn)變形，還可以節(jié)約教師課堂教學(xué)時(shí)間，提高教學(xué)效率。
2.壓桿穩(wěn)定
通過建立有限元分析，可使學(xué)生更容易理解用ANSYS軟件的分析過程，在求解過程中，首先應(yīng)當(dāng)進(jìn)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(jié)果與歐拉解相同。屈曲過程的結(jié)果在結(jié)果文件中，文件中包含屈曲載荷系數(shù)、模態(tài)形狀、相對(duì)應(yīng)力分布等等。其結(jié)果與教材中的理論結(jié)果相吻合，這樣就加深了學(xué)生對(duì)壓桿失穩(wěn)的理解。
3.組合變形
ANSYS強(qiáng)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(duì)矩形截面梁所受載荷的變形程度進(jìn)行分析，將分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)結(jié)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(jié)約了時(shí)間，而且更加方便學(xué)生理解掌握。
4.應(yīng)力狀態(tài)分析
通過有限元分析可以得出零件結(jié)構(gòu)的工作特性。比如說應(yīng)力集中問題。教材中一般只對(duì)影響因素進(jìn)行說明，并未對(duì)影響后的結(jié)果做具體說明，以至于學(xué)生對(duì)于應(yīng)力集中得不到更多了解與認(rèn)識(shí)。教師可利用ANSYS軟件對(duì)應(yīng)力集中計(jì)算并分析其結(jié)果，即可幫助學(xué)生對(duì)其分析計(jì)算有更感性的理解。這樣既可以幫助同學(xué)們系統(tǒng)的理解應(yīng)力狀態(tài)分布知識(shí)也有助于培養(yǎng)學(xué)生們的創(chuàng)新能力。
（四）教學(xué)效果
我校對(duì)材料力學(xué)這門課程在2010級(jí)機(jī)械專業(yè)試行這種教學(xué)模式。現(xiàn)在該年級(jí)學(xué)生已經(jīng)快畢業(yè)。證明該年級(jí)的學(xué)生在后期的專業(yè)課中對(duì)于強(qiáng)度分析校核的應(yīng)用的理解明顯優(yōu)于其他年級(jí)的。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在學(xué)生找工作的過程中，有ANSYS軟件應(yīng)用能力的學(xué)生更受歡迎。
三、結(jié)束語
ANSYS軟件不但能夠豐富理論教學(xué)內(nèi)容，提升學(xué)生對(duì)于材料力學(xué)的興趣，加深學(xué)生們對(duì)于教材理論認(rèn)識(shí)，將其與課堂內(nèi)容教學(xué)結(jié)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(xué)生們的知識(shí)面，熟悉所學(xué)的知識(shí)在實(shí)際工程當(dāng)中的應(yīng)用，為以后機(jī)械設(shè)計(jì)等專業(yè)課的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。而且還可以培養(yǎng)學(xué)生們應(yīng)用計(jì)算機(jī)的能力，促進(jìn)學(xué)生掌握一門實(shí)用性很強(qiáng)的應(yīng)用軟件。這對(duì)于應(yīng)用型本科人才的培養(yǎng)至關(guān)重要。
武昌工學(xué)院校級(jí)教學(xué)研究項(xiàng)目：（課題編號(hào)2012JY01）
課題名稱：“實(shí)踐+應(yīng)用軟件+理論”三結(jié)合模式課程體系的構(gòu)建研究
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關(guān)鍵詞：深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)；主體結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)與施工
中圖分類號(hào)：TU476 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
相比較以往深基坑施工技術(shù)來說，結(jié)合主體結(jié)構(gòu)和支護(hù)結(jié)構(gòu)的方式具備節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境、縮短工期的優(yōu)勢(shì)，是構(gòu)建可持續(xù)健康發(fā)展節(jié)約型社會(huì)的關(guān)鍵，同時(shí)也是一種新型支護(hù)技術(shù)。本文集中闡述了設(shè)計(jì)主體結(jié)構(gòu)和支護(hù)結(jié)構(gòu)的方式，全面促進(jìn)基坑支護(hù)技術(shù)以后的發(fā)展。
一、主體結(jié)構(gòu)和支護(hù)結(jié)構(gòu)相結(jié)合的設(shè)計(jì)類型
（一）墻體相結(jié)合
主體地下室圍護(hù)墻和外墻相結(jié)合的形式通常為地下連續(xù)墻。設(shè)計(jì)和計(jì)算墻體相結(jié)合結(jié)構(gòu)的時(shí)候應(yīng)該合理分析施工中、竣工中以及使用中地下連續(xù)墻的不同結(jié)構(gòu)與荷載作用的狀態(tài)，并且也應(yīng)該切實(shí)符合正常使用和不同承載能力情況下的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)需求。設(shè)計(jì)兩墻合一接頭形式主要有設(shè)計(jì)接頭結(jié)構(gòu)和施工接頭以及設(shè)計(jì)連接主體的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)接頭的過程中滿足主體結(jié)構(gòu)變形與受力的實(shí)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(shí)設(shè)置響應(yīng)和止水措施和抗?jié)B措施。設(shè)計(jì)兩墻合一結(jié)構(gòu)中一般應(yīng)用現(xiàn)澆地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)，施工質(zhì)量經(jīng)常出現(xiàn)不穩(wěn)定因素，會(huì)對(duì)墻體結(jié)構(gòu)受力性能和抗?jié)B性造成影響。
（二）水平構(gòu)件相結(jié)合
主體結(jié)構(gòu)水平構(gòu)件圍護(hù)強(qiáng)形變小、支撐剛度大，可以當(dāng)作內(nèi)支撐，適合應(yīng)用在逆作施工中。內(nèi)支撐系統(tǒng)如果是地下室結(jié)構(gòu)樓板，此時(shí)框架梁施工體系為無梁樓蓋板和梁板體系。實(shí)際操作中因?yàn)樾枰治鱿蛳峦谕恋墓こ蹋瑧?yīng)該在結(jié)構(gòu)樓板上對(duì)兩種結(jié)構(gòu)都設(shè)置相應(yīng)的出土口，前兩種均需要在結(jié)構(gòu)樓板上設(shè)置一定數(shù)量的出土口，無梁樓蓋板結(jié)構(gòu)可以更加方便地進(jìn)行挖土，但是因?yàn)閷儆诙螛前迨┕ろ?xiàng)目，板梁接縫處的位置應(yīng)該設(shè)置一定的止水措施。內(nèi)支撐若是地下結(jié)構(gòu)水平構(gòu)件，應(yīng)該合理計(jì)算正常使用和不同承載能力情況下的極限狀態(tài)，同時(shí)也切實(shí)滿足使用期限和施工周期的需求。當(dāng)結(jié)構(gòu)梁板被當(dāng)作臨時(shí)施工棧橋或者平臺(tái)的時(shí)候，設(shè)計(jì)構(gòu)件中應(yīng)分析動(dòng)力荷載。計(jì)算樓板預(yù)留孔位置的變形和應(yīng)力，并且設(shè)置孔口邊梁。施工中連接地下連續(xù)墻和地下結(jié)構(gòu)水平構(gòu)件的過程中保障滿足主體結(jié)構(gòu)變形以及受力的實(shí)際需求，依據(jù)連接剛性需求設(shè)計(jì)構(gòu)造，結(jié)構(gòu)中都設(shè)置止水構(gòu)造。
（三）豎向構(gòu)件相結(jié)合
當(dāng)支撐系統(tǒng)和主體結(jié)構(gòu)水平構(gòu)件結(jié)合的時(shí)候，利用結(jié)合主體結(jié)構(gòu)工程的立柱樁保護(hù)臨時(shí)立柱來處理立柱樁與豎向立柱。如果施工中應(yīng)用臨時(shí)立柱，完成地下室結(jié)構(gòu)項(xiàng)目以后需要及時(shí)拆除臨時(shí)立柱，同時(shí)托換主體結(jié)構(gòu)柱。若施工中應(yīng)用主體結(jié)構(gòu)結(jié)合柱的時(shí)候，實(shí)際操作中合理使用H型鋼柱、角鋼格構(gòu)柱等。在完成基礎(chǔ)底板結(jié)構(gòu)以后依據(jù)澆筑外包混凝土的方式處理形成H型鋼柱或者角鋼格構(gòu)柱，板上一般需要預(yù)留澆筑孔，立柱樁正常使用的時(shí)候，能夠?qū)炷梁蛣判詷?gòu)件進(jìn)行共同作用。
二、深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合設(shè)計(jì)的分析方法
（一）工程實(shí)用分析法
工程實(shí)用分析法實(shí)際上就是對(duì)分離水平支撐體系和圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。可以使用連續(xù)介質(zhì)平面有限元分析法處理圍護(hù)結(jié)構(gòu)，也可以使用平面豎向彈性地基梁分析法處理圍護(hù)結(jié)構(gòu)。國內(nèi)理正基坑支護(hù)軟件、理正基坑支護(hù)軟件等平面豎向彈性地基梁分析方式。現(xiàn)階段經(jīng)常使用ABAQUS、ADINA、PLAXIS等連續(xù)介質(zhì)平面有限元分析方法。水平支撐類型為周邊地下聯(lián)系強(qiáng)兩墻合一結(jié)構(gòu)支撐形式，空間桿系模型方式分析臨時(shí)水平支撐，此時(shí)可以合理應(yīng)用啟明星軟件。主體結(jié)構(gòu)和支護(hù)結(jié)構(gòu)向結(jié)合的方式被臨時(shí)周邊維護(hù)體結(jié)構(gòu)方式取代，考慮梁板作用模型的方式來分析主體結(jié)構(gòu)支撐水平依稀，此時(shí)可以合理應(yīng)用ABAQUS、ANSYS等大型有限元分析軟件。
（二）豎向支撐、水平支撐、維護(hù)結(jié)構(gòu)一起作用的三維m法
支護(hù)結(jié)構(gòu)作為這種方式的主要分析目標(biāo)，依據(jù)支護(hù)結(jié)構(gòu)為中心構(gòu)建三維有限元模型，這種模型結(jié)構(gòu)包括土彈簧單元、豎向支撐系統(tǒng)、維護(hù)結(jié)構(gòu)以及水平支撐系統(tǒng)。如果依據(jù)臨時(shí)水平支撐進(jìn)行分析，此時(shí)利用梁單元來模擬體系梁結(jié)構(gòu)；主結(jié)構(gòu)梁板為水平支撐結(jié)構(gòu)的時(shí)候，分析水平支撐構(gòu)件中可以應(yīng)用板單元和梁單元，同時(shí)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(guān)鍵結(jié)構(gòu)形式，模擬中應(yīng)用梁單元。彈簧單元來對(duì)坑底以下土體進(jìn)行模擬，大型有限元軟件對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)和分層開挖土體的方式進(jìn)行模擬，荷載來對(duì)坑外土體進(jìn)行模擬，以便于可以合理分析支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力。
（三）結(jié)構(gòu)和同作用方式下的三維有限元方法
深基坑中結(jié)合主體地下結(jié)構(gòu)和支護(hù)結(jié)構(gòu)的方式具備十分復(fù)雜的支撐結(jié)構(gòu)，開挖土體的時(shí)候?qū)儆诮Y(jié)構(gòu)和土一起作用的三維問題，如果此時(shí)只是應(yīng)用平面分析方式不能完全展現(xiàn)基坑三維形變的情況，同時(shí)也不能體現(xiàn)建筑支撐結(jié)構(gòu)變形和受力規(guī)律。所以需要應(yīng)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(duì)支撐樓板和圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，依據(jù)梁單元來對(duì)梁支撐和立柱進(jìn)行模擬。三維有限元方式分析過程中主要有支護(hù)結(jié)構(gòu)和土體結(jié)構(gòu)，同時(shí)也應(yīng)該著重闡述結(jié)構(gòu)和土體對(duì)于建筑的共同作用，依據(jù)施工實(shí)際情況來對(duì)施工過程中進(jìn)行模擬，以便于獲得建筑結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力。
結(jié)語
綜上所述，近年來隨著建筑事業(yè)的高速發(fā)展，越來越多地開始使用主體結(jié)構(gòu)和支護(hù)結(jié)構(gòu)相結(jié)合的建筑結(jié)構(gòu)，并且成為基坑技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì)。因此上述主要研究了主體結(jié)構(gòu)和支護(hù)結(jié)構(gòu)相合形式的設(shè)計(jì)方法和分析方式，分析中提出了3種主體結(jié)構(gòu)和支護(hù)結(jié)構(gòu)相結(jié)合的構(gòu)件形式，為豎向支撐結(jié)構(gòu)體系、水平構(gòu)件結(jié)構(gòu)體系、墻體結(jié)合。依據(jù)上述三種主體結(jié)構(gòu)和支護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)合的形式，提出了幾種分析主體結(jié)構(gòu)和支護(hù)結(jié)構(gòu)框架體系的綜合技術(shù)，主要包括基于規(guī)范維護(hù)結(jié)構(gòu)、工程實(shí)用分析法、結(jié)構(gòu)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(hù)結(jié)構(gòu)在工程領(lǐng)域已經(jīng)得到一定成果，可以全面提升建筑單位的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
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關(guān)鍵詞：機(jī)械類專業(yè)；畢業(yè)設(shè)計(jì)；民族班；改革
畢業(yè)設(shè)計(jì)是學(xué)生在校學(xué)習(xí)期間最后一個(gè)實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，是學(xué)生學(xué)習(xí)、研究與實(shí)踐成果的全面總結(jié)，是學(xué)生綜合素質(zhì)與工程能力培養(yǎng)的全面檢驗(yàn)。其主要目的是培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)和技能解決工程實(shí)際問題的能力，進(jìn)行創(chuàng)造性工作的基本訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立工作和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，是對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)成果的一次全面考驗(yàn)。新疆是個(gè)多民族地區(qū)，少數(shù)民族的基礎(chǔ)教育比較薄弱，考入新疆大學(xué)的多數(shù)少數(shù)民族學(xué)生均來自邊緣地區(qū)。雖然在四年的學(xué)習(xí)過程中，嚴(yán)格地按照教學(xué)大綱和教學(xué)計(jì)劃完成教學(xué)內(nèi)容，但是由于學(xué)生本身基礎(chǔ)較差、漢語接受能力有限，大部分學(xué)生對(duì)于系統(tǒng)性、實(shí)踐性較強(qiáng)的專業(yè)課程很難全部理解透徹，使學(xué)生在學(xué)習(xí)中總處于被動(dòng)狀態(tài)。為加大民族班教學(xué)改革的力度，提高教學(xué)質(zhì)量，在以往實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)中所積累的經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過采取有效的改革措施，取得了較好的成果。
一、設(shè)計(jì)手段
機(jī)械制圖是機(jī)械工程專業(yè)最基本的工具，是表達(dá)設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方案的語言。以往我們都是采用手工繪圖，其缺點(diǎn)是：繪圖速度慢、出錯(cuò)率高、不易修改、圖面質(zhì)量差。國家早就規(guī)定要甩掉圖板，利用計(jì)算機(jī)二維繪圖解決以上問題，但其設(shè)計(jì)思路仍然建立在手工繪圖的基礎(chǔ)上。機(jī)電產(chǎn)品的配合性和可裝配性是設(shè)計(jì)人員容易出現(xiàn)錯(cuò)誤的地方，以往要到產(chǎn)品最后裝配時(shí)才能發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致零件的報(bào)廢和工期的延誤，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和信譽(yù)損失。采用3D平臺(tái)下的計(jì)算機(jī)輔助裝配技術(shù)可以在設(shè)計(jì)階段就進(jìn)行驗(yàn)證，確保設(shè)計(jì)的正確性，避免損失。三維設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)速度，并且可以進(jìn)行裝配干涉檢驗(yàn)、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真及有限元計(jì)算、優(yōu)化設(shè)計(jì)等。尤其對(duì)于空間想象力不高的學(xué)生來說，更是一種比較理想的設(shè)計(jì)方法。此外，三維設(shè)計(jì)后可以立即轉(zhuǎn)化為二維（平面）圖形，因此從三維到二維的整個(gè)過程不一定比直接畫二維圖要慢。我們從2000年（95級(jí)民族班）起，要求學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中盡量采用計(jì)算機(jī)繪圖，并在答辯中采用多媒體答辯，這在當(dāng)時(shí)全校民、漢班級(jí)中是比較少見的。直到2004年，采用三維設(shè)計(jì)已經(jīng)較普遍，這方面已經(jīng)達(dá)到了內(nèi)地同類大學(xué)的水平。
二、設(shè)計(jì)題目
選題是否合適，其難易程度直接決定學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)的質(zhì)量。我們?cè)诮鼛啄甑漠厴I(yè)設(shè)計(jì)選題上，淘汰了以前過時(shí)的老題目，而盡量選擇指導(dǎo)教師的科研課題和當(dāng)前的生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合的題目，充分體現(xiàn)教學(xué)與科研、生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合的原則，培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)和技能解決工程實(shí)際問題的能力。如2001年機(jī)械制圖96-2班兩名學(xué)生參加了由指導(dǎo)教師主持的橫向課題“數(shù)控塑料切粘機(jī)的研制”，并以之作為畢業(yè)設(shè)計(jì)題目，完成了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、零件的加工到整機(jī)的調(diào)試全過程，獲得了難得的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并完成了整機(jī)的CAD繪圖工作。長期以來，機(jī)械強(qiáng)度分析與計(jì)算一直沿用材料力學(xué)、理論力學(xué)和彈性力學(xué)所提供的公式來進(jìn)行。由于在計(jì)算過程中有許多的簡化條件，因而計(jì)算精度較低；在設(shè)計(jì)中，為了保證設(shè)備或構(gòu)件的安全可靠性，常采用加大安全系數(shù)的方法，結(jié)果使結(jié)構(gòu)尺寸加大，浪費(fèi)材料，有時(shí)還會(huì)造成結(jié)構(gòu)性能的降低。有限元分析技術(shù)是最重要的工程分析技術(shù)之一，它廣泛應(yīng)用于彈塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)、流體力學(xué)、熱傳導(dǎo)等領(lǐng)域。有限元法在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，使機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)產(chǎn)生革命性的變化，理論設(shè)計(jì)代替了經(jīng)驗(yàn)類比設(shè)計(jì)。以前由于其理論性較強(qiáng)，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(yīng)用有限元強(qiáng)度分析作為畢業(yè)論文題目。同時(shí)，由于我們所用的有限元分析軟件在Linux平臺(tái)上運(yùn)行，所以學(xué)生必須掌握Linux操作系統(tǒng)，使學(xué)生在計(jì)算機(jī)方面也有了全方面的提高。
三、創(chuàng)新實(shí)踐
近幾年，我們?cè)趯W(xué)生當(dāng)中廣泛進(jìn)行了課外學(xué)術(shù)活動(dòng)和機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐，并把這些內(nèi)容與學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)相結(jié)合，獲得了可喜的成績。依布拉音、西克熱木等學(xué)生完成的“油罐車注油自動(dòng)控制系統(tǒng)”項(xiàng)目在西北地區(qū)比賽中獲得一等獎(jiǎng)，全國大賽中獲得三等獎(jiǎng)。努爾比亞等學(xué)生完成的“上下樓梯搬運(yùn)機(jī)器人”項(xiàng)目在西北地區(qū)比賽中獲得一等獎(jiǎng)，全國大賽中獲得三等獎(jiǎng)。通過這些設(shè)計(jì)大賽及幾年的教學(xué)改革實(shí)踐，學(xué)生不僅從設(shè)計(jì)中得到了鍛煉，學(xué)到了設(shè)計(jì)技能，而且在做設(shè)計(jì)時(shí)的動(dòng)手機(jī)會(huì)多了，培養(yǎng)了他們科學(xué)的思維方法與創(chuàng)新能力，加深了學(xué)生對(duì)機(jī)械制造專業(yè)的認(rèn)識(shí)，促進(jìn)了課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量的提高。要實(shí)現(xiàn)教育改革和建設(shè)的目標(biāo)，關(guān)鍵是教師，教師不但要有高度的敬業(yè)精神和教學(xué)責(zé)任心，還要有較高的教學(xué)業(yè)務(wù)素質(zhì)。為使青年教師提高工程素質(zhì)，增加實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，鼓勵(lì)青年教師積極參與實(shí)際科研工作和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，并對(duì)青年教師制定了嚴(yán)格的培養(yǎng)計(jì)劃。教師梯隊(duì)建設(shè)及青年教師培養(yǎng)有了明確的規(guī)劃，結(jié)合課程建設(shè)，個(gè)人業(yè)務(wù)素質(zhì)提高較快。
四、結(jié)論
