时间：2022-08-05 09:12:45
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇有限元分析论文，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
关键词：高耸钢筋混凝土结构烟囱；爆破拆除；数值模拟；本构关系；有限元模型
1.引言
随着城市化进程和产业升级的不断推进，在城市建设和企业技术改造中，经常要开展烟囱、水塔等废弃高耸建筑物的控制性拆除爆破工作。拆除爆破既要达到预定拆除目的，又必须有效控制爆破振动影响、飞石抛掷距离和破坏范围等，以保障周围环境安全[1]。目前，国内外已广泛应用爆破方法拆除高耸建筑物，定向爆破拆除烟囱的高度已达210米[2]。
本文基于弹塑性力学和有限元基本理论，针对一150m高耸钢筋混凝土结构烟囱定向爆破拆除工程，对该烟囱爆破拆除的力学条件、烟囱爆破倾覆时间、烟囱爆破倾覆时的支座内力以及烟囱爆破倾覆时的本构关系进行研究，并采用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA，通过分离式共节点建模，建立高耸钢筋混凝土烟囱有限元模型，对烟囱爆破拆除过程进行了有限元模拟。
2.爆破拆除方案
烟囱爆破拆除的原理是在烟囱倾倒一侧的烟囱支承筒壁底部炸开一个爆破缺口，破坏烟囱结构稳定性，导致整个结构失稳和重心外移，使烟囱在自重作用下形成倾覆力矩，进而使烟囱按预定方向倾倒。若烟囱爆破缺口长度过短，上部结构产生的倾覆力矩可能小于下部支撑结构可以承受的弯矩，爆破时结构不易发生破坏；若烟囱爆破缺口尺寸过长，下部支撑结构不能承受上部结构的自重，上部结构将直接压塌下部结构，影响烟囱倒塌方向，产生严重后果。因此烟囱爆破缺口尺寸对烟囱控制爆破拆除至关重要。
某电厂一个150m高度的钢筋混凝土结构烟囱，烟囱底部壁厚400mm，外径为5.83m、内径为5.43m；110m高度处烟囱璧厚为180mm，外径为3.68m、内径为3.5m；烟囱顶部壁厚200mm，外径为2.905m、内径为2.705m；烟囱体积为1299.87m3，质量为3.37966×106Kg，烟囱自重为33121KN。图1为该电厂150m高度的钢筋混凝土烟囱。
在爆破缺口中部长度7.5m范围内，采用137发瞬发导爆管雷管，总装药量8.22kg；第二段起爆雷管布置在爆破缺口余下的炮孔，采用140发导爆管毫秒延期雷管，总装药量8.4kg。此外，为保证烟囱顺利倒塌，在烟囱爆破缺口两端各开设了1个高1.46m、长4m的三角形作为定向窗。
3.烟囱爆破倾覆时间历程
烟囱爆破倾覆时间是烟囱爆破过程控制的一个重要因素，烟囱爆破倾覆时间可由烟囱倾覆过程的角加速度ε与烟囱倾覆过程的角速度求得，即：
在公式（1）中，dt为烟囱爆破倾覆时间。针对论文中150m高度的钢筋混凝土结构烟囱，其爆破倾覆时间为：
4.烟囱爆破拆除过程有限元模拟
4.1有限元模型
鉴于钢筋混凝土烟囱由钢筋和混凝土两种不同性能的材料组成，采用分离式共节点有限元建模，可事先分别计算混凝土和钢筋的单元刚度矩阵，然后统一集成到结构整体刚度矩阵中，可按实际配筋划分单元，并可在钢筋混凝土之间嵌入粘结单元。因此，论文针对该150m高度钢筋混凝土结构烟囱，基于ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件[11]，采用分离式有限元建模方法建立钢筋混凝土烟囱有限元模型。论文建立的烟囱有限元整体模型如图3所示。
建模过程时，为模拟烟囱倾覆过程，通过在特定时间定义爆破缺口处材料失效的方法来模拟爆破缺口的形成。筒体之间以及筒体与地面之间采用自动单面接触，钢筋与地面之间采用点面接触模拟烟囱倾覆触地。其中在ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件环境下可通过在K文件中加入使材料失效的命令流来模拟爆破形成缺口，并可修改K文件使烟囱筒体和缺口处的材料具有失效准则功能。
4.2数值模拟结果
图4为烟囱爆破倾覆历程数值模拟结果，图5为实际烟囱爆破倾覆历程图，图6和图7为有限元计算得到的烟囱顶部、质心及缺口等不同部位在爆破倾覆过程中的位移、运动速度随时间的变化曲线，图8为有限元计算得到的烟囱爆破倾覆历程不同时刻的烟囱等效应力场分布图。
由图4和图5可知，烟囱爆破倾覆历程数值模拟结果与实际烟囱爆破倾覆过程吻合较好。由图6和图7可知，计算得到的烟囱顶部、质心及缺口等不同部位在爆破倾覆过程中的位移、运动速度随时间的变化情况较符合实际。图7中烟囱顶部、质心及缺口部位在爆破倾覆过程中的运动速度随时间变化出现振动是因为爆破倾覆初期烟囱筒体出现晃动，图7中烟囱顶部、质心及缺口部位运动速度在5.8秒出现突变是因为烟囱爆破倾覆过程中爆破缺口发生闭合，图7中烟囱顶部、质心及缺口部位运动速度在5.8秒出现跃变是因为烟囱爆破倾覆触地造成的。
5.结论
（1）采用数值模拟方法对烟囱爆破拆除过程进行模拟分析，可较全面地研究烟囱倾覆历程、烟囱倾覆历程的应力、位移、烟囱倾覆时间和速度、烟囱爆破倾覆时的支座内力等，可开展烟囱模拟爆破拆除实验，以指导烟囱爆破拆除设计。
（2）采用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA可模拟烟囱控制爆破拆除过程，采用分离式共节点有限元建模方法建模，实际烟囱倾覆历程、倾覆方位、倾覆长度与有限元数值模拟结果吻合较好。
（3）论文提出的烟囱爆破倾覆历程的本构关系符合实际；论文采用的材料塑性随动硬化模型以及可Cowper-Symonds材料应变率模型可较好地反应烟囱爆破倾覆过程的钢筋及混凝土材料力学性能。
（4）数值模拟结果与理论计算结果存在一定差别的主要原因是理论计算所采用的模型没有考虑烟囱爆破过程形成的塑性铰对烟囱倾覆运动的影响作用。数值模拟结果与实际烟囱爆破倾覆过程存在一定差别的主要原因是数值模拟所用材料参数与实际烟囱爆破倾覆过程材料力学性能存在偏差。
参考文献
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关键词：粘贴加固，有限元，仿真模拟
中图分类号：TU37文献标识码： A
钢筋混凝土结构是目前工业与民用建筑中最主要的结构形式。由于钢筋混凝土是由两种性质不同的材料——混凝土和钢筋组合而成的，它的性能明显地依赖于这两种材料的性能，特别是在非线性阶段，混凝土和钢筋本身的各种非线性性能，都不同程度地在这种组合材料中反映出来。
钢筋混凝土结构的有限元分析有与其他固体力学有限元分析有所不同，需要模拟混凝土的开裂和裂缝的发展过程，特别是在反复荷载作用下裂缝的开裂和闭合过程；需要在模型中适当反映钢筋与混凝土之间的粘结和滑移机理；需要模拟混凝土材料在达到峰值应力以后的性能，也应模拟钢筋屈服以后的性能；对于复杂的钢筋混凝土结构，材料非线性问题与几何非线性问题同时存在，使得计算分析的难度大大增加；分析结果强烈依赖混凝土材料和钢筋材料的本构关系以及钢筋和混凝土之间的粘结滑移的本构关系。
因此，对上述本构关系的深入研究和全面正确的描述是保证钢筋混凝土有限元分析结果正确可靠和能应用于工程实际的基本条件。
粘贴加固钢筋混凝土结构有限元分析与混凝土结构有限元分析一样，其模型的选择不仅与各种材料的本构关系和单元类型有关，还和混凝土结构有限元模型和边界约束条件紧密相关。
1 材料的本构关系
本构关系所基于的理论模型[2]主要有：弹性理论、非线性弹性理论、弹塑性理论、粘弹性理论、粘塑性理论、损伤力学理论、内时理论等。
1.1 钢筋的本构关系
在有限元分析中，常采用的钢筋本构关系是单向加载下，钢筋的应力－应变关系，表述如下：软钢的应力－应变曲线可分为三段：弹性段，屈服平台和强化段。如图1所示，弹性段是以E（钢筋弹性模量）为斜率；屈服平台是斜率为零的水平线。
1.2 混凝土的本构关系
混凝土的应力－应变(σ−ε)关系是钢筋混凝土构件强度计算、超静定结构内力分析、结构延性计算和钢筋混凝土有限元分析的重要基础。从试验可以得到混凝土受压时的关系曲线，考虑到钢筋混凝土结构的特点及计算分析的方便，在钢筋混凝土结构非线性有限元分析中应用得较多的是非线性弹性理论和弹塑性理论。其近似本构关系如图2所示。
图1 钢筋应力应变曲线图 图2 混凝土应力应变曲线
1.3 粘贴材料的本构关系
在实际工程中常用的粘贴材料为钢板和碳纤维，钢板的本构关系与钢筋相类似，常简化理想弹塑性和线性强化弹塑性本构关系，如图3所示；碳纤维为理想线弹性材料，其应力－应变关系取为线弹性模型，如图4所示。
图3 理想弹塑性本构关系 图4 线弹性本构关系
2 单元类型
用有限元方法分析粘贴加固钢筋混凝土结构，其单元选择与一般固体力学有限元是一致的，常用的单元类型有实体单元、板壳单元、杆件单元和联结单元。杆件和板壳单元主要用于整体结构中的单个构件模拟，所得的模拟结果受到一定限制，如杆单元只能承受轴力而不能受弯和受剪，因此常被用于模拟一些特定的材料（如钢筋）。混凝土，钢筋混凝土以及粘贴材料一般用实体单元来模拟。当考虑粘钢或钢筋与混凝土之间的相对滑移时，一般引入反映两者间界面性能的单元即联结单元。
3 钢筋混凝土有限元模型
钢筋混凝土结构由钢筋和混凝土两种材料组成，这类结构的离散化与一般均匀连续的一种或几种材料组成的结构有类似之处，但也有不同之点。在钢筋混凝土结构中，钢筋一般被包围于混凝土之中，且体积相对较小，因此，在建立钢筋混凝土的有限元模型时，必须考虑到这一特点。通常构成钢筋混凝土结构的有限元结构模型[3]主要有三种方式：整体式、分离式和组合式
4 仿真分析的几点问题
4.1 前处理
（1） 选取单元类型
钢板与混凝土间通过结构胶粘结，具有良好的粘结界面，我们可以近似不考虑两者之间的错动，建模时使钢板与混凝土之间共用节点，从而保证两者之间位移协调[4]。
（2） 设置实常数
本次模拟不同方案所需定义实常数的单元都各自不同，如整体式模型方案中，钢筋的作用弥散于单元中，故需对于这部分的混凝土定义实常数。
（3） 定义材料属性
混凝土是脆性材料，它的变形特性不同于金属材料，而与材料体内微裂缝的扩展有关。但从宏观上来看，仍然可以假定混凝土的应力－应变特性由第一阶段的弹性变形，以及第二、三阶段相应的非线性加工强化部分组成。在非线性阶段，总的应变分为弹性部分和塑性部分。由于混凝土材料体内微裂缝的扩展引起的“塑形应变”被定义为一个不可恢复的变形。
（4） 有限元建模
整体式模型中，有两个实体组成－混凝土和钢板。分离式模型中，根据混凝土内部钢筋的构造用工作平面将混凝土柱剖分成若干块，在剖分完的混凝土实体模型中按照试验实际情况选取适当的体线作为纵筋和箍筋。这样，模型就由素混凝土、钢筋和钢板三种实体组成。在计算中如果出现因支座处或集中力作用处的应力集中现象而使梁未达到极限承载力就先行破坏，则在有限元实体建模中各自加一块刚性或弹性垫块。
（5） 剖分网格
算例中可采用映射的方式对混凝土、钢板以及刚性垫板进行网格划分，从而得到规整的单元形状以提高分析的精确性以及计算的收敛。为了便于各种方案的计算结果比较，每种方案网格划分的尺寸都相同。
（6） 定义荷载
算例中荷载的施加是在集中荷载处的单元节点上施加节点荷载，或在上面施加刚性垫块后再在垫块上施加节点荷载。
4.2 求解
（1） 荷载步与子步数
钢筋混凝土梁因所施加的荷载比较单一，只设定一个荷载子步，至于子步数的设置只给出最小和最大子步数，通过激活自动时间分步来调整所需要的时间步长，从而获得精度和计算时间之间的良好平衡。
（2） 牛顿－拉普森平衡迭代
由于纯粹的增量近似不可避免地随着每一个载荷增量积累误差，导致结果最终失去平衡。有限元程序通过使用牛顿－拉普森平衡迭代克服了这种困难，它迫使在每一个载荷增量的末端的解达到平衡收敛（在某个容限范围内）。
（3） 确定收敛准则
程序将连续进行平衡迭代直到满足收敛准则或者直到达到允许的最大平衡迭代数。我们可以用缺省的收敛准则，也可以自己定义收敛准则。
4.3 后处理
可根据分析需要提取各级荷载作用下混凝土梁所有节点和单元的位移、应力、应变、变形以及裂缝开展等各方面的计算结果。
5 算例
梁模型设计成单跨简支梁来模拟建筑物中需加固的梁。跨度为4500mm，净跨为4200mm，矩形截面尺寸为150mm×350mm，混凝土标号为C30，架立筋为2Φ8，梁底受拉纵筋为2Φ14，梁两端箍筋配为Φ8@150，梁跨中箍筋配为Φ8@200，均为双肢箍。简支梁采用千斤顶利用分配梁在三分点处对称加载，使梁跨中处于纯弯矩状态。在正式加载前，先进行预加载，使构件变形和荷载的关系趋于稳定。加固材料选用HRB335钢，厚度为4mm，长度为3400 mm。粘结剂采用JGN型建筑结构胶。
图5 粘贴加固梁的竖向位移云图
图5为在承载力24000N的竖向荷载下，粘贴钢板加固梁的竖向挠度图，从图中可以看出，模型梁的中点挠度为1.435mm。
6 致谢
本工作得到湖北理工学院大学生科技创新专项研究项目的资助（项目编号：11cx18）。
参考文献：
[1] 吕西林，金国芳，吴晓涵．钢筋混凝土结构非线性有限元理论与应用．上海：同济大学出版社，2002．
[2] 王勖成，邵敏．有限单元法基本原理和数值方法．北京：清华大学出版社，2005．
关键词： 薄壁零件 有限元分析 数控补偿
1.引言
薄壁件是一种轻量化结构，其主要组成为薄型壳板、框架、梁、壁板、加强筋等基本结构，薄壁结构具有造型和结构复杂美观、重量轻等优点，在航空航天、通信雷达等高精尖领域中应用十分广泛。但薄壁零件刚度较差，零件加工过程中极易发生变形，造成零件厚度不均匀，尺寸公差和形位公差增大，甚至造成废品，无法保证零件的加工要求。
影响薄壁零件加工精度的因素有很多，主要包括受力变形、振动变形、受热变形等因素，由于薄壁结构自身特点，很难用传统方法进行变形分析，因此采用有限元技术，分析并模拟薄壁件的受力情况、温升情况，并最终获得零件的变形模型。根据零件的变形模型，修正数控加工过程中刀具和零件的相对位置，从而达到提高零件质量的目的。ANSYS是有限元分析中常用的软件，该软件的应用对提高薄壁零件加工精度有重要意义[1]。
2.有限元原理和分析步骤
2.1有限元分析原理
有限元分析软件的原理是将一个整体结构按照一定规律分成若干个有限的独立离散单元，各离散的单元按照一定的原则设定有限的节点，通过在这些独立的计算单元中建立合适的基函数，分析和计算离散单元中场函数的分布规律，求解各个节点的值，并通过基函数的合理组合代替独立单元的真实值。各离散单元通过各个节点联系在一起，用离散单元基函数组成整个计算域上总体的基函数，整体结构在计算域内的解由各独立单元的综合结果近似而成[2]。
2.2基于有限元变形分析思想
基于有限元变形分析的主要思想是在有限元软件的平台上，利用机械加工中相关的切削力等理论公式及相应的边界条件，计算出加工过程的误差，然后在实际加工过程中将偏差值通过编程等方法予以补偿。分析过程如图1所示。有限元分析的应用，使得零件加工的实验成本大大降低，研究周期大大缩短。
3.薄壁件有限元模拟
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础，主要包括几何模型的建立和材料模型的建立。在几何模型建立过程中，主要通过所使用的有限元软件选取合适的工件和刀具，选用原则为工件和刀具要符合待模拟的加工过程。材料模拟过程首先要明确所要进行模拟的零件的材料，在软件环境中选择要模拟的材料的相关参数，主要包括材料的力学性能参数，例如弹性模量、塑性模量、热膨胀系数、屈服极限、泊松比等基本参数。
3.2有限元网格化分
在基本模型建立之后，要进行有限元网格划分。网格划分是进行有限元数值模拟分析的关键性环节，直接影响着后续数值计算分析结果的精确性。网格划分要考虑单元的许多设置，包括单元形状、类型、拓扑类型、网格生成器的选择、网格的密度、单元的编号及几何体素，其中单元类型的选用对于分析精度有着重要的影响，对于薄壁结构零件采用平面应力单元，自由空间曲面的薄壁结构采用膜壳单元。有限元网格划分有两种方法，简单的结构可以采用直接生成法，直接建立单元模型的网格，当对象比较复杂时，则在几何元素描述的物理基础上自动离散成有限单元，即通过几何自动生成法来完成[3]。
3.3添加约束和载荷
分析薄壁零件的受力，根据零件的受力特点和规律，将约束和载荷抽象化、理想化。通过对已建立的有限元模型添加合适的载荷和约束，实现对几何模型进行相关的力学分析。在添加载荷和约束中，薄壁件铣削加工的力学模型的选择和确定是模拟分析的关键。由于刀具、工件材料、加工特点等多种因素的影响，零件的受力是个复杂多变的情况。目前应用较多的力学模型是：OXLEY切削理论为基础的铣削力理论模型、KLINE平均力学模型和WON-SOOYUN的三维力模型。以上三种为空间静力学模型，随着研究的进一步深入，针对不同的加工特点，又有许多学者提出了更多的力学模型。在薄壁件铣削加工过程中，机床参数、刀具几何参数、切削参数都会影响切削力的大小，每种因素在切削力中所占的比例也不尽相同，在铣削过程中，常用的公式为：
当被加工零件为薄板结构时，荷载加载到零件上，每一个荷载都可以分解为两个分荷载，即横向荷载和纵向载荷，横向载荷垂直于零件中面，使薄板产生弯曲，因此该方向载荷引起的应力、形变和位移，应该按薄板弯曲问题进行计算。纵向荷载是沿薄板厚度均匀分布，符合平面应力基本特点，因此纵向载荷引起的应力、形变和位移可以按平面应力进行计算。薄壁表面铣削中，主要研究五个问题：（1）铣削力的主要作用方向等同于纵向载荷情况，因此取等厚薄板使之只受到平行于该面的外力作用，模型可以简化如图2所示，我们可以按照平面应力应变问题来分析。（2）根据弹性力学的有关理论，求出平面问题中形变分量与位移分量之间的关系式。（3）根据胡克定律导出变形分量与应力分量之间的关系式。（4）变形协调方程。（5）利用边界条件求解应力函数。
3.4后处理
利用有限元软件平台提供的后处理器，获得计算及分析结果，并将零件的变形值和应力分析结果，以云图和列表的形式输出。结果是否正确，应进行试验验证，即将计算值和实验值进行分析比较，误差若在允许范围之内，则整个模拟成功，否则需重新调整模拟过程，直到差值在允差范围之内。
4.薄壁件补偿加工
通过对薄壁件加工加工变形进行有限元建模，可以提前预测工件变形值。在进行数控程序编制中，据利用数控机床的补偿功能，将变形值数体现在数控加工程序中，即在数控编程时，让刀具在原有走刀轨迹的基础上连续偏摆，按变形量附加连续让刀量，保证了在连续加工中去除由于变形所带来的欠切削，使得一次走刀即可保证薄壁件壁厚精度，避免了二次加工带来的装夹误差、加工误差等，从而达到控制薄壁件加工变形、提高加工精度的目的。
5.结语
切削力模型和约束载荷模型是薄壁件有限元分析的基础，通过切屑力的分析和试验，建立准确的切削力模型，形成精确的变形模型，利用软件平台进行迭代分析，最终为数控加工提供有效编程依据，是提高薄壁零件加工质量的有效途径。
参考文献：
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[5]王志刚，何宁，武凯，等.薄壁零件加工变形分析及控制方案.中国机械工程，13（2）：114-119.
关键字：预应力；CFRP布；钢筋混凝土梁；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
中图分类号：TU375文献标识码：A文章编号：
1 引言
纤维增强复合材料（简称FRP）凭借其比强度和比刚度高、施工便捷、耐疲劳性能和耐久性好等特点被广泛应用到土木工程领域，利用FRP对混凝土结构进行加固取得了很好的效果。由于纤维布抗拉强度高，极限拉应变大，而混凝土的极限拉应变很小，当混凝土开裂或裂缝达到很大时，CFRP布的拉应力还很小，远远没有达到其极限拉应力，使得CFRP布的高强度难以得到充分发挥，降低其有效利用率，对提高构件的承载能力和改善构件的正常使用性能有限，造成了材料的浪费。大量试验结果表明[1-3]，采用预应力CFRP加固可以提高构件的承载能力和改善构件的使用性能，提高CFRP布的有效利用率。
本文利用ANSYS有限元分析软件，对预应力CFRP布加固钢筋混凝土梁进行非线性分析，以验证预应力的施加对CFRP加固钢筋混凝土梁的改善作用。
2 有限元模型
2.1 试件设计
梁截面尺寸为200mm×300mm，跨度3000mm，净跨长2900mm，梁内受拉纵筋和架立筋为HRB335级，箍筋为HPB235级，混凝土强度等级为C30，纵筋直径为16mm，架立筋直径12mm，箍筋为6@150，在梁底部粘贴单层CFRP布进行加固，CFRP布的厚度为0.167mm，采用两端对称加载，加载点间距为900mm，如图1所示。本文共设计分析5根梁， 1根为普通CFRP增强钢筋混凝土梁（LI），以作为对比试件，其余4根梁均为预应力CFRP增强钢筋混凝土梁，施加的预应力大小分别为CFRP布极限抗拉强度的10%（L2）、20%（L3）、30%（L4）和40%（L5），用以分析预应力大小对结果的影响。
图1 CFRP布加固钢筋混凝土梁示意图
2.2模型建立
本文采用ANSYS有限元分析软件，对预应力CFRP布加固钢筋混凝土梁进行非线性分析，分析中采用如下假定：（1）FRP布与混凝土及混凝土与钢筋粘结接良好，无相对滑移；（2）在受力过程中，FRP布的应变与钢筋、混凝土的应变满足变形协调原理；（3）混凝土梁在加固前后有足够的抗剪承载力；（4）不考虑碳纤维布的剥离破坏。
由于几何条件、荷载以及边界条件的对称性，故取二分之一梁进行建模。采用分离式模型，其中混凝土采用3D实体单元SOLID65模拟，钢筋采用3D杆单元LINK8模拟，由于碳纤维布本身很薄，因此选用没有抗弯刚度的SHELL41膜单元，由于假定了CFRP布与混凝图之间粘结良好、没有相对滑移，故建模时通过节点耦合来模拟无相对滑移。假定CFRP布与混凝土粘贴可靠，并且不考虑预应力损失，进行ANSYA分析时，采用升温法对CFRP布施加预应力，CFRP布的线膨胀系数为负数，系数为α=-0.7E-6/℃，通过公式T=σ/E/α即可求得当预应力水平分别是CFRP布的10%、20%、30%和40%时，需要温度值分别为2610℃、5220℃、7830℃和10440℃。
3结果分析
本文共对5根CFRP布增强钢筋混凝土梁进行了有限元分析， LI～L5主要分析结果如表2所示。
CFRP的有效利用率定义为极限状态CFRP应力与CFRP布抗拉强度的比值。预应力的施加增加了CFRP的应力值，提高了CFRP布的有效利用率；随着预应力的增加，反拱和CFRP的有效利用率逐渐增大。由于反拱在不引起梁上部开裂破坏的情况下，反拱值越大，梁的开裂荷载也越大，梁的跨中挠度也越小，改善了梁的使用性能，所以通过反拱的变化可以间接地得出，预应力的施加提高了构件的开裂荷载，改善了构件的使用性能，并且随着预应力的增大，这种效果也在增强。
4 结论
本文通过ANSYSY有限元软件，对5根CFRP增强钢筋混凝土梁进行了非线性有限元分析，其中1根为未加预应力的，4根为预应力的，通过分析得出以下结论：
（1）预应力的施加提高了CFRP的有效利用率，并且随着预应力大小的增大，CFRP的有效利用率也不断提高，有效利用率达到了22.2%～58.5%，而非预应力的只有10.9%；
（2）通过反拱分析间接得出了预应力的施加增加了构件的开裂荷载，改善了构件的使用性能，并且随着预应力的增大，这种效果也越明显。
参考文献：
[1] 张建伟，杜修力，邓宗才等. 预应力芳纶纤维布加固混凝土梁的受弯性能研究[J]. 建筑结构学报，2006
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[3] 孔琴. 预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁受弯性能的试验研究[D]. 郑州大学硕士学位论文. 2005
作者简介：彭敦明，男，1989年出生，本科，助理工程师，主要从事于桥梁施工。
张磊刚、男、1984年出生、本科、助理工程师，主要从事于桥梁设计工作。
关键词：受弯工形钢梁；加固；焊接；受力特性；ANSYS；有限元分析
中图分类号：TU391文献标志码：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
建筑结构在使用一段时间后，因为建筑结构使用功能或条件发生变化，使得结构的布置和荷载分布形式发生了变化，经评估鉴定，原有结构或构件不能满足新的要求，这时就需要对结构或构件进行加固。针对钢结构单根构件的加固，从施工角度来划分，可分为完全卸载加固和负载加固[12]。钢结构的完全卸载加固，通常需要对构件进行完全拆卸或更换，有可能破坏原有结构且经济效益不高，也可能致生产活动长时间地的中断，所以更适合钢结构构件的加固施工通常是在负载下完成的。负载下焊接加固钢梁施工方便，且耐久性具有可靠保证，因而是目前钢梁增大截面加固法中最常用的方法之一[35]。文献[3]，[4]中采用了在翼缘内侧或外侧焊接钢板加固钢梁的方式，文献[5]中采用了在钢梁下翼缘焊接T形钢的截面组合形式加固钢梁。
目前与上述加固方法广泛应用相矛盾的是，与此相关设计的规范很少且适用性有限[6]，开展的相关研究非常少且不具有系统性。目前在国外已有学者对负载下焊接加固钢梁展开了研究。Liu等[7]完成了9根热轧W310×28钢梁负载下焊接加固的四点受弯承载特性试验，研究了不同初始荷载大小、不同跨度和不同加固截面组合形式对加固后钢梁承载能力的影响。试验采用了2种加固形式，第1种是仅在钢梁下翼缘外侧焊接钢板，第2种是在平行截面腹板的方向焊接钢板形成箱型截面。试验研究表明，以第1种截面组合方式加固后的跨度为2 400 mm的钢梁，最终发生显著的侧扭屈曲失稳，其侧扭屈曲承载力受负载影响较大，而其极限承载力受负载影响非常小。
Liu等[8]采用有限元软件ANSYS进行了多个影响因素的数值模拟分析，研究了初始负载、初始缺陷和加固板长度对加固后钢梁极限承载力的影响。试验结果表明，钢梁在恒定负载下焊接加固过程的力位移曲线呈现一平台段，在有限元分析中，二者只是将该平台段采用增大初始缺陷的方法来进行试验的数值模拟分析，虽然结果吻合较好，但该方法不适用于大量的参数化分析，而且文献[8]中采用的有限元分析方法与Wu等[9]和龚顺风等[10]对焊接加固钢柱受力性能的数值模拟分析相同，仅简略地采用了生死单元技术来模拟加固这一过程，并未考虑焊接热过程和随温度变化钢材材性对负载下加固钢梁或钢柱受力特性的影响。为此，笔者采用通用有限元软件ANSYS对4个负载下焊接加固的三点受弯工形截面钢梁的受力特性进行了有限元分析，并与试验结果进行了对比分析，提出了适用于负载下焊接加固钢梁的有限元分析方法。
1试件概况
本文中进行有限元分析的试件包括1个未加固的工形钢梁和3个不同初始负载下焊接加固的工形钢梁。受弯钢梁采用三点受弯试验，加载点在钢梁跨中上翼缘处，钢梁两端采用夹支支座，夹支长度为200 mm。试验装置如图1所示，试件截面尺寸定义如图2所示，试件实测尺寸和初始负载如表1所示。图2中，H为未加固梁截面高度，tw为腹板厚度，bf，tf分别为未加固梁翼缘宽度和厚度，bs，ts分别为加固板宽度和厚度。表1中，P0为跨中初始负载，L为钢梁总长度，Lu为梁跨度，Ls为加固板长度，e为钢梁中截面处总的几何初始弯曲，其值为钢梁的最大初始弯曲值δ0[12]。图3为构件的几何初始缺陷，其中，最大初始弯曲值δ0取L/4处几何初始弯曲测量值δ1，δ2，δ3的最大值。
图1试验装置
Fig.1Test Device2有限元分析
为了探讨焊接热对负载下加固钢梁受力特性的影响，有限元分析采用了不含热和含热的分析过程。
2.1不考虑热影响的数值分析
2.1.1有限元建模
已有研究者在负载下梁焊接加固的分析中，未考虑焊接热输入影响和随温度变化的钢材材性，而仅使用简便的有限元分析模型进行受力特性的模拟图2试件截面尺寸定义
Fig.2Definition of Specimen Section Dimension分析，笔者为了进行对比分析，并讨论该方法的准确性，在试验数值模拟分析中也使用了该方法，具体过程为：①建立钢梁、加固板和加载端板的有限元模型，并通过焊缝单元连接好钢梁和加固板；②杀死加固板和焊缝单元，施加既定的初始荷载；③激活加固板和焊缝单元，进入第2个荷载步，加载至钢梁破坏为止。
钢梁、加固板和焊缝都采用Shell181单元建立模型，加固板和钢梁翼缘外侧的接触采用3D接触对的Targe170目标单元和Conta174接触单元形成面面接触，接触面的摩擦因数取0.3。有限元网格图3构件的几何初始缺陷
Fig.3Initial Geometric Imperfections of Specimens划分和钢梁的整体初始缺陷如图4所示。本文中试验模拟分析的焊缝采用的是Shell181单元，高度取翼缘厚度中心到加固板厚度中心的距离，厚度取角焊缝焊脚尺寸hf，加劲肋也采用Shell181单元。有限元模型的边界约束条件和加载点如图5所示，其中，ux为侧向位移，uy为弯曲平面内位移，uz为沿试件长度方向位移。试验中两端支座处各夹支200 mm，因此约束支座范围内纵向（z方向）200 mm的侧向位移为ux，具体见图5。
图4有限元模型网格划分及初始缺陷
Fig.4Finite Element Mesh Division and
Initial Imperfection图5有限元模型的边界约束
Fig.5Boundary Conditions of Finite Element Model2.1.2材料参数
钢梁和加固板的材料性能采用试验测得的真实材料性能（表2），并采用四折线材料本构模型；由于焊缝缺乏材料模型，因而采用的是加固板的材料模型，以此近似考虑。
2.1.3有限元分析结果
（1）荷载位移关系曲线
通过采用不考虑热影响的有限元模型分析得到了4根钢梁的有限元分析结果。图6为对有限元分析得到的荷载跨中竖向位移曲线和荷载跨中上翼缘侧向位移曲线与试验结果的对比，其中，P为荷载，u为位移。
由图6可以看出，有限元结果和试验结果吻合较好。试件BIS3的结果差异较大，主要是因为试
平台末端应变；εu为极限应变。
图6不考虑热影响的试件荷载位移曲线有限元结果与
试验结果的对比
Fig.6Comparisons of Loaddisplacement Curves of
Specimens Without Considering Thermal Effect
Between Finite Element Results and Test Results件BIS3试验中发生以弯曲屈曲破坏为主的局部屈曲失稳，而其他3个试件试验中发生的是整体侧扭失稳，有限元的结果也是整体侧扭失稳破坏，因此存在差异。各试件有限元分析得到的曲线刚度都比试验值大，有限元分析得到的极限承载力也与试验结果略有差别，产生这些差别的原因包括：①试验中的试件与支座的连接采用砂浆，与有限元模型采用的理想约束条件存在差异；②由于试件加工误差，试验中翼缘和夹支支座没有全长接触，存在空隙，而有限元的夹支较为理想；③有限元分析未考虑截面残余应力，这也会对结果产生一定的影响。
（2）极限承载力
采用普通有限元分析方法得到各试件的极限承载力，同时将有限元结果与试验结果进行对比，结果见表3。
Pu，FEA为不考虑热影响的
试件极限承载力计算结果；e/L为试件初始弯曲值；σ0，fy分
别为初始负载下最大名义弯曲应力和钢材屈服强度。
由表3可以看出，对于试件BIUR，BIS1，采用普通有限元分析方法分析得到的结果和试验结果吻合非常好。对于试件BIS2，试验中大部分采用了手工电弧焊，该焊接方法比二氧化碳气体保护焊采用的电压电流更大，焊接热输入也更大，因而会引起试件的变形增大，这可能是导致其最终承载能力降低的原因。
2.2考虑热影响的数值分析
2.2.1有限元建模
负载下焊接加固钢梁的试验过程中，焊缝的施焊产生了局部高热，同时由于钢材材性是随温度变化的，特别是高温下其材性会发生很大的变化[1314]。基于此，笔者提出更准确的有限元方法来分析钢梁在负载下焊接加固的受力特性，建立了能够考虑焊接热影响的有限元分析模型。在焊接热力学模拟时，通常主要考虑温度场、应力变形场及显微组织之间的相互作用，而忽略其他的因素，焊接热力过程的多物理场作用如图7所示[15]，其中，实线箭头表示强烈的影响，虚线箭头表示较弱的影响。研究表明，应力与变形场对温度场的影响主要为变形热，而变形热相比于焊接热量的输入又显得非常小，可以忽略。因此为提高计算效率，通常忽略应力与变形场对温度场的耦合作用，即仅考虑单向耦合计算，先进行温度场分析计算，再进行应力场分析计算。因为没有直接进行温度场同应力变形场的直接双向耦合分析，所以该方法称为间接热力耦合分析。间接热力耦合分析有限元分析步骤为：①采用热单元建立热分析有限元模型，定义材料不同温度的热物理参数，并定义热力学边界条件（如辐射、对流和初始温度等）；②通过移动热源的施加和删除模拟焊接热输入进行瞬态热分析，得到各时间步温度场分析结果，结果保存在*.rth文件中；③重新进入前处理，根据ANSYS规定的热结构单元变换对，将热分析模型转变为相应的结构分析模型，定义不同温度下材料的力学参数和结构模型边界条件；④施加荷载进行应力变形场求解，荷载包括外力荷载和热分析得到的温度场荷载，温度场荷载通过LREAD命令从*.rth文件中读取并且施加；⑤后处理。
图7焊接热力过程的多物理场作用
Fig.7Multiphysical Field Effects of
Welding Thermal Process本文中的间接热结构分析有限元模型的建立采用Shell131～Shell181热结构单元对。加固钢板和翼缘外侧采用3D接触对的Targe170目标单元和Conta174接触单元形成面面接触，该接触单元对同时支持热分析和应力、应变分析。钢梁加劲肋只在应力、应变场分析中采用Shell181壳单元建立模型，忽略其对热场分析的影响。
2.2.2材料参数
在进行热力耦合分析时，钢材在不同温度下的应力应变关系参照欧洲规范Eurocode 3结构防火设计部分EN 199312：2005[16]中的规定。各温度下钢材材料特征值和常温下的材料特征值比值如图8所示，常温（20 ℃）下钢材的材性特征值见表图8各温度下钢材力学特征值的降低系数
Fig.8Reduction Factors of Mechanics Characteristic
Value of Steel at Different Temperatures2。图8中，ηy，T，ηp，T，ηE，T分别为屈服强度降低系数、比例极限降低系数和弹性模量降低系数，ηy，T=fy，T/fy，ηp，T=fp，T/fy，ηE，T=ET/E，fp，T，fy，T，ET分别为各温度下钢材的比例极限、屈服强度和弹性模量。钢材密度ρ取7.85×103 kg·m-3，界面对流系数取25 W·（m2·K）-1，其他热物理参数见表4。
3加固焊接顺序模拟方法
试验中首先焊接受拉侧的加固板，再焊接受压侧的加固板。图9为钢梁焊接加固施焊顺序。焊缝从两端向跨中施焊，依次按照A1，A2，B1，…，D2的顺序对加固钢梁的连接焊缝进行施焊。而对于各个分段（A1，A2，…，D2），连接焊缝的施焊按图9（b）中对A1段焊缝的施焊顺序进行，将加固板两侧350 mm焊缝按每段70 mm分成10段，按1～10的顺序进行各道焊缝的对称施焊，每道焊缝现场焊接时间约10 s，焊后停歇约10 s。
图9钢梁焊接加固施焊顺序（单位：mm）
Fig.9Welding Process of Steel Beam Strengthened with
Welding （Unit：mm）根据试验的加固焊接顺序，各道加固焊缝是依次生成的，加固板参与到钢梁受力也是逐渐进行的。因此在模拟焊缝焊接的热场模拟分析过程中，在某个时间点焊缝的温度场和应力场分析过程中，该时间点后边的焊缝不应当参与计算。本文中的热力耦合分析中也采用了生死单元功能，将未焊接的焊缝单元杀死，被杀死的单元在热分析中不参与传热，在应力、应变场分析中刚度贡献极小。通过在计算过程中逐步地激活被杀死的焊缝单元来模拟焊缝的生成过程。
试验中加固焊缝为长焊缝，若采用与常用的焊接残余应力分析一样的非常精细的单元尺寸和热源模型，则该有限元分析在现阶段将非常耗时、耗力，因而为了能够使该负载下焊接加固钢柱的有限元热结构分析顺利进行，笔者采用了试验中的焊接分段和点热源模型来考虑焊缝焊接热输入，具体是将各小分段的中点作为焊缝中心点，引入的点热源中心最高温度以1 500 ℃为准，这与试验中采用的二氧化碳气体保护焊基本吻合。为了能使点热源模拟出焊缝焊接的过程，笔者采用随时间变化的点热源作用坐标位置的变化函数，使之更接近试验的焊接过程。
2.2.4有限元分析结果
（1）极限变形状态
在应力变形场的分析中采用的各约束条件同上述不考虑热影响分析中的约束条件。有限元分析得到典型试件BIS2的侧向弯扭屈曲的极限变形如图10所示。
图10典型试件BIS2的极限变形（单位：mm）
Fig.10Ultimate Deformation of Typical
Specimens （Unit：mm）（2）荷载位移关系曲线
采用有热影响的间接热结构耦合有限元分析方法进行计算，得到的钢梁荷载跨中竖向位移曲线和荷载跨中上翼缘横侧位移曲线与对应的试验结果的对比如图11所示。
图11考虑热影响的试件荷载位移曲线有限元结果与
试验结果的对比
Fig.11Comparisons of Loaddisplacement Curves of
Specimens with Considering Thermal Effect Between
Finite Element Results and Test Results从图11可以看出，有限元结果的荷载位移曲线刚度比试验结果的刚度大，且其曲线的加固焊接平台段较试验结果的小，造成这种情况的原因包括：①试验中的夹支支座难免存在缝隙，很难达到理想的夹支约束条件，这就会在实际的加固焊接过程中增大试件的侧向位移；②实际的焊接过程复杂多变，很难用有限元方法进行真实准确的模拟；③不同温度下的材料特性尚不明确，只是采用其他已有成果进行模拟，难免存在偏差；④试验中的加固板是在钢梁加载到既定荷载才进行定位、夹紧并焊接的，加固板自身未发生和试件相同的侧向位移，而有限元分析只是采用生死单元技术模拟加固过程，加固板始终是和钢梁协调变形的。上述情况也使得分析得到的极限承载力与试验结果略有偏差。
（3）极限承载力
试件BIS2和试件BIS3这2个负载下焊接加固钢梁试件的极限承载力与试验结果的对比如表5所示。
采用考虑热影响的有限元分析得到的试件极限承载力比试验结果和不考虑热影响的有限元分析结果都大，一定程度上表明了这2个试件的焊接加固并没有因负载而产生极限承载力减小的情况。从图11还可以看出，采用考虑热影响的有限元分析获得了与试验相同的情况，即负载下的加固焊接引起了试件的变形增大，从而出现一平台段。试验中该平台段的位移是随着加固焊接的进行而变化的，为此笔者对跨中竖向位移和跨中上翼缘侧向位移等指标进行了加固焊接全过程的监测，提取出了试件BIS3的有限元分析结果，其与试验结果的对比如图12，13所示。
图12跨中竖向位移时程曲线
Fig.12Timehistory Curves of Vertical
Displacement at Midspan图13跨中上翼缘侧向位移时程曲线
Fig.13Timehistory Curves of Lateral
Displacement at Midspan由图12，13可以看出，考虑热影响的有限元分析得到的位移时程曲线在焊接过程中的发展趋势与试验结果基本相同，如焊接下翼缘加固板过程和冷却阶段都引起钢梁跨中下翼缘位移的增大，而焊接上翼缘加固板则都出现跨中位移减小。由于采用的是与试验相同的对称交替均匀的焊接施工工序，因而有限元分析得到的跨中上翼缘侧向位移与试验相同，也出现交替增减的情况。
试件BIS2和试件BIS3这2个负载下焊接加固的试件在加固焊接前后的位移变化见表6。表6中，位移指标下角标的0和1分别指焊接加固前和加固冷却后2个状态。
由表6可以看出，采用该有限元方法分析得到的位移响应与试验存在一定的差异。这是因为有限元分析中采用的钢材的物理特性和焊接热过程与真实的情况不同而产生的，特别是对于试件BIS2在试验中因电焊机故障而部分采用了手工电弧焊，这使得加固焊接的热输入较二氧化碳气体保护焊大得多，因而使得试件在负载下的变形也较大。热结构的耦合分析结果表明，采用考虑热影响的间接热结构耦合有限元分析方法模拟负载下的焊接加固具有一定的可行性。
固前后钢梁跨中上翼缘侧向位移。
（4）截面应变分布
除了对负载下焊接过程的位移进行监测外，试验中还在钢梁腹板上布置了应变片，用来监测加固焊接过程中腹板应变的变化，试验结果表明，经过焊接加固后，腹板的压应变增大较多，而拉应变变化很小，如图14所示。加固焊接过程引起了梁截面的应变、应力重分布，且根据应变结果得出试件焊接加固后弯曲曲率较加固前有所增大。而目前采用考虑热影响的间接热结构耦合分析方法也得出了相同的规律。图15为加固前后与试验中应变测量相同截面（距跨中150 mm）处应力云图。图16为该截面上腹板的应力分布，其中，压应力为负，拉应力为正。
图14焊接加固前后钢梁腹板应变分布
Fig.14Stress Distributions of Web of Steel Beam
Before and After Weldingstrengthening图15焊接加固前后钢梁截面应力云图（单位：MPa）
Fig.15Stress Nephograms of Steel Beam Section Before and
After Weldingstrengthening （Unit：MPa）图16焊接加固前后钢梁腹板的应力分布
Fig.16Stress Distributions of Web of Steel Beam
Before and After Weldingstrengthening3结语
（1）对未加固钢梁试件BIUR和未在负载下焊接加固的钢梁试件BIS1采用普通的不含热影响的有限元分析方法，并采用实际的构件尺寸、常温材料特性和几何初始缺陷建立有限元模型，分析得到的结果和试验结果基本吻合，验证了不含热影响的有限元分析方法的可靠性。
（2）采用不考虑热影响的有限元分析方法，由于没有焊接加固过程，因而无法得出试验中因加固焊接引起的荷载位移曲线平台段。
（3）采用含加固焊接热过程的有限元分析方法对负载下焊接钢梁的有限元模拟分析能够得出荷载位移曲线的平台段，且分析得到的位移时程与试验结果的变化趋势吻合较好，但由于试验中材料在高温下的真实材料性能和物理特性不太明确，且试验中的加固焊接过程受人为因素、环境因素影响而复杂多变，难以进行准确模拟，所以导致有限元分析得到的结果与试验结果存在一定的差异。通过对荷载位移曲线的对比可知，采用考虑热影响的有限元分析方法来模拟负载下焊接加固钢梁的受力特性具有一定的可行性，为进一步运用ANSYS有限元模型进行钢梁负载下焊接加固受力特性分析计算提供了方法和依据。
（4）根据这2种有限元分析方法计算得到的试件在负载下焊接加固后的极限承载力均未出现明显降低的情况，表明此类钢梁在最大初应力比为0.41的条件下采用试验规定的焊接加固方法加固后，钢梁的承载能力受初始负载的影响非常小，其加固后承载能力可以得到足够的保证。参考文献：
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【关键词】码垛机器人 受力分析 优化
一、前言
日本早在二十世纪70年代已开始将码垛机器人用于其工业制造。如今，国际上在码垛领域较为出色的包括日本FANUC，德国的KUKA以及瑞士ABB等，他们对CAD＼CAE＼FAE等计算机辅助技术的运用已经相当成熟，为客户带来的是机器人自动化生产线成套装备解决方案。而在我国，目前码垛机器人还未成产业，国内多数厂家仍处于自主研发、或小批量成产的初步阶段，面临的问题包括：生产力落后，产品通用性不高以及产品的可靠性较低等。而这些问题最终都归结到国内的机器人设计手段较落后这一根本原因。要缩小与国外同行的差距，重中之重就是要提高设计能力。本文码垛机器人手臂在设计中使用SolidWorks三维建模以及使用其Simulation模块进行有限元分析，并对零件结构进行优化，以此彰显CAD＼CAE技术在机械设计中的重要性。
二、建模和分析前准备
三维建模是进行计算机辅助分析的第一步。首先按照设计尺寸在SolidWorks上进行草图绘制、拉伸等在维建模操作，码垛机器人手臂为焊接组合件，在此把模型简化成一体化的实体模型，以利于接下来的分析和优化。三维模型完成后进入Simulation模块，新建新算例，按照要求进行网格划分。
三、有限元分析及优化
有了前面的准备工作，要模拟码垛机器人极限位姿下的实际加减速运行状况（如无特殊说明，本文所描述的手臂分析状态皆为码垛机器人的加减速阶段），首先将定义材料为Q235-A。然后对手臂的末端添加符合运行情况的边界约束条件，对手臂的前端添加两部分载荷，一部分为码垛机器人前部及负载所产生的载荷；另一部分为码垛机器人的加减速阶段，在加速度条件下等效的惯性载荷。最后，在运算结果中添加应力分析及位移分析。运行算例后，得到图1及图2的分析结果。
图1.码垛机器人手臂 图2. 码垛机器人手臂
应力分析图 位移分析图
由图1可见，在码垛机器人作加减速动作时，最大应力发生在方钢与手臂末端的接合处，应力值为120MPa。而Q235材料的屈服强度为235MPa左右，故安全系数为1.95，并未达到设计的预期值。由图2可见，加减速状态时码垛机器人手臂越靠近手臂末端，位移值最大，达到4.663mm，这个位移值偏离设计要求，如果不给予优化，将导致码垛机器人运行时产生较严重的振动，影响机器整体性能。
为解决上面的问题，较直接的方法是满足设计要求的前提下，修改手臂相应的结构和焊接形式。首先，在码垛机器人手臂前端，增加手臂前端方钢的壁厚，使方钢与焊接件的结合处过渡得更平滑，增加两轴承孔间的跨距。然后，在码垛机器人的末端，在两个板的中间处，增加加强筋，同时确保此加强筋在整个工作空间运行时不会与其他零部件发生干涉。此加强筋的作用是，增加影响发生位移的两板之间的刚性联结，减小位移变形的发生。采取这些措施后，在同样的条件下再次运行算例进行分析。
优化后的最大应力只有68MPa，安全系数符合设计要求，位移变形虽然仍然是越接近手臂末端，位移值越大，但是最值已减少到1.749mm，这对于码垛机器人的实际码垛工况，是可以接受的。如表1中所示，进行有限元分析后，优化前与优化后的对比，有力的证明了有限元分析及优化对传统设计的帮助是很大的。
表1 优化前和优化后的分析对比
项目 优化前 优化后
应力最大值 120MPa 68MPa
位移最大值 4.663mm 1.749mm
四、结语
实践证明，只是单纯采用传统设计以及经验设计，在这种新型的重载荷和高速度运行的机械结构设计上，也只能是摸着石头过河。本文用简单地实例证明了SolidWorks以及其Simulation模块在有限元分析及优化上，有着极大的开发潜力。使设计者能在试制试产前能提前发现问题，解决问题。这直接降低了产品的研发成本，缩短了产品周期，节省了大量的人力物力。要缩短国内与国外同行的差距，最重要的就是要解决设计手段上的差距，这就需要研发人员不断提高CAD/CAE的应用能力。
参考文献：
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关键词：土工格栅；路面；抗压强度；ANSYS软件
“土工格栅”是聚合物材料经过定向拉伸形成的具有开孔网格，较高强度的平面网状材料。它以聚丙烯，高密度聚乙烯或其他高分子聚合物为原料，加人一定量的抗紫外线助剂，经热熔，挤出拉伸等新工艺生产而成。土工格栅在制造过程中经过定向拉伸，使聚合物分子沿拉伸方向排列，加强了分子链间的联接力。它与其它土工合成材料相比，具有重量轻、变形小、抗拉强度高、延伸率低的优点。同时它具有较好的耐酸、耐碱、耐腐蚀和抗老化等性能。玻璃纤维土工格栅是以高强度无碱玻璃纤维通过国际先进的经编工艺织成基材，经表面涂覆处理而成的半刚性制品。
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静态或动态的物理物体或物理系统。在这种方法中一个物体或系统被分解为多个相互联结的、简单、独立的点组成的几何模型。在这种方法中这些独立的点的数量是有限的，因此被称为有限元。由实际的物理模型中推导出来的平衡方程式被使用到每个点上，由此产生了一个方程组。这个方程组可以用线性代数方法来求解，有限元分析的精度无法无限提高。元的数目到达一定高度后解的精度不再提高，只有计算时间不断提高。有限元的高度通用性与实用性使得有限元通用程序迅速发展。40多年来，各种商业通用软件陆续登入市场，它们的应用范围越来越广，能处理的问题越来越多，涉及的问题越来越大。目前国际著名的通用程序有几十种，针对不同的领域，它们有各自的特点，但是基本思路是一致的。常用的软件有：SAP、ABAQUS、ANSYS、LS-DYNA、NASTRAN、ASKA、ADIAN等等。本论文的数值模拟部分，采用大型有限元软件ADINA进行模拟分析。
1.2单元类型与边界条件
路基结构模型在水平方向和深度方向取其有限尺寸。模型设计中，路面纵向长为6.0m，横向宽为7.0m，路面厚度为33cm，土基厚度3m。路基材料选用ANSYS单元中的三维实体单元（solid 单元），土工格栅选择壳单元（shell63）对模型体进行网格划分。对模型路面结构的侧面即左右面Y方向进行约束，整个模型的前后面X方向进行约束，底部完全约束，面层表面作为自由面，不进行任何约束。为保证计算结果的精度并不致使计算过于复杂，在采用ANSYS有限元软件进行分析计算采用了8节点三维块体单元，并对结构中预计将产生最大应力的部位适当加密了单元网格的划分，远处网格逐步扩大，有裂缝模型层厚度方向采用了较密的单元划分。单元总计：23925个，节点总计：5087个。图1-1与1-2为旧路面有裂缝力学模型示意图、有限单元划分示意图。
1.3 荷载
汽车荷载施加在结构层中可能产生最大应力或结构层最可能损坏的位置，其荷载位置如图所示。按对称荷载作用位置加载计算。根据《公路沥青路面设计规范》取单轴双轮（轴重60KN），双圆荷载，双圆中心距离3（=9.75cm）保持不变，接触压力采用均布荷载，轮胎接地压强为=0.7MPa，单轮传压面当量圆直径=19.50cm。
2有限元计算结果分析
2.1 路面结构的有限元分析结果
路表弯沉是指在一定荷载作用下路表面的竖向变形，是反映路面整体承载能力高低和使用状况好坏的最直观、最简单的指标。它是由路面各结构层（包括土基）各自变形的综合结果，因此该变形在一定程度上反映了路面各结构层及土基的力学性质。根据我国现行规范要求，以双轮组车辆荷载作用下，在路表面轮隙中心处的弯沉作为路面整体抗变形能力的指标。因此，对位移的分析，主要就是分析路表面轮隙中心处的弯沉。
经ANSYS计算可知在未加格栅和加入格栅的路表轮隙中心处的竖向最大位移分别为1.0533mm，0.9756mm，都小于路面设计弯沉值（
1.32mm）。双轮载荷作用于路面时，在两车轮中心路表处产生最大弯沉，而轮隙中心路表处弯沉略有减小。加铺土工格栅的车轮中心的最大弯沉值比未加格栅的最大弯沉值减小0.077mm，在轮隙中心处弯沉值基本没有变化。
在原路面未铺设土工格栅时，基层底面产生的拉应力达到了0.03～0.04MPa，加铺格栅的路面底基层的拉应力降到0.015～0.02MPa，可见加铺的土工格栅减少了基层底面的应力集中现象。这是因为土工格栅具有一定的抗弯拉能力，减少减少基层变形从而降拉应力集中的现象出现。
在原路面未铺设土工格栅时，裂缝上面的基层底面产生了较大的拉应力集中，拉应力达到0.05～0.06MPa，加铺格栅的路面裂缝处的拉应力降到0.03～0.04MPa，使裂缝处的拉应力降低了1倍左右，消除了基层底面的应力集中现象，这是因为土工格栅使开裂断面具有一定的抗弯拉能力，减少裂缝张开变形从而降低裂缝尖端的拉应力集中，土工格栅起到了应力吸收膜的作用，它会吸收下底基层的很多水平运动，分散了裂缝处的应力集中从而阻止裂缝通过基层底面反射到沥青混合料面层。铺加土工格栅发挥了其强度高，变形能力好的优点，使粘结层形成应力吸收膜，在加铺层与基层之间构成缓冲层避免应力集中，增加路面整体刚度，减小和延缓反射裂缝产生，控制路面开裂，延长路面使用寿命，提高了路面的路用性能，也会节省养护开支。
3结论
（1）经ANSYS计算可知在未加格栅和加入格栅的路表轮隙中心处的竖向最大位移分别为1.0533mm、0.9756mm，都小于路面设计弯沉值（1.32mm）。双轮载荷作用于路面时，在两车轮中心路表处产生最大弯沉，而轮隙中心路表处弯沉略有减小；
（2）加铺土工格栅的车轮中心的最大弯沉值比未加格栅的最大弯沉值减小0.077mm，在轮隙中心处弯沉值基本没有变化。在原路面未铺设土工格栅时，基层底面产生的拉应力达到了0.03～0.04MPa，加铺格栅的路面底基层的拉应力降到0.015～0.02MPa，可见加铺的土工格栅减少了基层底面的应力集中现象。这是因为土工格栅具有一定的抗弯拉能力，减少减少基层变形从而降拉应力集中的现象出现。
【关键词】钢筋混凝土，有限元分析，异形柱，轴心受压
概述
近年来，随着社会的不断进步与发展，人民生活水平得到极大提高，对住宅的数量、功能和形式的要求不断提升。传统的砖混结构住宅虽然具有施工简单，造价低廉等优点，但除了其结构本身强度低，自重大，抗震能力差，建筑功能局限大等缺点外，大量建造砖混结构房屋所带来的恶劣后果已越来越明显。因此，近年来，异形柱大开间框架结构引起工程界越来越广泛的重视[1]。
本文对钢筋混凝土异形柱基本构件进行了轴心受压承载力有限元分析，对分析结果和试验结果进行比较，得出了初步成果对将来钢筋混凝土异形柱建筑结构研究提供了基础。
试验参数
2.1原材料及混凝土配合比
水泥：425#普通硅酸盐水泥，砂为水洗河砂（中砂），石子为豆石，粒径为5-15mm；钢筋：纵筋为HPB235级Φ8的圆钢，箍筋为HPB235级Φ6.5的圆钢；混凝土：强度等级为C40，实际配合比为1∶1.92∶3.36∶0.6（水泥∶砂∶石子∶水）。
2.2截面形状及尺寸
试件分为两种截面（即L形和T形），分别用符号Lw和Tw表示。截面设计如图2－1所示。截面设计的参数为：柱肢宽均取300mm，柱肢厚度取为100mm，柱长均为1200mm，采用复合箍筋，间距取150mm。
2.3试验材料的性能参数
有限元模型
3.1单元选择
混凝土单元采用8结点六面体单元，该单元每个结点均有三个平动自由度，可以考虑混凝土这类非线性材料的很多非线性性质，将钢筋分布于整个单元中【2】，假定混凝土和钢筋粘结很好，并把单元视为连续均匀材料。钢性垫块均采用实体结构单元，每个节点具有X,Y,Z位移方向的三个自由度。具有塑性、徐变、膨胀、应力刚化、大变形、大应变的特征【3】。
3.2材料性质
3.2.1混凝土的本构就是表示在各种外荷载作用下的混凝土应力应变的响应关系。
在建立混凝土的本构关系时一般都是基于现有的连续介质力学的本构理论，再结合混凝土的力学特性，确定甚至调整本构关系中各种所需的材料参数。通常，混凝土的本构关系可以分为线性弹性、非线性弹性、弹塑性和其他力学理论等四类。其中研究最多的是非线性弹性和弹塑性本构关系。
混凝土的本构关系借用Hognested提出的σ-ε曲线，其表达式为：
在公式（3－2）中，fc为曲线的应力峰值，取为混凝土的抗压强度；ε0为应力峰值所对应的应变，均取为ε0＝0.002；εcu为混凝土极限压应变，取值为εcu＝0.0038。
3.2.2混凝土材料输入参数
3.3 钢材材料性质【4】【5】
文算例所模拟的钢材包括有钢筋和钢性垫板，其应力－应变关系均采用双线性随动强化模型（Bilinear KinematicHarding），即理想弹塑性模型，屈服准则选用Mises准则。钢材材料的参数见表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，通过工作平面将柱体剖分为有限个矩形截面的六面体【6】，同时选用25mm×25mm×25mm的单元尺寸对这些六面体进行映射网格划分，以保证所有单元的节点位移协调。
3.5 加载
为了更接近于试验的真实情况，本算例在加载处和支座处均加设400mm×400mm×40mm钢性垫块以避免出现局部破坏。同时将柱底假设为固定端，约束实体模型底面的全部自由度，柱顶则将轴向均布荷载直接加到有限元模型的节点上，所加荷载的大小要比试验测定的极限荷载值大一些。
计算结果及分析
4.1 轴向承载力
通过对L形和T形截面钢筋混凝土异形柱的有限元分析，L形有限元结果为775KN, 试验结果为805KN，而T形有限元结果为1031KN，试验结果为1084KN.可以看出，钢筋混凝土异形柱极限荷载的有限元计算结果和试验结果吻合较好，且不论L形柱还是T形柱，有限元计算结果都略低于试验结果。
4.2 荷载－应变曲线结果分析
通过分析L形试件所施加的荷载分别同柱中横向应变、柱中纵向应变、纵向平均应变的关系曲线，可以得出，计算曲线同试验曲线吻合较好，且无论结果还是试验结果，曲线都表现出试件一定的弹塑性能力。同时，由于试验条件及人为读数的误差，试验曲线点呈现出一定的离散性，而计算曲线较试验曲线明显平滑。从中看出，运用计算机程序模拟试验可以消除试验条件、人为等的因素影响，所得到的结果也更符合实际情况。
同样通过分析T形试件荷载－应变关系曲线的计算值与试验值，可以得出，T形试件的荷载－应变的计算曲线较试验曲线平滑，同时，荷载－柱中纵向应变、荷载－纵向平均应变的计算曲线与试验曲线吻合较好。对于荷载－柱中横向应变的关系，从试验曲线可以看出，在加载中后期，柱中横向应变的变化很小，大致成水平状态。
4.3 荷载－变形曲线结果分析
由钢筋混凝土异形柱的荷载－纵向变形的计算曲线与试验曲线的对比，可以看出：不论L形柱还是T形柱，计算曲线与试验曲线吻合较好，且计算曲线比试验曲线更为平滑。
结论
从极限荷载、荷载－应变曲线、荷载－变形曲线等方面比较了计算值与试验值，结果表明有限元计算结果与试验结果吻合较好。同时，计算值与试验值相比还有一定的误差，这是由于多方面的因素造成的，包括试验条件，模型材料参数及本构关系的选取、软件本身等。通过对钢筋混凝土异形柱的有限元分析，表明该分析方法精度较高，同时也为钢骨混凝土异形柱的数值仿真分析提供了依据。
【参考文献】
[1]陈昌声.多层RC异型柱框架住宅在龙岩市推广应用研究.同济大学硕士论文,2001.10.
关键词：桁架，许用应力，有限元分析
中图分类号： S611 文献标识码： A 文章编号：
前言
秦皇岛港煤五期工程带式输送机皮带机承载带与地面之间的高度大于2m时皮带机机架设计成桥架型式。纵梁为板梁或桁架结构。因此胶带机都有独立的桁架式钢廊道，廊道跨距10米、15米、20米、30米、40米不等，其中三条胶带机同时平行作用在一个带外装板的钢廊道上，并有一段廊道要越过50米左右宽的建设大道。
2. 桁架设计
首先满足建筑要求的前提下拟定了设计方案，设计中充分考虑当地系统工艺特点及气象条件等，综合考虑系统设备的稳定性、安全性、可靠性、经济性。经过初算、绘图、反复计算，将各条胶带机工况及载荷进行分类与组合。然后将这些组合全部加到桁架上再进行计算效核。最后确定桁架的最终长、宽、高尺寸为55mx13mX7.25m(不含屋脊)。见下图
图1
3. 结构形式
本桁架的是由H钢（焊接）、槽钢、角钢、钢板等构件焊接而成。上下弦杆采用的是400X400X13X21的H钢，而两端立杆是400X400X13X21H钢、350X350X12X19、300X300X10X15H钢逐渐向中部减小，在三条胶带机下面每隔5m横方向都用一片桁架连接。以增加横向刚度。屋脊三角架我们采用的是T形钢，用T形钢即减轻了屋脊的重量，又简便了连接方式。桁架上的主梁、立柱、和所有斜撑尽可能的不采用偏心连接，避免不必要的附加应力，连接方式全部采用坡口对焊和双面角焊。其它部位采用螺栓连接，需要大块拼装的地方，选用的是专用的“H钢接头”高强度螺栓群连接。
不同跨度的桁架对支座节点有不同的要求，此桁架采用的是普通压力支座，支座两端螺栓孔为长圆孔，允许有微小的平移，由此以适应温度变化和桁架挠曲变形所产生的位移。这种连接方式制作比较简单，安装也比较简方便。
4. 静强度和刚度计算
此桁架由型钢和钢板焊接而成，用来支撑BH6－6、BH7－6和BH8－6三条胶带机。其长、宽、高尺寸为55m13mx7.25m(不含屋脊)。我们采用有限元法对桁架整体结构进行了静力强度、刚度分析，受压杆件进行了稳定性校核。图2为桁架结构图型。
4.1 有限元分析的力学模型
4.1.1单元的选择
廊道桁架钢结构是由多种型钢杆件和钢板组合成的空间结构，受有三维方向的力和弯矩作用，根据结构特点和受力情况, 有限元分析时简化成空间钢架，各杆件均等效为三维弹性梁单元（BEAM189），将与架体相连的钢板等效为板壳单元（SHELL63）。
4.1.2 约束
廊道桁架刚结构通过下弦杆两端与高支柱用螺栓联接。有限元分析时将与支柱联接点约束，共有个点，过道桁架一端两个点的三个方向X、Y、Z线位移自由度约束，另端两个点约束Y、Z二个方向的线位移。
4.1.3 载荷
廊道桁架的载荷按三种工况加载，即：
图2廊道桁架结构图
第一种工况：胶带机正常满载起动工作工况。
第二种工况：胶带机正常工作+地震工况
第三种工况：胶带机非工作+极限风载工况
4.2计算结果
4.2.1结构应力
工况一 廊道桁架最大应力在下弦杆中间位置，应力值σ＝90MPa,表1是廊道桁架各部分杆件最大应力值，。结构各杆件应力均小于许用应力，
表1廊道桁架各部分杆件应力值单位：MPa
表2廊道桁架各部分杆件应力值单位：MPa
工况三廊道桁架最大应力在过道桁架端部竖向腹杆与横梁联接位置，应力值σ＝125MPa,表3是过道桁架各部分杆件最大应力值。结构各杆件应力均小于许用应力.
表3廊道桁架各部分杆件应力值 单位：MPa
4.2.2结构变形
表4列出了三种工况结构在X、Y、Z三个方向的最大位移值，图3是桁架结构在Z方向的变形图。
表4结构最大变形值 单位：mm
图3廊道桁架结构Z方向变形图
5结论及评价
经过计算分析，两种工况结构发生的变形位移均在规范要求的范围内（挠度小于1/500），说明结构刚度是足够的；结构产生的应力峰值均在100MPa（安全系数取2.35）以下，满足强度安全条件。
由于槽钢在受弯作用时，稳定性欠佳。工作状态的槽钢梁上翼缘平铺有钢板（厚20mm），实际的结构刚度有较大改善，稳定性不存在问题；建议在不影响滑轮组穿线及结构正常工作的前提下，把检修工况的槽钢梁上下翼缘均用10mm厚的钢板给平铺连接起来，这样有助于增强结构的整体稳定性。
参考文献：
ANSYS工程结构数值分析 王新敏【著】 北京·人民交通出版社 2007.10
钢结构设计 主编 王新堂 同济大学出版社
钢结构设计规范 主编 中华人民共和国建设部 北京·中国计划出版社 2003
材料力学 合编 浙江大学、南京工程学院等 人民教育出版社1979
建筑结构载荷规范 主编 中华人民共和国建设部2006
作者简介：
[关键词]材料力学 ANSYS 结构强度
引言
材料力学是机械专业的学科基础课，其教学目主要是为了后期专业课服务。它与机械设计、课程设计、毕业设计等息息相关。材料力学理论教学内容概念繁杂，定义抽象，学生不好学，老师不好讲。尤其是应力状态内容经常陷入只可意会不可言传的“微妙境界”。而其相关的课内实验教学往往以破坏性的验证性实验为主，其实验对应用型的本科生意义不大，而且其成本高，其实验器材具有不可重复性。在材料力学的教学过程中引入ANSYS软件可以弥补这些缺点。
一、ANSYS软件结构分析功介绍
（一）软件的结构分析处理过程
ANSYS有限元分析分为前处理过程；求解过程；后处理过程。前处理过程就是创建有限元模型；求解过程就是施加载荷并求解；后处理过程就是查看分析结果。ANSYS软件的CAD/CAE的协同环境AWE（ANSYS Workbench Environment）可直接读入各类绘图软件的零件模型。当然也可从ANSYS软件中直接建模。比如说汽车车架，车架的结构较为复杂，则可用CAD建模导入ANSYS中。对于前处理过程中关键性的网格划分，网格划分是比较繁琐费时的，对于缺乏经验的人来说很难准确完成，而其划分的准确性对求解过程会有很大的影响。ANSYS的网格划分是比较智能化的，对于学生们来说可以很好的弥补经验不足这一缺点。在分析求解过程中使用有限元方法进行分析求解时可先对一些条件进行假设，然后再引入已知的约束条件，来模拟实际的边界条件。通过计算车架在无阻尼状态下的固有频率和振形可分析其共振环境和频率。通用后处理器则可以把结果数据映射到任意路径上，可以观察某项结果数据沿路径的变化情况。
（二）软件结构分析内容
ANSYS软件中的结构静力分析很适合用于处于稳定外载荷引起的系统的应力应变。静力分析可以分析稳定的惯性力和随时间稳定变化的静载荷，比如说金属锚杆静力分析，首先利用ANSYS软件建立锚杆的原始模型，有原始模型推建几何模型，运用有限元分析可得出元件基本上都是从杆体部位断裂，想要提高锚杆的使用寿命，则需从杆体部位入手。运用ANSYS平台进行结构分析不仅有其实用价值，在教学中更能体现出其理论价值。
二、材料力学教学与ANSYS软件相结合
（一）材料力学教学与软件结合教学模式实施方案
对于应用型本科教学而言，可将传统的64（理论课时）+8（实验课时）改成50（理论课时）+22（软件教学）。对应用型本科材料力学中的实验全部用软件教学代替，再将理论教学中的一部分（公式推导、演示部分）学时也用于该软件的教学。当然，该软件在相关删掉的理论教学方面完全有替代作用，且其效果较传统教学模式好。
（二）实验教学内容用ANSYS软件的相关教学代替
传统的材料力学实验一般都是拉压、扭转变形的应力公式验证，这些实验大多为验证破坏性实验。而我校属于三本院校，培养出来的本科生以应用型为主。这些验证性实验对大部分本科生都没有什么实质性的意义。且这些实验对其公式的应用也并无益处，其破坏形式也很难从实验中观测出来。在引入ANSYS软件教学后，可利用其后处理模块动态演示实验过程，另外很重要的一点就是与实验室破坏性实验不同，ANSYS可重复多次演示实验过程，可大大节约实验材料，并加深学生们的理解。
（三）理论教学引入ANSYS软件
下面就在材料力学教学过程中那些内容要引入软件教学进行论述。
1.拉压扭转变形
通过ANSYS软件建造构件的拉压扭转变形模型。比如：圆形截面杆件的扭转变形，通过图例可以很好的看出圆形截面杆件扭转时各截面仍为平面。通过这种图例可直观简洁的看出杆件发生的变形，可以很好地帮助学生理解扭转变形，还可以节约教师课堂教学时间，提高教学效率。
2.压杆稳定
通过建立有限元分析，可使学生更容易理解用ANSYS软件的分析过程，在求解过程中，首先应当进行静力分析，得出静力解。再做特征值屈曲分析。ANSYS中有两种分析方法：线性（特征值）和非线性屈曲分析。其中线性屈曲分析与教材中的弹性屈曲分析方法类似，结果与欧拉解相同。屈曲过程的结果在结果文件中，文件中包含屈曲载荷系数、模态形状、相对应力分布等等。其结果与教材中的理论结果相吻合，这样就加深了学生对压杆失稳的理解。
3.组合变形
ANSYS强大的非线性分析能力可以有效的解决各类组合变形问题，例如：矩形截面梁的弯扭组合变形属于典型的几何非线性问题，这就需要用有限变形理论来解决。首先，可用ANSYS对矩形截面梁所受载荷的变形程度进行分析，将分析结果与实验结果进行对比，发现结果相差无几，由此可以看出，ANSYS完全可以模拟弯扭组合变形问题。这样不但节约了时间，而且更加方便学生理解掌握。
4.应力状态分析
通过有限元分析可以得出零件结构的工作特性。比如说应力集中问题。教材中一般只对影响因素进行说明，并未对影响后的结果做具体说明，以至于学生对于应力集中得不到更多了解与认识。教师可利用ANSYS软件对应力集中计算并分析其结果，即可帮助学生对其分析计算有更感性的理解。这样既可以帮助同学们系统的理解应力状态分布知识也有助于培养学生们的创新能力。
（四）教学效果
我校对材料力学这门课程在2010级机械专业试行这种教学模式。现在该年级学生已经快毕业。证明该年级的学生在后期的专业课中对于强度分析校核的应用的理解明显优于其他年级的。通过调研发现，在学生找工作的过程中，有ANSYS软件应用能力的学生更受欢迎。
三、结束语
ANSYS软件不但能够丰富理论教学内容，提升学生对于材料力学的兴趣，加深学生们对于教材理论认识，将其与课堂内容教学结合起来，可以有效地解决课堂中所遇到的一些疑难问题，拓宽学生们的知识面，熟悉所学的知识在实际工程当中的应用，为以后机械设计等专业课的学习打下基础。而且还可以培养学生们应用计算机的能力，促进学生掌握一门实用性很强的应用软件。这对于应用型本科人才的培养至关重要。
武昌工学院校级教学研究项目：（课题编号2012JY01）
课题名称：“实践+应用软件+理论”三结合模式课程体系的构建研究
[参考文献]
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关键词：深基坑支护结构；主体结构；设计与施工
中图分类号：TU476 文献标识码：A
相比较以往深基坑施工技术来说，结合主体结构和支护结构的方式具备节约资源、保护环境、缩短工期的优势，是构建可持续健康发展节约型社会的关键，同时也是一种新型支护技术。本文集中阐述了设计主体结构和支护结构的方式，全面促进基坑支护技术以后的发展。
一、主体结构和支护结构相结合的设计类型
（一）墙体相结合
主体地下室围护墙和外墙相结合的形式通常为地下连续墙。设计和计算墙体相结合结构的时候应该合理分析施工中、竣工中以及使用中地下连续墙的不同结构与荷载作用的状态，并且也应该切实符合正常使用和不同承载能力情况下的极限状态设计需求。设计两墙合一接头形式主要有设计接头结构和施工接头以及设计连接主体的结构，设计接头的过程中满足主体结构变形与受力的实际需求，尤其是保障可以剪力传递新旧混凝土接缝的位置，同时设置响应和止水措施和抗渗措施。设计两墙合一结构中一般应用现浇地下连续墙结构，施工质量经常出现不稳定因素，会对墙体结构受力性能和抗渗性造成影响。
（二）水平构件相结合
主体结构水平构件围护强形变小、支撑刚度大，可以当作内支撑，适合应用在逆作施工中。内支撑系统如果是地下室结构楼板，此时框架梁施工体系为无梁楼盖板和梁板体系。实际操作中因为需要分析向下挖土的工程，应该在结构楼板上对两种结构都设置相应的出土口，前两种均需要在结构楼板上设置一定数量的出土口，无梁楼盖板结构可以更加方便地进行挖土，但是因为属于二次楼板施工项目，板梁接缝处的位置应该设置一定的止水措施。内支撑若是地下结构水平构件，应该合理计算正常使用和不同承载能力情况下的极限状态，同时也切实满足使用期限和施工周期的需求。当结构梁板被当作临时施工栈桥或者平台的时候，设计构件中应分析动力荷载。计算楼板预留孔位置的变形和应力，并且设置孔口边梁。施工中连接地下连续墙和地下结构水平构件的过程中保障满足主体结构变形以及受力的实际需求，依据连接刚性需求设计构造，结构中都设置止水构造。
（三）竖向构件相结合
当支撑系统和主体结构水平构件结合的时候，利用结合主体结构工程的立柱桩保护临时立柱来处理立柱桩与竖向立柱。如果施工中应用临时立柱，完成地下室结构项目以后需要及时拆除临时立柱，同时托换主体结构柱。若施工中应用主体结构结合柱的时候，实际操作中合理使用H型钢柱、角钢格构柱等。在完成基础底板结构以后依据浇筑外包混凝土的方式处理形成H型钢柱或者角钢格构柱，板上一般需要预留浇筑孔，立柱桩正常使用的时候，能够对混凝土和劲性构件进行共同作用。
二、深基坑支护结构与主体结构相结合设计的分析方法
（一）工程实用分析法
工程实用分析法实际上就是对分离水平支撑体系和围护结构进行分析。可以使用连续介质平面有限元分析法处理围护结构，也可以使用平面竖向弹性地基梁分析法处理围护结构。国内理正基坑支护软件、理正基坑支护软件等平面竖向弹性地基梁分析方式。现阶段经常使用ABAQUS、ADINA、PLAXIS等连续介质平面有限元分析方法。水平支撑类型为周边地下联系强两墙合一结构支撑形式，空间杆系模型方式分析临时水平支撑，此时可以合理应用启明星软件。主体结构和支护结构向结合的方式被临时周边维护体结构方式取代，考虑梁板作用模型的方式来分析主体结构支撑水平依稀，此时可以合理应用ABAQUS、ANSYS等大型有限元分析软件。
（二）竖向支撑、水平支撑、维护结构一起作用的三维m法
支护结构作为这种方式的主要分析目标，依据支护结构为中心构建三维有限元模型，这种模型结构包括土弹簧单元、竖向支撑系统、维护结构以及水平支撑系统。如果依据临时水平支撑进行分析，此时利用梁单元来模拟体系梁结构；主结构梁板为水平支撑结构的时候，分析水平支撑构件中可以应用板单元和梁单元，同时也需要充分分析板和梁的共同作用。立柱桩和立柱为竖向支撑体系的关键结构形式，模拟中应用梁单元。弹簧单元来对坑底以下土体进行模拟，大型有限元软件对支护结构和分层开挖土体的方式进行模拟，荷载来对坑外土体进行模拟，以便于可以合理分析支护结构的变形和内力。
（三）结构和同作用方式下的三维有限元方法
深基坑中结合主体地下结构和支护结构的方式具备十分复杂的支撑结构，开挖土体的时候属于结构和土一起作用的三维问题，如果此时只是应用平面分析方式不能完全展现基坑三维形变的情况，同时也不能体现建筑支撑结构变形和受力规律。所以需要应用三维有限元分析方式来处理上述问题。三维有限元分析中包括以下模拟方式为三维四面体单元、三维六面体单元。利用板待援对支撑楼板和围护结构进行模拟，依据梁单元来对梁支撑和立柱进行模拟。三维有限元方式分析过程中主要有支护结构和土体结构，同时也应该着重阐述结构和土体对于建筑的共同作用，依据施工实际情况来对施工过程中进行模拟，以便于获得建筑结构的变形和内力。
结语
综上所述，近年来随着建筑事业的高速发展，越来越多地开始使用主体结构和支护结构相结合的建筑结构，并且成为基坑技术发展的主要趋势。因此上述主要研究了主体结构和支护结构相合形式的设计方法和分析方式，分析中提出了3种主体结构和支护结构相结合的构件形式，为竖向支撑结构体系、水平构件结构体系、墙体结合。依据上述三种主体结构和支护结构结合的形式，提出了几种分析主体结构和支护结构框架体系的综合技术，主要包括基于规范维护结构、工程实用分析法、结构和同作用的有限元分析法以及三维m分析法。这种基坑支护结构在工程领域已经得到一定成果，可以全面提升建筑单位的社会效益和经济效益。
参考文献
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关键词：机械类专业；毕业设计；民族班；改革
毕业设计是学生在校学习期间最后一个实践性教学环节，是学生学习、研究与实践成果的全面总结，是学生综合素质与工程能力培养的全面检验。其主要目的是培养学生综合应用所学知识和技能解决工程实际问题的能力，进行创造性工作的基本训练，培养学生独立工作和团队协作能力，是对学生学习成果的一次全面考验。新疆是个多民族地区，少数民族的基础教育比较薄弱，考入新疆大学的多数少数民族学生均来自边缘地区。虽然在四年的学习过程中，严格地按照教学大纲和教学计划完成教学内容，但是由于学生本身基础较差、汉语接受能力有限，大部分学生对于系统性、实践性较强的专业课程很难全部理解透彻，使学生在学习中总处于被动状态。为加大民族班教学改革的力度，提高教学质量，在以往实践性教学环节中所积累的经验的基础上，通过采取有效的改革措施，取得了较好的成果。
一、设计手段
机械制图是机械工程专业最基本的工具，是表达设计思路和设计方案的语言。以往我们都是采用手工绘图，其缺点是：绘图速度慢、出错率高、不易修改、图面质量差。国家早就规定要甩掉图板，利用计算机二维绘图解决以上问题，但其设计思路仍然建立在手工绘图的基础上。机电产品的配合性和可装配性是设计人员容易出现错误的地方，以往要到产品最后装配时才能发现，导致零件的报废和工期的延误，造成巨大的经济损失和信誉损失。采用3D平台下的计算机辅助装配技术可以在设计阶段就进行验证，确保设计的正确性，避免损失。三维设计方法与人的思维方式比较接近，较为直观，可以大大地提高设计速度，并且可以进行装配干涉检验、机构运动仿真及有限元计算、优化设计等。尤其对于空间想象力不高的学生来说，更是一种比较理想的设计方法。此外，三维设计后可以立即转化为二维（平面）图形，因此从三维到二维的整个过程不一定比直接画二维图要慢。我们从2000年（95级民族班）起，要求学生在毕业设计过程中尽量采用计算机绘图，并在答辩中采用多媒体答辩，这在当时全校民、汉班级中是比较少见的。直到2004年，采用三维设计已经较普遍，这方面已经达到了内地同类大学的水平。
二、设计题目
选题是否合适，其难易程度直接决定学生毕业设计的质量。我们在近几年的毕业设计选题上，淘汰了以前过时的老题目，而尽量选择指导教师的科研课题和当前的生产实际相结合的题目，充分体现教学与科研、生产实际相结合的原则，培养学生综合应用所学知识和技能解决工程实际问题的能力。如2001年机械制图96-2班两名学生参加了由指导教师主持的横向课题“数控塑料切粘机的研制”，并以之作为毕业设计题目，完成了产品的设计、零件的加工到整机的调试全过程，获得了难得的实践经验，并完成了整机的CAD绘图工作。长期以来，机械强度分析与计算一直沿用材料力学、理论力学和弹性力学所提供的公式来进行。由于在计算过程中有许多的简化条件，因而计算精度较低；在设计中，为了保证设备或构件的安全可靠性，常采用加大安全系数的方法，结果使结构尺寸加大，浪费材料，有时还会造成结构性能的降低。有限元分析技术是最重要的工程分析技术之一，它广泛应用于弹塑性力学、断裂力学、流体力学、热传导等领域。有限元法在产品结构设计中的应用，使机电产品设计产生革命性的变化，理论设计代替了经验类比设计。以前由于其理论性较强，有限元法仅仅用在硕士论文中，但从2002年起，在本科班中尝试应用有限元强度分析作为毕业论文题目。同时，由于我们所用的有限元分析软件在Linux平台上运行，所以学生必须掌握Linux操作系统，使学生在计算机方面也有了全方面的提高。
三、创新实践
近几年，我们在学生当中广泛进行了课外学术活动和机械创新设计实践，并把这些内容与学生的毕业设计相结合，获得了可喜的成绩。依布拉音、西克热木等学生完成的“油罐车注油自动控制系统”项目在西北地区比赛中获得一等奖，全国大赛中获得三等奖。努尔比亚等学生完成的“上下楼梯搬运机器人”项目在西北地区比赛中获得一等奖，全国大赛中获得三等奖。通过这些设计大赛及几年的教学改革实践，学生不仅从设计中得到了锻炼，学到了设计技能，而且在做设计时的动手机会多了，培养了他们科学的思维方法与创新能力，加深了学生对机械制造专业的认识，促进了课程设计、毕业设计质量的提高。要实现教育改革和建设的目标，关键是教师，教师不但要有高度的敬业精神和教学责任心，还要有较高的教学业务素质。为使青年教师提高工程素质，增加实践经验，鼓励青年教师积极参与实际科研工作和实验室建设，并对青年教师制定了严格的培养计划。教师梯队建设及青年教师培养有了明确的规划，结合课程建设，个人业务素质提高较快。
四、结论
