【正文】 其有限元網(wǎng)格劃分如圖 所示。 (1) 力學(xué)模型建立及網(wǎng)格劃分 先前的參數(shù)化設(shè)計(jì)的 H型鋼三維實(shí)體，修改為，就得到橫梁三維實(shí)體， 設(shè)置材料為鋼， 泊松比 ， 彈性模量 為 1011Pa， 如圖所示 。 四層升降橫移式立體車庫鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析 40 圖 H型鋼三維實(shí)體圖 單根 橫梁有限 元 分析 根據(jù)前面我們對(duì)立體車庫鋼結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)和 力學(xué)分析，我們可以將車庫各部 件受力情況反應(yīng)到車庫數(shù)學(xué)模型中，并進(jìn)行校核優(yōu)化，下面我們先從單根 橫 粱開始分析。 參數(shù)化建模的具體步驟： （ 1） 選擇 start mechanical design part design 進(jìn)入零件設(shè)計(jì)工作臺(tái) （ 2） 選擇草圖工具，進(jìn)入草圖，畫出 H型鋼截面 草圖 并給定初步尺寸 圖 型鋼截面草圖 （ 3） 進(jìn)入知識(shí)工程 設(shè)置參數(shù) （ H—高度； B—寬度； t1—腹板厚度； t2—翼緣厚度 ； r—圓角半徑 ； l— 長(zhǎng)度） （ 4） 給設(shè)置的參數(shù)初步賦值并關(guān)聯(lián)尺寸 （ 5） 完成。 H型鋼屬于標(biāo)準(zhǔn)件， 在草圖中建立型吉林建筑大學(xué) 39 鋼截面草圖， 利用 CATIA 知識(shí)庫中的公式 將 H 型鋼 的重要基本參數(shù)（ H—高度；B—寬度； t1—腹板厚度； t2—翼緣厚度 ； r—圓角半徑 ）參數(shù)化表示，利用 CATIA的規(guī)則庫 fog建立關(guān)于參數(shù)方程。在劃分網(wǎng)格之前必須做好定義單元類型、單元實(shí)常數(shù)、材料屬性以及控制好網(wǎng)格的密度，然后生成分析所需的合理網(wǎng)格單元。節(jié)點(diǎn)的自由度個(gè)數(shù)與所求解的物理模型有關(guān)，單元分為點(diǎn)單元、線單元、面單元和體單元。有限元模型主要要素有節(jié)點(diǎn)、單元、實(shí)常數(shù)、材料的屬性、邊界條件和荷載。本文的鋼結(jié)構(gòu)材料采用全是 H 型鋼材，用 CATIA 參數(shù)化建模可以方便迅速的生成各種尺寸規(guī)格的型材，方便簡(jiǎn)介，省去了再次建模的時(shí)間。實(shí)體建立完成后，使用其 Generative Structural Analysis 模塊進(jìn)行有限元分析，操作簡(jiǎn)便， 非常 適合初學(xué)者。 立體車庫結(jié)構(gòu) 靜 態(tài) 分析 本文采用的是基于 CATIA 軟件建模并進(jìn)行分析。 上述（ 1） ~（ 3）過程是有限元分析預(yù)（前）處理； （ 4）是計(jì)算過程； （ 5）、（ 6）是有限元后處理。由于后兩個(gè)階段采用批處理方式和單純的輸出格式，人工干 預(yù)較少，所以，重要的工作主要在于建立模型、確定節(jié)點(diǎn)數(shù)、劃分網(wǎng)格和加載。 求解器的主要功能是對(duì)有限元模型形成的整體方程組進(jìn)行計(jì)算和分析，包括帶寬優(yōu)化、方程組求解方法的選取、確定收斂判據(jù)等。 圖 前處理器的主要功能是形成并提交求解器能識(shí)別的有限元模型數(shù)據(jù)文件，包括數(shù)據(jù)文件的輸入、輸出功能、自動(dòng)網(wǎng)格劃分功能、生成幾何圖形功能和圖形 顯 示及輸出功能。只有對(duì)特別復(fù)雜的曲面模型，有時(shí)候?yàn)榱说玫侥硞€(gè)區(qū)域的精確計(jì)算結(jié)果，才手動(dòng)對(duì)局部網(wǎng)格進(jìn)行劃分。作 在實(shí)際工作中，使用 CATIA 可以方便地計(jì)算出結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和應(yīng)力集中情況。對(duì)于新的設(shè)計(jì)模型，設(shè)計(jì)者可以方便地了解結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況，隨時(shí)修改結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)完成產(chǎn)品后，對(duì)于產(chǎn)品能否滿足強(qiáng)度要求 ，能否滿足各種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求，就需要對(duì)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行應(yīng)力和應(yīng)變分析。 機(jī)械設(shè)計(jì)只是軟件功能的一部分。 CATIAV5 基于 Windows 的操作界面非常友好，使得復(fù)雜的設(shè)計(jì)工作變得簡(jiǎn)單，枯燥的工作變得愉快。開始之初，受計(jì)算機(jī)硬件的 限制， CATIA V4版本是工作站版本，運(yùn)行在 UNIX系統(tǒng)下面，隨著計(jì)算機(jī)硬件的飛速發(fā)展， CATIA推出了運(yùn)行在個(gè)人計(jì)算機(jī) (PC)上的版本 CATIAV5。 CATIA 有限 元 分析 特點(diǎn) CATIA 的新產(chǎn)品的開發(fā)非常的迅速。在機(jī)械設(shè)計(jì)模塊中，有專門的航空鈑金件設(shè)計(jì)模塊；強(qiáng)大的曲面造型能力是 CATIA 尤為值得稱道的地方，該模塊中有專門針對(duì)汽車設(shè)計(jì)的模塊。 CATIA 已經(jīng)逐漸成為國(guó)內(nèi)外大學(xué)院校相關(guān)專業(yè)學(xué)生必修的專業(yè)課，也成為工程技術(shù)人員必備的技能。在國(guó)內(nèi)，幾乎所有的航空 X： f、半數(shù)以上的汽車廠商都在使用 CATIA，哈爾濱四層升降橫移式立體車庫鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析 36 飛機(jī)制造公司用 CATIA 來設(shè)計(jì) ECl20 直升機(jī)，從造型到數(shù)控程編，實(shí)現(xiàn)超精加工。索尼公司利用 CATIA軟件完成了 1700 萬件零件的制造。法國(guó)的幻影 2020 系列戰(zhàn)斗機(jī)就是使用 CATIA 進(jìn)行設(shè)計(jì)的一個(gè)典范，而波音 777 客機(jī)使用 CATIA 完成無圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，更造就了 CAD 領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)神話。 CATIA 大量用于航空航天、汽車及摩托車行業(yè)、機(jī)械、電子、家電與 3C產(chǎn)業(yè)、 NC加工等各方面。它的內(nèi)容涵蓋了產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)、三維建模、分析計(jì)算、動(dòng)態(tài)模擬與仿真、工程圖的生成到生產(chǎn)加工成產(chǎn)品的全過程，其中還包括了大量的電纜和管道布線、各種模具設(shè)計(jì)與分析、人機(jī)交換等實(shí)用模塊。有網(wǎng)格圖、結(jié)構(gòu)變形圖、等值線圖、主應(yīng)力矢量圖以及結(jié)構(gòu)載荷圖、約束標(biāo)記圖等。有限元后處理是有限元分析過程的校核和輸出結(jié)果的加工階段，為了避免打印輸出大量的數(shù)據(jù)表格，將輸出結(jié)果轉(zhuǎn)化為直觀的圖形描述，通過圖形的靜、動(dòng)態(tài)特性顯示或繪制，有效地檢查、校核和輸出分析結(jié)果。一般情況下，需要對(duì)結(jié)構(gòu)或者 構(gòu)件通過某～種能量變分原理來建立平衡方程、邊界條件以及初始條件。選定離散結(jié)構(gòu)所用的單元之后，要對(duì)典型單元進(jìn)行特性分析，分析時(shí)首先就要對(duì)單元假設(shè)一個(gè)位移插值函數(shù)，或者稱之為選擇一個(gè)位移模式，位移模式選定后，就可以通過節(jié)點(diǎn)的位移得到該節(jié)點(diǎn)所在的單元體內(nèi)任意一點(diǎn)的位移。 有限元結(jié)構(gòu)的離散化 離散化就是將分析的結(jié)構(gòu)分割成為有限個(gè)單元體，使相鄰單元體僅在節(jié)點(diǎn)處相連接，而以此單元的結(jié)合體去代替原 來的結(jié)構(gòu)。絕大多數(shù)的通用有 限 元程序正是采用了位移法，采用位移公式來求解結(jié)構(gòu) 問題。力法概念清楚，但基本結(jié)構(gòu)多種多樣，求得內(nèi)力后再計(jì)算位移比較費(fèi)事；而位移法的基本結(jié)構(gòu)具有標(biāo)準(zhǔn)化、典型化的特點(diǎn)，求得位移后再計(jì)算內(nèi)力也很有規(guī)律。第二種方法叫做位移 法或剛度法，假定節(jié)點(diǎn)位移作為問題的未知量，然后用平衡方程和力與位移的關(guān)系，借助位移表達(dá)這些協(xié)調(diào)控制方程。要得到控制方程，首先要使用平衡方程，然后引進(jìn)協(xié)調(diào)方程四層升降橫移式立體車庫鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析 34 找出必要的附方程。 有限元分析一般基本步驟 有兩種通常與有限元方法相關(guān)的方法。由于有限元分析算法精度高，適應(yīng)性強(qiáng)，計(jì)算格式規(guī)范統(tǒng)一，有限元算法已經(jīng)稱為工程設(shè)計(jì)中不可缺少的一種重要方法，在大型工程中扮演越來越重要的角色。數(shù)值解法分為兩大類：有限差分方法和有限元方法。 在許多實(shí)際工程問題中，人們很難得到它的精確解，這要?dú)w因于微分方程組的復(fù)雜性，以及難以確定的邊界條件和初值條件。 7. 可包括動(dòng)態(tài)作用。 4. 可以處理數(shù)量不受限制的和各種類型的邊界條件。 2. 可以毫無困難地處理一般的荷載條件。 有 限元方法已應(yīng)用于大量實(shí)際問題中，這種方法有很多的優(yōu)點(diǎn)，因而變得十分普遍。 吉林建筑大學(xué) 33 第五章 基于 CATIA 的立體車庫鋼結(jié)構(gòu)分析 有限元分析概述 有限元方法 (Finite ElementAnalysis， FEA)是用于求解工程中各類問題的數(shù)值方法。 螺栓桿與孔壁擠壓面最小高度 ，初選。因此在對(duì)于要求結(jié)構(gòu)有較好延性的抗震設(shè)計(jì)和按塑性設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，其拼接連接節(jié) 點(diǎn)應(yīng)按板件截面面積的等強(qiáng)度條件進(jìn)行設(shè)計(jì)。梁的拼接連接節(jié)點(diǎn)，一般應(yīng)設(shè)在內(nèi)力較小的位置。因此，梁通常是按其承受的彎矩和剪力進(jìn)行拼接連接設(shè)計(jì)的。 圖 支撐座與與縱梁 由于此處的螺栓連接承受的剪力和彎矩很小，所以不對(duì)螺栓的強(qiáng)度進(jìn) 行校核。材料均為 Q235鋼，考慮到兩者之間的受力特點(diǎn)，螺栓采用與木材相適應(yīng)的普通螺栓。 ○ 4 b 點(diǎn)折算應(yīng)力： 顯然 ，滿足條件。 ○ 3 剪應(yīng)力 。b點(diǎn)承受最大壓應(yīng)力為： 滿足條件。 查表得： E43XX 型焊條的手工焊焊接厚度小于 16mm 的 Q235 鋼，焊角焊縫對(duì)接焊縫時(shí)，焊縫的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 、抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為、抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為 。承受集中載荷 F 的作用，計(jì)算時(shí)將 F簡(jiǎn)化到焊縫計(jì)算截面得到剪力 ，彎矩 。 四層升降橫移式立體車庫鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析 28 圖 懸伸支承托座結(jié)構(gòu)圖 ， ， ， ， ， (2)連接計(jì)算 懸伸支撐托座由翼緣的水平對(duì)接與角接組合焊縫和腹板的豎直對(duì)接和角接組合焊縫與搭接板相連。材料為 Q235 碳素鋼，焊條型號(hào)為 E43XX，采用手工焊，不用引弧板，焊縫質(zhì)量為三級(jí)。 ⑹ 折算應(yīng)力： 豎向焊縫兩端點(diǎn)處，由彎矩引起的應(yīng)力為： 豎向焊縫兩端點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)滿足 因此滿足要求。 顯然， ，滿足條件。查表得 E43XX 型焊條的手工焊焊接厚度小于 16mm 的 Q235 鋼，焊角焊縫為角焊縫時(shí)，抗拉、抗壓、抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值均為 。 搭接板與柱的焊接連接設(shè)計(jì) (1)設(shè)計(jì)條件 搭接板與柱的材料均為 Q235 鋼，焊條型號(hào)為 E43XX 型，采用角焊縫手工焊接，焊縫質(zhì)量為三級(jí)。 角焊縫的最小焊角尺寸： 式中： —— 焊件的最厚板厚 角焊縫的最大焊角尺寸： 式中： —— 焊件的最薄板厚 選擇角焊縫的焊角尺寸應(yīng)滿足： 吉林建筑大學(xué) 25 取 對(duì)于直角角焊縫的 計(jì)算 厚度 二、 搭接板 1 與搭接板 2 的螺栓連接設(shè)計(jì) 為了保證連接強(qiáng) 度和可靠性，搭接板 1 與搭接板 2 之間的連接采用四個(gè)M16的高強(qiáng)度摩擦型螺栓連接。 圖 橫梁與立柱的連接節(jié)點(diǎn)示意圖 四層升降橫移式立體車庫鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析 24 設(shè)計(jì)計(jì)算 一、 柱與搭接板的焊縫計(jì)算 柱與連接板 1的連接采用全角施焊的角焊縫連接連接，轉(zhuǎn)角處連續(xù)施焊，沒有起弧和落弧所引起的焊角缺陷。焊條型號(hào)為 E43XX，所有焊接采用角焊手工焊接，焊接質(zhì)量為三級(jí)。根據(jù)立柱與橫梁的尺寸確定搭接板的尺寸為b 。橫梁與搭接板 1 通過角焊縫連接， 搭接板 2與柱同樣通過角焊縫連接，搭接板 1與搭接板 2 用高強(qiáng)度螺栓連接。 承壓型高強(qiáng)度螺栓連接： 靠孔壁承壓和栓桿受剪，與普通的螺栓相似，其連接多為螺紋連接和絞制孔用螺栓連接。 吉林建筑大學(xué) 23 摩擦型高強(qiáng)度螺栓連接： 摩擦型高強(qiáng)度螺栓連接完全依靠被連接的構(gòu)件間的摩擦阻力來傳力，完全不靠孔壁承壓和栓桿受剪。 二 .螺栓連接 要求 ： 在立體車庫的鋼結(jié)構(gòu)中 高強(qiáng)度螺栓連接 是主連接中常用的連接形式。 （ 5） 在直接承受動(dòng)力載荷的結(jié)構(gòu)中，角焊縫表面應(yīng)做成直線形或凹形。 （ 4） 當(dāng)采用不焊透的對(duì)接焊縫時(shí)，應(yīng)在設(shè)計(jì)圖中注明坡口的形式和尺寸，其有效厚度 不得小 。 （ 2） 在設(shè)計(jì)中，不得任意加大焊縫，避免焊縫立體交叉 和在一處集中大量焊縫， 同時(shí)，焊縫的布置應(yīng)盡可能對(duì)稱于構(gòu)件的重心。 四層升降橫移式立體車庫鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析 22 第四章 連接設(shè)計(jì) 要求 鋼結(jié)構(gòu)的連接方法 鋼結(jié)構(gòu)的連接方法由焊接、普通螺栓連接、高強(qiáng)度連接和鉚接。 縱梁設(shè)計(jì) 與校核 縱梁在結(jié)構(gòu)中的作用是連接和固定托架橫梁，保證整個(gè)托架的整體性和必要的剛度和強(qiáng)度。 2 整體穩(wěn)定性計(jì)算 由《鋼結(jié)構(gòu)使用設(shè)計(jì)手冊(cè)》中關(guān)于實(shí)腹式單向壓彎構(gòu)件彎矩作用平面內(nèi)的整體穩(wěn)定性計(jì)算公式為： 式中： N—— 所計(jì)算構(gòu)件段范圍內(nèi)的軸心壓力； —— 所計(jì)算構(gòu)件段范圍內(nèi)的最大彎矩； —— 歐拉臨界應(yīng)力， ； —— 彎矩作用平面內(nèi)的軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)； —— 與 W 相應(yīng)的截面塑性發(fā)展系數(shù)； —— 計(jì)算彎矩作用平面內(nèi)穩(wěn)定性時(shí)的等效彎矩系數(shù)。 ⑴ 實(shí)軸方向強(qiáng)度驗(yàn)算： 因此， 滿足條件。 二、載荷計(jì)算 吉林建筑大學(xué) 19 圖 及彎矩 簡(jiǎn)圖 載荷設(shè)計(jì)值 梁上軸向壓力設(shè)計(jì)值 式中： K—— 鏈條長(zhǎng)期受拉力作用產(chǎn)生軸向力系數(shù)值 經(jīng) 分析產(chǎn)生 最大彎矩 位置為受力處。即 橫梁同時(shí)承受著彎矩和軸向壓 力，屬于壓彎構(gòu)件。因?yàn)檐堉菩弯摵透拱逡话愣驾^厚，都能滿足局部穩(wěn)定要求。 柱的自重設(shè)計(jì)值 式中： —— 立柱的線密度； a—— 考慮焊材、柱頭和助教等鋼材的重量后立柱自重增加系數(shù)。由《 起重 機(jī) 鋼結(jié)構(gòu)》附表 41 和 42查得繞截面強(qiáng)軸和弱軸的截面穩(wěn)定系 數(shù) 和 ，取最大值。 2 初選截面 已知立柱長(zhǎng)度 ， 查表得：柱的實(shí)軸為 a類截面，虛軸為 b類截面。 1 載荷計(jì)算：已知單位長(zhǎng)度梁的自重設(shè)計(jì)值 ； 為一個(gè)車位的寬 。 二、柱的計(jì)算 立柱為等截面立柱，受壓靜力。柱承受的主要載荷是軸心壓力，還有少量的彎矩載荷 ，因此對(duì)柱的截面形式選擇可按照軸心受力構(gòu) 件的截面形式進(jìn)行選擇。選擇 Q235 鋼 即 可滿