1、第 1 页 共 （8） 页玻璃平面舞台的受力有限元分析1 工程介绍某露天大型玻璃平面舞台的钢结构如图 1 所示，每个分格（图 2 中每个最小的矩形即为一个分格）x 方向尺寸为 1m，y 方向尺寸为 1m；分格的列数（x向分格）=0 10+5+5=10，分格的行数（y 向分格） =1+4=5，列数为 10，行数为 5。钢结构的主梁为高 160 宽 100 厚 14 的方钢管；次梁为直径 60 厚 10 的圆钢管（单位为毫米） ，材料均为碳素结构钢 Q235；该结构固定支撑点位于左右两端主梁和最中间（如不是正处于 X 方向正中间，偏 X 坐标小处布置）的次梁的两端。玻璃采用四点支撑与钢结构连接（采
2、用四点支撑表明垂直作用于玻璃平面的面载荷将传递作用于玻璃所在钢结构分格四周的节点处，表现为点载荷；对在垂直于玻璃平面方向的 4 的面载荷（包括玻璃自重、钢结构自重、2KN/m活载荷（人员与演出器械载荷、风载荷等）作用下的舞台进行有限元分析（每分格面载荷对于每一支撑点的载荷可等效于 1 的点载荷） 。2 有限元分析本次建模采用 Solidworks2009 进行，有限元分析采用 workbench13.0 软件进行。问题描述：固定支撑点位于左右两端主梁和最中间的次梁的两端，共 6 个节点。而对在垂直于玻璃平面方向的 4 的面载荷（包括玻璃自重、钢结2KN/m构自重、活载荷（人员与演出器械载荷、风
3、载荷等）作用下的舞台进行有限元分析（每分格面载荷对于每一支撑点的载荷可等效于 1 的点载荷） 。共 个节点，分析时，为了更加贴近实际情况，可以将每个节点看61=成是一个直径为 70mm 的圆面。舞台 4 个角点的 4 个节点相当于受压强为，而舞台周边的 26 个节点相当于受压强为20(74)MPa0.26，舞台中间的 36 个节点相当于受压强为.6.5。4=1有限元参数的设定，最后分析：（1）该结构每个支座的支座反力；（2）该结构节点的最大位移及其所在位置；（3）对该结构中最危险单元进行强度校核。第 2 页 共 （8） 页2.1 建模采用 solidworks 进行建模，严格按照课题要求的尺寸
4、进行建模。下图 1 所示为玻璃平面舞台三维模型图，下图 2 所示玻璃平面舞台内部结构图。图 1 玻璃平面舞台三维模型图 2 玻璃平面舞台内部结构2.2 导入模型由于 Solidworks 与 Workbench 通过数据接口可以进行可以进行图形数据交换使得数据共享。建成的玻璃平面舞台结构图保存为 X_T 格式文件，在Workbench 中执行 GeometryReplace GeometryBrowse，选择将 X_T 文件导入软件 workbench 中，Geometry 中可见玻璃平面舞台的三维模型，如下图 3 所示为导入后的三维模型。第 3 页 共 （8） 页图 3 Workbench
5、中的三维模型2.3 定义材料属性由于该结构材料均为碳素结构钢 Q235，则软件中的杨氏模量设置为210GPa，泊松比设置为 0.3，如下图 4 所示。图 4 材料的属性2.4 划分网格本结构采用 Patch Conforming Method 四面体的网格， Element Size（单元的尺寸）设置为 100mm，划分后，得出节点数为 161856 单元数为 83286 如图 5所示，划分后的结果如图 6 所示。图 5 节点数和单元数第 4 页 共 （8） 页图 6 划分网格2.5 施加约束和载荷对位于左右两端主梁和最中间的次梁的两端，共 6 个节点施加 Fixed Support 约束，对
6、舞台 4 个角点的 4 个节点施加 的压强，对舞台周边的0.2MPa26 个节点施加 的压强，对舞台中间的 36 个节点施加 的压强。0.52MPa 1.04Pa结果如下图 7 所示。图 7 施加约束和载荷2.6 求解及分析点击 Solve 按钮 ，可以求解。（1）各支座反力第 5 页 共 （8） 页得出各个支座反力分别为97317N，57417N，95821N，96199N,57372N,97272N，具体大小方向如下图 8 所示。节点 1节点 2节点3节点4节点 5第 6 页 共 （8） 页节点 6图 8 各节点的支座反力（2）应变分布取 TotalDeformation，得出应变分布如下
7、图 9 所示。图 9 应变分布图第 7 页 共 （8） 页由图 9 的应变分布可知最大位移位于中间圆钢管的中点处，其最大位移为36.305mm。（3）应力分布Stress 取 Equivalent von-Mises，得出应力分布如下图 10 所示。图 10 应力分布图由图 10 应力分布可知，最大应力分布在中间圆钢管和方钢管的连接处，且最大应力为 ，而材料是碳素结构钢 Q235，其屈服极限是 ，405.67MPa 235MPa那么，该舞台的最危险的杆件（中间圆钢管）无法满足强度要求，故不安全。第 8 页 共 （8） 页3 总结本文从工程实际的角度出发，用 Solidworks 建模导入 Workbench 中，分析出了各支座的支座反力，求解出了该结构节点最大位移及所在位置，并校核了最危险的单元。
