基于ABAQUS的空间桁架有限元分析

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基于ABAQUS的空间桁架有限元分析

作者/李嘉恒，平顶山一中

摘要：空间桁架结构是一种格构化的梁式结构，广泛应用在各行各业，其刚度以及固有频率对于桁架结构设计及优化具有重要意义。本文 基于ABAQUS这一有限元分析软件，针对特定的空间桁架结构进行了三维模型的建立、刚度分析以及模态分析，得到空间桁架在外部载荷 作用下的应变和位移以及前五阶固有频率，对于后续优化改进以及类似桁架结构的分析具有重要指导意义。

关键词：桁架；有限元；ABAQUS;刚度分析；模态分析

引言

随着社会的发展和科技的进步，人们需要进行越来越复 杂的科学研究。在进行实际工程设计工作时，有限元分析是 进行理论计算分析的极为重要的方法之_[1]。在三国时期，刘徽用“割圆术”计算圆周率，用圆内接正多边形的周长来 逼近圆周长，内切多边形的边数越多所求得的T T值越精确。这其实就是一种有限元分析的思想，“化整为0,积0为整”是对有限元方法形象而不失准确的概括。有限元分析主要应 用在结构分析、热分析、电磁分析、流体分析、耦合场分析 等方面[2]。

从二十世纪六十年代中期以来，针对有限元分析，各国 科学家进行了大量的理论研究，得到了很多显著成果，还拓 展了有限元分析方法的应用领域；但是纯粹的理论研究成果 只有专门研究有限元的人才能够懂得及使用，使用门槛很 高；但在航空、土木工程、机械制造等等实际工程应用中又 大量的需要运用有限元分析方法，由此便开发出了许多通用 或专用的有限元分析软件，以降低普通工程师将有限元分析 方法应用到实际工程中的门槛P]。常用大型通用有限元软件 有 ADINA、ABAQUS、ANSYS、MSC/Marc、MSC/Nastran 等，有限元分析软件的发展和普及大大提高了科学研究以及 工程设计的效率。

本文针对一种典型的桁架结构，利用有限元分析软件 ABAQUS进行有限元分析。首先建立了空间桁架结构的有 限元模型，并进行了刚度分析以及模态分析，并得到了前五 阶固有频率。

1.空间桁架模型的建立

在进行有限元分析前，首先需要建立分析对象的模型。在模型树的Model-Parts上右键单击，选择Create，参数设置为 Modeling Space:3D，Type:Deformable, Shape:Solid,Type:Extrusion,进行各部件模型的建立。该衍架结构的底板为厚12mm，长1200mm，宽600mm 的薄板，在底板上分布有四个长300mm、宽150m m的长 方形贯穿孔，如图1 (a)所示；组成桁架的各方管截面_ 样，均为边长为20m m的正方形，内有边长为12m m的方孔，三根长竖杆长600mm，三根短竖杆长500mm，八 根长横杆长530mm，六根短横杆460mm，_根方挂杆长 100mm;_根圆柱挂杆截面为直径20m m的圆，内有直径 为14.3m m的圆孔，长100m m;各方杆及挂杆如图1 (b)所示。在建立各个部件模型的时候，顺带也创建了各个面以 及集合，便于后续进行选取操作。

接下来进行装配，将创建好的各个部件组装为一个装配 体，E卩为所分析的空间桁架结构。进人Assembly模块，将 零部件实例化，通过移动，旋转，装配约束等方法进行装配。底板作为装配基准，长竖杆、短竖杆与底板垂直放置，底面 安放于底板上；长横杆、短横杆与底板平行，与竖杆垂直放 置，两端面与对应竖杆侧面重合接触；方挂杆和圆柱挂柱分 别位于两侧的长竖杆上端侧面，其底面与长竖杆侧面重合接 触；装配好的空间桁架如图1 (c)所示。

通过Assembly模块中对零部件的移动旋转，已经将各 个零部件安放到指定的位置，但是此时各个零部件之间还没 有任何关联，仍是独立的零部件，需要在各零部件之间添加 约束关系。进入约束模块，定义各零部件之间的约束，用 T ie约束定义各杆件之间的焊接关系，即定义各个杆件的接 触面之间是通过焊接方式连接起来的。在定义约束时要注意 选择刚度大的为主面、刚度小的为从面，并且从面的网格比 主面网格密集，以免后续计算出现错误。另外，在定义Tie 约束时，可以_个_个的选取主面和从面添加T ie约束，也 可以进行自动配对搜索，即自动搜索接触的面，再将搜索到 的面添加T ie约束。

建立零部件模型以及完成装配后进行网格的划分。针对 每一个零部件，首先进行分区，将不能剖分的零部件划分成 一个个可以剖分的部分，分区后几何体颜色变化，绿色最好, 黄色次之（勉强可剖分网格），红色不可剖分；接下来使用 Size(尺寸）进行布种，然后用边界修改局部种子大小，最 后对零件剖分网格。底板全局种子大小为10,厚度方向种 子大小为4;各杆全局种子大小为1.5,长度方向种子大小 为6。由此完成了各零部件网格的划分。

通过以上创建部件模型、进行装配、添加各零部件之间 的约束关系以及进行网格的划分，完成了空间桁架结构三维

48I电子制作2017年9月