基于Abaqus的工字梁静应力分析

1问题引出

工字型钢梁作为土木建筑中最为常见的一种钢梁结构，被广泛应用在房屋建筑、钢铁管道铺设等民用设施行业中。对于工字梁钢架结构，通常都需要对钢梁的应力及挠度进行分析，本案例通过Abaqus有限元分析软件对此材料力学的问题进行了分析，相比利用材料力学知识的理论计算，不仅结果计算准确简洁还能将结果可视化呈现，这也是本文采用Abaqus仿真分析的一大优势。

2模型建立

本案例采用的工字型钢梁的几何尺寸如图1所示，其中钢梁的材料特性如表1所示。

图1工字型钢梁的结构尺寸

表1工字型钢梁的材料特性

弹性模量E（N/m2）	泊松比μ	屈服强度fy（N/m2）
2.1E11	0.3	3.45E8

3.有限元建模分析

3.1单位制

这里不论是否使用abaqus软件，只要是使用有限元仿真程序，均需要首先明确建模分析使用的单位制，保证单位制的统一。单位制的统一根据牛顿定律（F=ma）进行相互推导确认，这里不再赘述。

3.2ABAQUS建模

启动ABAQUS/CAE，进入分析界面，依照有限元分析一般流程步骤：前处理→求解→后处理。我们通过工具栏的module模块选择part模块进行工字梁几何建模，按照图1所示的几何尺寸建立的模型如图2所示。接着在property功能模块定义工字梁的材料本构和截面属性，并将截面属性赋予相应的区域上。这里钢梁的材料本构选用理想的线性弹塑性本构，即将切变模量（塑性应变）设置为0完成材料本构设置。应当注意要设置截面的属性并给部件赋予上截面属性。这是不同于ANSYS软件分析流程的地方，ABAQUS不能把材料属性直接赋予模型，而是先定义模型的截面，将材料属性定义在截面上。之后定义装配件并设置分析步。较为重要的步骤是定义模型的载荷和边界条件，这里是通过load命令进行的，设置均布压力载荷与工字梁的上截面上完成设置，之后对工字梁的左右两端进行铰链约束，左右两端设置约束为：U1=U2=UR2=UR3=0。设置完载荷及边界条件的模型如图3所示。对模型网格的划分依然十分重要，选择mesh命令，将环境更改为part，即为部件进行网格划分，这是由于实体定义设置为了非独立实体，只能对部件进行网格划分，而不可加以装配体上实现。由于工字型钢梁相对还是比较规则，对工字梁进行简单的模型分割之后就可直接对其网格划分，设置网格大小为0.05，完成的网格划分模型图如图4所示。由于模型的工况简单，设置默认分析步后提交作业便完成求解。

图2工字梁模型

图3置完载荷及边界条件的模型图

图4模型的网格划分

4结果分析

4.1变形图显示

图5工字梁变形图

4.2Mises云图

图6 Mises云图

4.3X-Y变化曲线

4.3.1工字梁底部节点的Mises应力随时间的变化曲线

图7节点的Mises应力随时间的变化曲线

4.3.2工字梁底部节点Y方向挠度随时间变化曲线

图8节点Y方向挠度随时间变化曲线

分析：由钢梁最不利点的应力-应变关系曲线可以看出，运算到0.875左右时，应力时间关系曲线进入一个水平线，说明工字梁受力最不利的区域已经出现屈服，进入了塑性阶段。结合图8发现，此节点的挠度时间曲线可以分为AB、BC、CD三个阶段。AB表示工字梁在弹性阶段并未屈服，BC段表示由于工字梁部分进入塑性阶段导致的挠度增长加快，CD段表示工字梁整个截面进入塑性阶段导致挠度急剧变化，则也说明变形破坏过程是合理的。

5结论

本文案例仅仅分析一段工字梁结构的静力学分析与节点力学参数的导出等分析，后续可以更加贴合实际，建立更加复杂的工字梁结构以指导实际加工过程。