桁架挠度和强度理论计算分析

2025-09-29 历史故事版权反馈

【摘要】：下面就使用ANSYS桁架有限元分析方法，对扶梯桁架进行挠度和强度分析的过程加以简要介绍。分析前简化模型的建立，可以由专门的桁架有限元分析接口软件完成。

传统的计算方法是应用克列毛纳应力图（Cremona′s force diagram）进行计算，也称作图法。此方法根据桁架图和已知载荷作用力的多边形受力图，读取各部分材料上所承受的载荷，除以各部分材料的截面积即可得到相应的拉伸应力（或压缩应力）。由于采用这种方法需要将空间桁架结构简化为平面桁架结构，所以作图有误差，因而计算结果往往不甚准确。该方法分析过程较为烦琐，工作量大，只可以计算桁架强度，无法计算桁架挠度。而随着电算技术及有限元分析理论的发展及广泛应用，现在有许多辅助分析软件甚至针对自动扶梯桁架计算的二次开发软件，广泛应用于自动扶梯桁架等相关部件的设计当中，比如AutoCAD、PRO/E、SolidWorks、ANSYS等。

下面就使用ANSYS桁架有限元分析方法，对扶梯桁架进行挠度和强度分析的过程加以简要介绍。

1.总体模型设计

分析前先建立简化模型，如图2-2-1和图2-2-2所示。分析前简化模型的建立，可以由专门的桁架有限元分析接口软件完成。

图2-2-1 桁架计算总体模型设计

对于特殊结构的桁架，需要对相关构件进行等效简化。如双桁架结构，可以按照以下方式进行简化处理。

1）有加强板的主弦材由T型钢单元替代，焊接加强板采用增大边长方式表示，如图2-2-3所示。

2）双槽钢纵梁可简化成工字钢单元替代，如图2-2-4所示。

图2-2-2 ANSYS桁架有限元模型示意图

图2-2-3 弦材及其加强板简化示意图

a）实际结构 b）简化结构

图2-2-4 双槽钢纵梁的简化示意图

a）实际结构 b）简化结构

3）双角钢斜材可由T型钢单元代替，如图2-2-5所示。

2.材料参数及边界条件设置

（1）材料参数由于桁架常用材料为碳钢类材料，因此相关材料参数可从机械设计手册中查询，表2-2-1为牌号Q235A钢的相关参数。

图2-2-5 双角钢斜材的简化示意图

a）实际结构 b）简化结构

表2-2-1 Q235A钢参数表(https://www.chuimin.cn)

（2）约束处理自动扶梯是由楼层/井道支承梁（柱）进行支撑的，并且该支承梁（柱）通常有钢筋或钢梁等加强，其强度根据自动扶梯支承部的支反力设计，在分析自动扶梯桁架强度时，将这些支承视为刚性部件处理。因此，仅需根据自动扶梯实际约束情况设置即可，通常为水平方向和向下方向自由度被约束。另须指出的是，自动扶梯如有中间支承时，也需对中间支承位置设置相应约束。图2-2-6是约束及加载示意图。

图2-2-6 约束及加载示意图

（3）载荷处理根据GB 16899—2011的规定，自动扶梯支撑结构设计所依据的载荷是：自动扶梯的自重加上5000N/m²的载荷。因此，在载荷处理时，乘客等外力载荷需根据自动扶梯投影面积大小按照5000N/m²标准进行加载，而自动扶梯的自重需要根据实际进行处理。除了自动扶梯本身的部件如桁架、导轨、扶手带驱动、主驱动、栏杆及控制系统等之外，还必须考虑外加装饰板的重量，在客户要求特殊装饰时，需要充分考虑该装饰部件引起的变化。

3.结果分析与处理

ANSYS桁架有限元分析的输出结果包括位移、应力、应变、支承位置最大支反力等，较常用的有位移图以及应力图，分别如图2-2-7和图2-2-8所示。从结果可以清晰看出桁架位移以及应力出现的最大区域及数值等。