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摘要：针对某施工设备的实际情况，采用SolidWorks软件对其桁架结构进行三维建模，然后利用SolidWorks Simulation进行有限元静力学分析，获得桁架结构的应力、应变、位移和安全系数分布图，从而验证了该桁架结构满足施工要求，也为后期的结构优化设计提供参考。
关键词：SolidWorks；桁架结构；Simulation；静力学分析
0引言
阿尔塔什水利枢纽工程是叶尔羌河干流梯级规划中“两库十四级”的第十一个梯级，为新疆在建的最大的水利枢纽工程，具有“新疆三峡工程”之称。工程坝址距喀什地区莎车县约120km，距喀什约310km。面板堆石坝坝高164.8米，坝顶宽度12米，坝顶长795米。上游坝坡比1：1.7，下游坝坡比1：1.6。本文的研究对象为阿尔塔什水利枢纽工程大坝工程施工所用的钢筋网片运输台车，该设备主要在坡比为1：7的上游挤压边墙坡面上对大坝面板钢筋网片进行运输，工作环境恶劣，工况复杂，设备的可靠性直接关系到施工人员的生命财产。近年来，在水利水电工程中因施工设备故障导致的事故也时有发生，桁架结构作为钢筋网片运输台车的主体结构对设备的安全性和可靠性有很大的影响，故有必要对台车桁架结构进行有限元静力学分析来验证设备的可靠性和安全性。
1 有限元分析基础
有限元分析是随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一种计算方法，已经在科研、教学和工程应用中成为极为普及的数值分析方法，将它应用于工程技术中，可成为工程设计和分析的可靠工具[1]。有限元分析的力学基础是弹性力学，方程求解的原理是采用加权残值法或泛函极值原理，实现的方法是数值离散技术，技术载体是有限元分析软件[2]。当求解物体的变形时，把连续结果离散化成微小体元为研究对象，则微小体元的受力平衡方程为[3]：
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式中：
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分别是x、y、z方向的应力分量；X、Y、Z分别为作用在物体上沿x、y、z方向的单位体积力。
Simulation是SolidWorks公司推出的一套有限元分析软件，它作为嵌入式分析软件与SolidWorks实现无缝集成，运用Simulation可以用来检验和分析复杂零件和装配体的应力、应变、位移情况[4]。
2 模型建立
本文桁架结构计算模型的主体材料采用45a#工字钢，总体尺寸为：13m*6m；支腿采用40#槽钢对扣，高1.8m，与水平面成1：7坡比。对计算模型进行简化，然后用SolidWorks软件对其进行三维建模，建立好的计算模型如图1所示。
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图1 计算模型
3 有限元分析计算
打开SolidWorks软件中的 Simulation插件，建立一个新算例，对模型进行静力学分析。
3.1定义材料参数
计算模型所采用的材料均为Q235，该材料的主要属性见表1所示。
表1 Q235材料属性表
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3.2 边界条件设定
边界条件主要包括约束条件和载荷条件。边界条件的设置见下图2所示。
在“约束”选项卡中定义固定约束，选择四条支腿的下表面为固定约束。
在“载荷”选项卡中，选择力载荷类型。综合考虑计算模型设备的工况，并对计算模型受力情况进行简化，选择桁架结构下表面为载荷施加面，取最大受力150KN为均布面载荷，方向竖直向下。
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图2 边界条件设定
3.3 网格划分
单击Simulation工具栏中的“运行此算例”下拉菜单中的 “生成网格”，采用默认的二阶四面体网格对计算模型进行网格划分，划分好的模型网格节点数为127570，单元总数为62338，生成网格后的模型如图3所示。
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图3 网格生成
3.4 计算结果与分析
本文主要对计算模型的应力、应变、位移和安全系数进行了计算，计算结果如图4、图5、图6、图7所示。
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图4 应力分布图
图4为桁架结构应力分布图，由图可知：桁架结构的最大应力为151.4 MPa，并且整个桁架结构横向和纵向方向的应力分布基本对称，最大应力部位为桁架横向13m工字钢中部位置和支腿与桁架连接处，符合一般规律。
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图5 应变分布图
图5为桁架结构应变分布图，由图可知：桁架结构的最大应变为0.0002522，并且整个桁架结构横向和纵向方向的应力分布基本对称，最大应变部位为桁架横向13m工字钢中部位置和支腿与桁架连接处，符合一般规律。
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图6 位移分布图
图6为桁架结构位移分布图，由图可知：桁架结构的最大位移为5.438mm，并且整个桁架结构横向和纵向方向的位移分布基本对称，最大位移部位为桁架横向13m工字钢中部位置，符合一般规律。
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图7 安全系数分布图
图7为桁架结构安全系数分布图，由图可知：桁架结构的最小安全系数约为1.457，位于横向13m工字钢和纵向6m工字钢连接处。
4 结论
（1）针对施工设备的实际工作情况，采用SolidWorks软件对其桁架结构进行三维建模，然后利用SolidWorks Simulation进行有限元静力学分析，获得桁架结构的应力、应变、位移和安全系数分布图。分析结果显示该桁架结构的最大应力、最大应变、最大位移及安全系数均满足施工要求。
（2）相比其它有限元分析软件，用SolidWorks Simulation软件进行有限元静力学分析简单快捷，可以为结构设计提供很好的理论依据。
参考文献：
[1]曾攀.有限元分析基础教程[M].北京：北京大学出版社，2004：12-15.
[2]胡于进、王璋奇.有限元分析及应用[M].北京：清华大学出版社，2009：2-5.
[3]罗璇，杨文龙，吴富姬，赵志刚.基于Simulation的钨砂搅拌罐有限元静力学分析[J].中国钨业，2016，31（03）：74-78.
[4]陈永当，任慧娟，武欣竹.基于SolidWorks Simulation的有限元分析方法[J].CAD/CAM与制造业信息化，2011（09）：48-51.