基於ANSYS的文物遺址防止土堆脫落支架受力分析

作者：安氏

摘要：利用UG軟體對某處土堆文物遺址現存支架建立三維實體模型，並利用ANSYS軟體對該支架進行受力分析，得到該支架的受力變形雲圖和應力雲圖，從而為某處土堆文物遺址保護提供有力的數據依據。

關鍵詞：文物遺址；支架；有限元；受力分析

0 引言

某處土堆文物遺址古迹由於年代悠久，土堆根部已經脫落，土堆頂部隨時有塌陷的可能，需用支架支撐。若支架強度或穩定性不夠，無法保證土堆頂部完好保存。本文首先利用UG軟體建立土堆支架的三維實體模型，然後導入ANSYS中進行有限元受力分析，得到該支架的受力變形雲圖和應力雲圖，為其文物保護提供有力的數據依據。

1 文物遺址土堆及支架使用的現狀

某處文物遺址土堆及防止土堆頂部塌陷所使用支架的現狀如圖1所示。該處文物遺址土堆的現實狀況是側壁部分土堆有脫落的可能性，所脫落的土堆經過測量其重量大約為60 kg～70 kg。

圖1 文物遺址土堆及防止土堆頂部塌陷所使用支架的現狀

2 支架有限元模型的建立

2.1 支架實體模型的建立

UG軟體以其參數化、全相關的特點在零部件造型方面表現突出，本文通過UG軟體建立支架模型，建立的支架實體模型如圖2所示。支架採用45#普通方鋼及圓鋼，即1號材料為150 mm×150 mm×4.5 mm，2號材料為100 mm×100 mm×4 mm，3號材料為Φ12 mm×2.5 mm，通過焊接或螺栓緊固連接而成。該支架體積大約為5.9×107 mm3，質量大約為460 kg。

2.2 支架有限元模型的建立

各類繪圖軟體雖與有限元軟體ANSYS具有數據導入、導出介面，但由於導入、導出格式的不同將關係到模型文件能否導入ANSYS軟體，以及導入後模型修補工作量的大小。UG軟體導出的文件格式有：stp、catia、igs、parasolid等，igs針對的是曲面，stp、catia、parasolid針對的是實體。本文選用parasolid格式進行模型數據的導出，很大程度上避免了導入ANSYS軟體後模型的修補工作。

由於該支架結構相對複雜，將三維實體模型導入ANSYS後採用solid187網格單元對其劃分網格，劃分網路後的支架有限元模型如圖3所示。

2.3 支架靜力分析及計算

已知支架的三根錨桿總共受到600 N～700 N豎直向下的壓力，但不能準確知道每根錨桿所受的力。在支架底座施加固定約束，根據支架實際支護情況，初步分別給三根錨桿(從左到右，見圖(1))施加100 N、200 N、400 N的載荷。通過ANSYS靜力計算，得到了支架的變形雲圖和應力雲圖，如圖4、圖5所示。

由圖4、圖5可知，其最大變形量為1.81×10-6 mm；最大應力為57 859.3 Pa，發生在豎梁與斜梁連接處，遠遠低於45#鋼的強度極限(45#鋼屈服極限355 MPa，抗拉強度600 MPa)。

為了進一步驗證支架的可靠性，再一次分別給三根錨桿施加5×105 N、1×106 N、2×106 N的載荷(在原來基礎上擴大5 000倍)，通過ANSYS靜力計算，得到了支架的變形雲圖和應力雲圖，如圖6、圖7所示。

圖7 施加500 N、1 000 N、2 000 N載荷後的支架應力雲圖

由圖6、圖7可知，其最大變形量為7.9×10-3 mm；最大應力為2.77×108 Pa，發生在豎梁與斜梁連接處，亦低於45#鋼的強度極限。

3 結論

本文通過有限元分析，證明了以45#普通方鋼或圓鋼做支架材料，足以滿足文物遺址土堆脫落所需的支撐力。在支架底座四周和內部灌注水泥並用地腳螺栓與地面固定，確保支架和地面連接牢固，保證了其穩定性。

【免責聲明】 文章為轉載，版權歸原作者所有。如涉及作品版權問題，請告知，本人將即刻作出相應處理

更多