自重下的桁架结构有限元分析

桁架结构结构广泛应用于工程中，车站、港口、工矿等大中型建筑内都会见到。此结构具有跨度大、载荷小等特点。本文基于WELSIM仿真软件，模拟了其在自身重力作用下的等效位移和变形。

1.实物模型

可以看到桁架结构应用与各种场合，而桁架的设计，尤其是结构的承受能力与稳定能力是至关重要的。

桁架的形式也是多种多样，每种经典的桁架设计都有其自身的优点。常见的桁架概念设计如下：

2.有限元模型

我们将CAD软件中设计好的桁架模型导入WELSIM软件，并进行后续分析。

可以看到导入的桁架是个多体结构，由于这里假定桁架结构都是通过焊接或者铆接而成，而且材料一般是一致的。我们将桁架梁整合起来，可以免去接触的设置步骤，同时节约计算时间。WELSIM提供了将几何体整合的功能，可以从工具栏或者菜单栏选择“Union”。

结构合并后，会得到一个几何体。如图所示。这里我们使用默认的结构钢材料。

3.网格划分

WELSIM提供了自动网格划分功能，只需简单设置一下，便可迅速得到划分好的单元与节点。这里我们设置使用Tet10单元，网格划分结果如下，共有147811个节点，78081个四面体单元。

4.载荷与约束的施加

在这个结构上我们将底部的两端固定住，如图所示。

底端左部的固定约束

底端右部的固定约束

接下来我们输入代表桁架自重的体力。体力是一种作用于物件整体的力量。 重力，电场和磁场引起的力都属于体力。 体力与施加在物体表面上的接触力或表面力是不一样的。一些虚拟的力，如离心力，欧拉力和科里奥利效应也属于体力。

和表面力一样，体力也是一个有方向的向量力。它可以看作是外部体力密度对整体质量的乘积，计算公式如下：

WELSIM支持体力的输入，用户可以从工具栏或者菜单栏找到体力的按钮，如图所示

在图形选择窗口，系统也提供了不同的图形选择方式，如图所示，分别是选择体积，表面，边，和节点。

由于是在整个体积上施加体力，我们激活体积的选择，并在图形上选择。同时给与一个1e6大小，方向向下的值。

5.结果的分析

点击求解按钮，很快就可以得到计算分析结果了。最大的综合变形是2.793e-3，最大的Von-Mises应力是1.669e8。

综合变形结果，最大值2.793e-3

Von-Mises应力结果，最大值1.669e8

结果云图所示桁架结构的的等效变形图和应力图，我们可以很清楚的了解到自重对桁架所产生的变形与应力。用户还可以查看其它分析结果，如应变，支撑位置的反作用力等。

注：WELSIM是一款由中国人研发的大型通用有限元软件。体力（Body Force）是v1.7版本中新引入的功能。