基于ANSYS的文物遗址防止土堆脱落支架受力分析

基于ANSYS的文物遗址防止土堆脱落支架受力分析

谢明军1，赵光涛2，李玉虎2

(1.榆林职业技术学院，陕西 榆林 719000；2.陕西师范大学，陕西 西安 710119)

摘要：利用UG软件对某处土堆文物遗址现存支架建立三维实体模型，并利用ANSYS软件对该支架进行受力分析，得到该支架的受力变形云图和应力云图，从而为某处土堆文物遗址保护提供有力的数据依据。

关键词：文物遗址；支架；有限元；受力分析

0 引言

某处土堆文物遗址古迹由于年代悠久，土堆根部已经脱落，土堆顶部随时有塌陷的可能，需用支架支撑。若支架强度或稳定性不够，无法保证土堆顶部完好保存。本文首先利用UG软件建立土堆支架的三维实体模型，然后导入ANSYS中进行有限元受力分析，得到该支架的受力变形云图和应力云图，为其文物保护提供有力的数据依据。

1 文物遗址土堆及支架使用的现状

某处文物遗址土堆及防止土堆顶部塌陷所使用支架的现状如图1所示。该处文物遗址土堆的现实状况是侧壁部分土堆有脱落的可能性，所脱落的土堆经过测量其重量大约为60 kg～70 kg。

图1 文物遗址土堆及防止土堆顶部塌陷所使用支架的现状

2 支架有限元模型的建立

2.1 支架实体模型的建立

UG软件以其参数化、全相关的特点在零部件造型方面表现突出，本文通过UG软件建立支架模型，建立的支架实体模型如图2所示。支架采用45#普通方钢及圆钢，即1号材料为150 mm×150 mm×4.5 mm，2号材料为100 mm×100 mm×4 mm，3号材料为Φ12 mm×2.5 mm，通过焊接或螺栓紧固连接而成。该支架体积大约为5.9×107 mm3，质量大约为460 kg。

2.2 支架有限元模型的建立

各类绘图软件虽与有限元软件ANSYS具有数据导入、导出接口，但由于导入、导出格式的不同将关系到模型文件能否导入ANSYS软件，以及导入后模型修补工作量的大小。UG软件导出的文件格式有：stp、catia、igs、parasolid等，igs针对的是曲面，stp、catia、parasolid针对的是实体。本文选用parasolid格式进行模型数据的导出，很大程度上避免了导入ANSYS软件后模型的修补工作。

由于该支架结构相对复杂，将三维实体模型导入ANSYS后采用solid187网格单元对其划分网格，划分网络后的支架有限元模型如图3所示。

图2 支架结构实体模型 图3 支架有限元模型

2.3 支架静力分析及计算

已知支架的三根锚杆总共受到600 N～700 N竖直向下的压力，但不能准确知道每根锚杆所受的力。在支架底座施加固定约束，根据支架实际支护情况，初步分别给三根锚杆(从左到右，见图(1))施加100 N、200 N、400 N的载荷。通过ANSYS静力计算，得到了支架的变形云图和应力云图，如图4、图5所示。

由图4、图5可知，其最大变形量为1.81×10-6 mm；最大应力为57 859.3 Pa，发生在竖梁与斜梁连接处，远远低于45#钢的强度极限(45#钢屈服极限355 MPa，抗拉强度600 MPa)。

为了进一步验证支架的可靠性，再一次分别给三根锚杆施加5×105 N、1×106 N、2×106 N的载荷(在原来基础上扩大5 000倍)，通过ANSYS静力计算，得到了支架的变形云图和应力云图，如图6、图7所示。

图7 施加500 N、1 000 N、2 000 N载荷后的支架应力云图

由图6、图7可知，其最大变形量为7.9×10-3 mm；最大应力为2.77×108 Pa，发生在竖梁与斜梁连接处，亦低于45#钢的强度极限。

3 结论

本文通过有限元分析，证明了以45#普通方钢或圆钢做支架材料，足以满足文物遗址土堆脱落所需的支撑力。在支架底座四周和内部灌注水泥并用地脚螺栓与地面固定，确保支架和地面连接牢固，保证了其稳定性。参考文献：

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ANSYS Based Force Analysis of Stent Protecting Cultural Relics Site

XIE Ming-jun1, ZHAO Guang-tao2, LI Yu-hu2

(1.Yulin Vocational and Technical College, Yulin 719000, China; 2. Shaanxi Normal University, Xi’an 710119, China)

Abstract：In this paper, the three-dimensional entity model of the stent protecting cultural relics site is set up using UG software, and then the stress analysis of the bracket is conducted by ANSYS software, and the stress and deformation cloud nephograms of the stent are got, which provides a powerful data basis for the protection of cultural relics site.

Key words：cultural relics site; stent; finite element; stress analysis

文章编号：1672- 6413(2017)01- 0095- 02

收稿日期：2016- 05- 11；

修订日期：2016- 12- 10

作者简介：谢明军(1982-)，男，陕西神木人，讲师，硕士，研究方向：机械设计理论。

中图分类号：TP391.7

文献标识码：A