1問題引出

工字型鋼梁作為土木建筑中最為常見的一種鋼梁結構，被廣泛應用在房屋建筑、鋼鐵管道鋪設等民用設施行業中。對于工字梁鋼架結構，通常都需要對鋼梁的應力及撓度進行分析，本案例通過Abaqus有限元分析軟件對此材料力學的問題進行了分析，相比利用材料力學知識的理論計算，不僅結果計算準確簡潔還能將結果可視化呈現，這也是本文采用Abaqus仿真分析的一大優勢。

2模型建立

本案例采用的工字型鋼梁的幾何尺寸如圖1所示，其中鋼梁的材料特性如表1所示。

圖1工字型鋼梁的結構尺寸

表1工字型鋼梁的材料特性

彈性模量E（N/m2）	泊松比μ	屈服強度fy（N/m2）
2.1E11	0.3	3.45E8

3.有限元建模分析

3.1單位制

這里不論是否使用abaqus軟件，只要是使用有限元仿真程序，均需要首先明確建模分析使用的單位制，保證單位制的統一。單位制的統一根據牛頓定律（F=ma）進行相互推導確認，這里不再贅述。

3.2ABAQUS建模

啟動ABAQUS/CAE，進入分析界面，依照有限元分析一般流程步驟：前處理→求解→后處理。我們通過工具欄的module模塊選擇part模塊進行工字梁幾何建模，按照圖1所示的幾何尺寸建立的模型如圖2所示。接著在property功能模塊定義工字梁的材料本構和截面屬性，并將截面屬性賦予相應的區域上。這里鋼梁的材料本構選用理想的線性彈塑性本構，即將切變模量（塑性應變）設置為0完成材料本構設置。應當注意要設置截面的屬性并給部件賦予上截面屬性。這是不同于ANSYS軟件分析流程的地方，ABAQUS不能把材料屬性直接賦予模型，而是先定義模型的截面，將材料屬性定義在截面上。之后定義裝配件并設置分析步。較為重要的步驟是定義模型的載荷和邊界條件，這里是通過load命令進行的，設置均布壓力載荷與工字梁的上截面上完成設置，之后對工字梁的左右兩端進行鉸鏈約束，左右兩端設置約束為：U1=U2=UR2=UR3=0。設置完載荷及邊界條件的模型如圖3所示。對模型網格的劃分依然十分重要，選擇mesh命令，將環境更改為part，即為部件進行網格劃分，這是由于實體定義設置為了非獨立實體，只能對部件進行網格劃分，而不可加以裝配體上實現。由于工字型鋼梁相對還是比較規則，對工字梁進行簡單的模型分割之后就可直接對其網格劃分，設置網格大小為0.05，完成的網格劃分模型圖如圖4所示。由于模型的工況簡單，設置默認分析步后提交作業便完成求解。

圖2工字梁模型

圖3置完載荷及邊界條件的模型圖

圖4模型的網格劃分

4結果分析

4.1變形圖顯示

圖5工字梁變形圖

4.2Mises云圖

圖6 Mises云圖

4.3X-Y變化曲線

4.3.1工字梁底部節點的Mises應力隨時間的變化曲線

圖7節點的Mises應力隨時間的變化曲線

4.3.2工字梁底部節點Y方向撓度隨時間變化曲線

圖8節點Y方向撓度隨時間變化曲線

分析：由鋼梁最不利點的應力-應變關系曲線可以看出，運算到0.875左右時，應力時間關系曲線進入一個水平線，說明工字梁受力最不利的區域已經出現屈服，進入了塑性階段。結合圖8發現，此節點的撓度時間曲線可以分為AB、BC、CD三個階段。AB表示工字梁在彈性階段并未屈服，BC段表示由于工字梁部分進入塑性階段導致的撓度增長加快，CD段表示工字梁整個截面進入塑性階段導致撓度急劇變化，則也說明變形破壞過程是合理的。

5結論

本文案例僅僅分析一段工字梁結構的靜力學分析與節點力學參數的導出等分析，后續可以更加貼合實際，建立更加復雜的工字梁結構以指導實際加工過程。