文物保护技术：基于ANSYS的土堆脱落支架受力分析

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。

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