ANSYS橋梁工程應(yīng)用實(shí)例分析范本

1、1第6章 橋梁工程分析第6章 ANSYS橋梁工程應(yīng)用實(shí)例分析本章重點(diǎn) 結(jié)構(gòu)分析具體步驟 結(jié)構(gòu)靜力分析 桁架結(jié)構(gòu)建模方法 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析本章典型效果圖6.1 引言ANSYS通用有限元軟件在土木工程應(yīng)用分析中可發(fā)揮巨大的作用。我們用它來(lái)分析橋梁工程結(jié)構(gòu),可以很好的模擬各種類型橋梁的受力、施工工況、動(dòng)荷載的耦合等。ANSYS程序有豐富的單元庫(kù)和材料庫(kù),幾乎可以仿真模擬出任何形式的橋梁。靜力分析中,可以較精確的反應(yīng)出結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力分布、內(nèi)力情況等；動(dòng)力分析中,也可精確的表達(dá)結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型、荷載耦合、時(shí)程響應(yīng)等特性。利用有限元軟件對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行全橋模擬分析,可以得出較準(zhǔn)確的分析結(jié)果。本章介紹橋梁結(jié)

2、構(gòu)的模擬分析。作為一種重要的工程結(jié)構(gòu),橋梁的精確分析具有較大的工程價(jià)值。橋梁的種類繁多,如梁橋、拱橋、鋼構(gòu)橋、懸索橋、斜拉橋等等,不同類型的橋梁可以采用不同的建模方法。橋梁的分析內(nèi)容又包括靜力分析、施工過(guò)程模擬、動(dòng)荷載響應(yīng)分析等?？梢钥闯鰳蛄旱恼w分析過(guò)程比較復(fù)雜?？傮w上來(lái)說(shuō),主要的模擬分析過(guò)程如下:(1) 根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù),選擇合適的單元和材料,建立準(zhǔn)確的橋梁有限元模型。(2) 施加靜力或者動(dòng)力荷載,選擇適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件。(3) 根據(jù)分析問(wèn)題的不同,選擇合適的求解器進(jìn)行求解。(4) 在后處理器中觀察計(jì)算結(jié)果。(5) 如有需要,調(diào)整模型或者荷載條件,重新分析計(jì)算。橋梁的種類和分析內(nèi)容眾多,不同類型橋

3、梁的的分析過(guò)程有所不同,分析側(cè)重點(diǎn)也不一樣。在這里僅僅給出大致的分析過(guò)程,具體內(nèi)容還要看具體實(shí)例的情況。6.2 典型橋梁分析模擬過(guò)程 6.2.1 創(chuàng)建物理環(huán)境建立橋梁模型之前必須對(duì)工作環(huán)境進(jìn)行一系列的設(shè)置。進(jìn)入ANSYS前處理器,按照以下6個(gè)步驟來(lái)建立物理環(huán)境:1、設(shè)置GUT菜單過(guò)濾2、定義分析標(biāo)題(TITLE)3、說(shuō)明單元類型及其選項(xiàng)(KEYOPT選項(xiàng))4、設(shè)置實(shí)常數(shù)和單位制5、定義材料屬性1設(shè)置GUI菜單過(guò)濾如果你希望通過(guò)GUI路徑來(lái)運(yùn)行ANSYS,當(dāng)ANSYS被激活后第一件要做的事情就是選擇菜單路徑:Main MenuPreferences,執(zhí)行上述命令后,彈出一個(gè)如圖6-1所示的對(duì)話框

4、出現(xiàn)后,選擇Structural。這樣ANSYS會(huì)根據(jù)你所選擇的參數(shù)來(lái)對(duì)GUI圖形界面進(jìn)行過(guò)濾,選擇Structural以便在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)過(guò)濾掉一些不必要的菜單及相應(yīng)圖形界面。圖6-1 GUI圖形界面過(guò)濾2定義分析標(biāo)題在進(jìn)行分析前,可以給你所要進(jìn)行的分析起一個(gè)能夠代表所分析內(nèi)容的標(biāo)題,比如“truss bridge”,以便能夠從標(biāo)題上與其他模型區(qū)別。用下面的GUI方法定義分析標(biāo)題。命令:TITLEGUI:Utility MenuFileChange Title圖6-2 GUI定義標(biāo)題3定義單元類型及其選項(xiàng)(KEYOPT選項(xiàng))與ANSYS的其他分析一樣,結(jié)構(gòu)分析也要進(jìn)行相應(yīng)的單元選擇。ANSY

5、S軟件提供了100種以上的單元類型,可以用來(lái)模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料,各種不同的單元組合在一起,成為具體的物理問(wèn)題的抽象模型。在橋梁結(jié)構(gòu)模擬分析中,最常用的單元是梁?jiǎn)卧?例如,梁?jiǎn)卧赡M不同截面的鋼梁、混泥土梁等；殼單元和桿單元也很常用,殼單元可以模擬橋面板箱梁等薄壁結(jié)構(gòu),桿單元可以模擬預(yù)應(yīng)力鋼筋和桁架等。定義好不同的單元及其選項(xiàng)(KEYOPTS)后,就可以建立有限元模型?？梢圆捎镁€性或者非線性的結(jié)構(gòu)單元。表6-1 橋梁分析常見(jiàn)單元單元維數(shù)形狀和自由度特性LINK83-D線形,2節(jié)點(diǎn),3自由度剛性桿,可承受拉力和壓力,用來(lái)定義桁架等。可定義其截面積和初始應(yīng)變。和初始應(yīng)變。LINK103-D

6、線形,2節(jié)點(diǎn),3自由度只能承受拉力的柔性桿,用來(lái)模擬索單元?？啥x其截面積和初始應(yīng)變。BEAM32-D線形,2節(jié)點(diǎn),3自由度二維彈性梁,可定義其截面積、慣性矩、初始應(yīng)變、截面高度等。BEAM43-D線形,2節(jié)點(diǎn),6自由度三維彈性梁,可定義其截面積、截面形狀、三向慣性矩、初始應(yīng)變、截面高寬等。BEAM443-D變截面不對(duì)稱,2節(jié)點(diǎn),6自由度三維彈性梁,可定義多個(gè)截面的截面積、截面形狀、三向慣性矩、初始應(yīng)變、截面高寬等。SHELL633-D四邊形或三角形,4節(jié)點(diǎn),6自由度三維彈性殼,可定義其節(jié)點(diǎn)處厚度、剛度、初始彎曲曲率等。設(shè)置單元以及其關(guān)鍵選項(xiàng)的方式如下:命令:ET KEYOPTGUI:Main

7、 Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete圖6-3(a) GUI添加單元類型圖6-3(b) GUI選擇單元類型4設(shè)置實(shí)常數(shù)和單位制單元實(shí)常數(shù)和單元類型密切相關(guān),用R族命令(如R,RMODIF等)或其相應(yīng)GUI菜單路徑來(lái)說(shuō)明。例如在結(jié)構(gòu)分析中,你可以用實(shí)常數(shù)定義梁?jiǎn)卧臋M截面積、慣性矩以及高度等。當(dāng)定義實(shí)常數(shù)時(shí),要遵守如下二個(gè)規(guī)則:1） 必須按次序輸入實(shí)常數(shù)。2） 對(duì)于多單元類型模型,每種單元采用獨(dú)立的實(shí)常數(shù)組(即不同的REAL參考號(hào))。但是,一個(gè)單元類型也可同時(shí)注明幾個(gè)實(shí)常數(shù)組。命令:RGUI:Main Menu Preprocessor R

8、eal Constants Add/Edit/Delete 圖6-4(a) GUI定義實(shí)常數(shù)圖6-4(b) GUI定義實(shí)常數(shù)在結(jié)構(gòu)分析中,系統(tǒng)沒(méi)有設(shè)置單位制,我們可以根據(jù)自己的需要選用各種單位制。在本章的實(shí)例中,所有算例都采用國(guó)際單位制,即m、N、kg、s、Pa、Hz等。5創(chuàng)建截面在橋梁結(jié)構(gòu)分析中,采用梁?jiǎn)卧话愣夹枰x梁?jiǎn)卧慕孛?。在ANSYS中,既可以建立一般的截面(即標(biāo)準(zhǔn)的幾何形狀和單一的材料),也可以建立自定義截面(即截面形狀任意也可以是多種材料)。命令:SECTYPE SECDATA SECOFFSETGUI:Main Menu Preprocessor Sections Beam

9、 Common Sections。也可以通過(guò)用戶定義網(wǎng)格建立自定義截面,此時(shí)必須建立用戶網(wǎng)個(gè)文件。首先要建立一個(gè)2D實(shí)體模型,然后保存命令:SECWRITEGUI:Main Menu Preprocessor Sections Beam Write Sec Mesh。6定義材料屬性橋梁幾何模型中可以有一種或多種材料:包括各種性質(zhì)的鋼、混凝土、地基土和剛臂等等。每種材料區(qū)都要輸入相應(yīng)的材料特性。ANSYS程序材料庫(kù)中有一些已定義好材料特性的材料,可以直接使用它們,也可以修改成需要的形式再使用。在橋梁工程分析中,使用的材料比較簡(jiǎn)單,基于線形分析得的橋梁結(jié)構(gòu),基本選擇線彈性材料(Linear線性、I

10、sotropic各向同性)。定義材料屬性方式如下:命令:MPGUI:Main Menu Preprocessor Material Props Material Models Structural Linear Isotropic,如圖6-5(a)。在材料屬性中,我們需要輸入的數(shù)據(jù)有:彈性模量(EX)、泊松比(PRXY)、密度(Density)、材料阻尼(Damping)等等。對(duì)于非線性材料,可以選擇Nonlinear,如圖6-5(b):注:1)必須按照形式定義剛度(如彈性模量EX,超彈性系數(shù)等)。 2)對(duì)于慣性荷載(重力),必須定義質(zhì)量計(jì)算所需的數(shù)據(jù),如密度DENS。 3)對(duì)于溫度荷載,必須

11、定義熱膨脹系數(shù)ALPX。圖6-5(a) GUI設(shè)置材料屬性選項(xiàng)圖6-5(b) GUI設(shè)置材料屬性選項(xiàng)6.2.2 建模、指定特性、分網(wǎng)在ANSYS結(jié)構(gòu)分析中,有兩種建立有限元原模型的方式。第一種方法為直接建立節(jié)點(diǎn)單元,形成有限元模型,可自己控制每一個(gè)單元,不需要程序劃分單元,這種方法可以用來(lái)建立結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單形式單一的橋梁結(jié)構(gòu)；第二種方法是先建立幾何體模型,然后再利用軟件將幾何模型劃分單元而形成有限元模型,這種方法適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的橋梁。()第一種方法:命令:NGUI:Main Menu Preprocessor Modeling CreateNodes命令:EGUI:Main Menu Prepr

12、ocessor Modeling CreateElements()第二種方法:命令:KGUI:Main Menu Preprocessor Modeling CreateKeypoints命令:LGUI:Main Menu Preprocessor Modeling Createlines命令:AGUI:Main Menu Preprocessor Modeling CreateAreas命令:VGUI:Main Menu Preprocessor Modeling CreateVolumes幾何模型操作:GUI:Main Menu Preprocessor ModelingOperateEx

13、trude:拉伸Extend Line:延長(zhǎng)線Booleans:布爾操作 Intersect:相交截取交集Add:相加Subtract:相減Divide:分割Glue:粘貼Overlap:搭接Partition:分成多個(gè)小區(qū)域Scale:梯度合理的利用以上操作,可以建立出非常精確的結(jié)構(gòu)體幾何模型。然后就可以對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,形成有限元模型。劃分單元具體操作如下:命令:LSEL(選擇要?jiǎng)澐值木€單元) TYPE(選擇單元類型) MAT(選擇材料屬性) REAL(選擇實(shí)常數(shù)) ESYS(單元坐標(biāo)系) MSHAPE(選擇單元形狀) MSHKEY(選擇單元?jiǎng)澐址绞? LMESH(開始劃分線單元)G

14、UI:Main Menu Preprocessor Meshing MeshTool在劃分單元之前,首先要對(duì)單元大小形狀等進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?否則可能出現(xiàn)意想不到的劃分結(jié)果。現(xiàn)在以MeshTool工具條為例,說(shuō)明劃分單元時(shí)方法。如圖6-6。Element Attributes:選擇單元類型、材料屬性、實(shí)常數(shù)、單元坐標(biāo)系、截面號(hào)。Smart Size:控制模型細(xì)部單元精細(xì)度Size Controls:通過(guò)給定幾何體分段的大小或者數(shù)量控制各個(gè)幾何體上面單元數(shù)量與大小。Mesh:劃分單元(點(diǎn)、線、面、體)。單元形狀分為:三角形或四面體(Tet)、四邊形或六面體(Hex)；劃分方式分為:自由劃分、影射劃分

15、、掃掠劃分。注:1)應(yīng)力或應(yīng)變急劇變化的區(qū)域(通常是我們感興趣的區(qū)域),需要比應(yīng)力或應(yīng)變近乎常數(shù)的區(qū)域較密的網(wǎng)格。 2)在考慮非線性的影響時(shí),要用足夠的網(wǎng)格來(lái)得到非線性效應(yīng)。如塑性分析需要相當(dāng)?shù)姆e分點(diǎn)密度,因而在高塑性變形梯度區(qū)需要較密的網(wǎng)格。圖6-6 MeshTool工具條6.2.3 施加邊界條件和載荷在施加邊界條件和載荷時(shí),既可以給實(shí)體模型(關(guān)鍵點(diǎn)、線、面)也可以給有限元模型(節(jié)點(diǎn)和單元)施加邊界條件和載荷。在求解時(shí),ANSYS程序會(huì)自動(dòng)將加到實(shí)體模型上的邊界條件和載荷轉(zhuǎn)遞到有限元模型上。在GUI方式中,可以通過(guò)一系列級(jí)聯(lián)菜單,實(shí)現(xiàn)所有的加載操作。GUI路徑如下:GUI:Main Menu

16、 Solution Define Loads Apply Structural這時(shí),ANSYS程序?qū)⒘谐鼋Y(jié)構(gòu)分析中所有的邊界條件和載荷類型。然后根據(jù)實(shí)際情況選擇合理的邊界條件或載荷。例如,要施加均布荷載到橋面板單元上, GUI路徑如下: GUI:Main Menu Preprocessor Define Loads Apply Structural Pressure On Elements/On Areas也可以通過(guò)ANSYS命令來(lái)輸入載荷,幾種常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)分析荷載如下:（1） 位移(UX,UY,UZ,ROTX,ROTY,ROTZ):這些自由度約束往往施加到模型邊界上,用以定義剛性支撐點(diǎn)。也可以

17、用于指定對(duì)稱邊界條件以及已知運(yùn)動(dòng)的點(diǎn)。例如:一個(gè)有三個(gè)自由度的二維簡(jiǎn)支梁?jiǎn)卧?邊界條件即為:i端點(diǎn)約束UX、UY方向位移,j端點(diǎn)約束UY方向位移。橋梁結(jié)構(gòu)分析中,位移約束一般加載于橋墩基礎(chǔ)處、主梁支座處、梁端等處。位移約束可以施加在點(diǎn)、線、面、節(jié)點(diǎn)上,最終都會(huì)轉(zhuǎn)化為施加在節(jié)點(diǎn)上面的約束。由標(biāo)號(hào)指定的方向是按照節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系定義的。圖6-7 施加荷載菜單命令:DGUI:Main Menu Preprocessor Define Loads Apply Structural Displacement or PotentialGUI:Main Menu Solution Define Loads App

18、ly Structural Displacement（2） 力(FX,FY,FZ)/力矩(MX,MY,MZ) 這些集中力通常在模型的外邊界上指定,其方向是按節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系定義的。集中力或彎矩可以模擬橋梁上的集中力荷載。例如:當(dāng)車輛行駛于橋梁上面時(shí),軸重簡(jiǎn)化為一組集中力作用于梁上,來(lái)計(jì)算梁的受力情況。集中力或彎矩只能施加在關(guān)鍵點(diǎn)或者節(jié)點(diǎn)上面。命令:FGUI:Main Menu Preprocessor Define Loads Apply Structural Force/MomentGUI:Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Force

19、/Moment（3） 壓力荷載(PRES) 這是表面荷載,通常作用于模型外部。正壓力為指向單元面(起到壓縮的效果)。均布荷載和梯度荷載都屬于壓力荷載,在橋梁結(jié)構(gòu)分析中會(huì)經(jīng)常施加壓力荷載。例如在橋面板上施加均布的人群荷載,就需要選擇橋面板單元,然后在選擇的單元或者面上面施加壓力。值得注意的是,在三維的面上施加壓力時(shí),要注意面的方向與壓力的方向。壓力荷載可以施加在線、面、節(jié)點(diǎn)、單元、梁上。命令:SFGUI:Main Menu Preprocessor Define Loads Apply Structural PressureGUI:Main Menu Solution Define Loads

20、Apply Structural Pressure（4） 慣性力荷載(用來(lái)加載重力、旋轉(zhuǎn)等) ANSYS結(jié)構(gòu)分析中,一般通過(guò)施加慣性力來(lái)施加結(jié)構(gòu)的重力。同時(shí)也可以用來(lái)施加加速度。用來(lái)加載重力的慣性力與重力加速的方向相反。定義慣性荷載之前必須定義密度。例如:重力方向?yàn)閅軸的負(fù)方向,則加的慣性力應(yīng)該為Y軸的正方向。命令:ACELGUI:Main Menu Preprocessor Define Loads Apply Structural InertiaGravityGUI:Main Menu Solution Define Loads Apply Structural InertiaGravit

21、y6.2.4 求解 結(jié)構(gòu)分析的求解種類比較多,應(yīng)根據(jù)不同的需要選擇不同的求解方式?；镜那蠼膺^(guò)程過(guò)程如下:1.定義分析類型在定義分析類型和分析將用的方程求解器前,要先進(jìn)入SOULUTION求解器。圖6-8 GUI選擇分析類型命令:SOLUGUI:Main Menu Solution選擇分析類型。命令:ANTYPEGUI:Main Menu Solution Anslysis Type New Analysis,如圖6-8。橋梁結(jié)構(gòu)常用的分析類型有:(1)靜力分析靜力分析是橋梁結(jié)構(gòu)分析中的重要環(huán)節(jié),靜力分析結(jié)果必須要滿足設(shè)計(jì)要求。通過(guò)靜力計(jì)算,可以求解出結(jié)構(gòu)的位移、內(nèi)力、應(yīng)力分布、變形形狀、穩(wěn)定

22、性等。命令:ANTYPE,STATIC,NEWGUI:Main Menu Solution Analysis Type New Analysis 然后選擇“static”選項(xiàng),點(diǎn)擊“OK”。如果是需要重啟動(dòng)一個(gè)分析(施加了另外的激勵(lì)),先前分析的結(jié)果文件Jobname.EMAT, Jobname.ESAV和Jobname.DB還可用,使用命令A(yù)NTYPE,STATIC,REST。(2)模態(tài)分析在模態(tài)分析中,我們可以求解出結(jié)構(gòu)的自振頻率以及各階振型,同時(shí)也可求出每階頻率的參與質(zhì)量等等。而在譜分析之前,必須進(jìn)行模態(tài)分析。命令:ANTYPE,MODAL,NEWGUI:Main Menu Soluti

23、on Analysis Type New Analysis 然后選擇“Modal”選項(xiàng),點(diǎn)擊“OK”。模態(tài)分析由4個(gè)主要步驟組成: 建模。 加載及求解。除了零位移約束之外的其他類型的的荷載力、壓力、加速度等可以在模態(tài)分析中指定,但是在模態(tài)提取時(shí)將被忽略；求解輸出內(nèi)容主要有固有頻率、參與系數(shù)表等。 擴(kuò)展模態(tài)。指將振型寫入結(jié)果文件,得到完整的振型；在擴(kuò)展處理前必須明確的離開求解器(FINISH)并且重新進(jìn)入求解器。 觀察結(jié)果。末態(tài)分析結(jié)果包括:固有頻率、擴(kuò)展振型、相對(duì)應(yīng)力和力分布。在POST1中觀察結(jié)果。注意:在模態(tài)分析中只有線性行為是有效的,如果指定了非線性單元,它將被看作是線性的；在模態(tài)分析中

24、必須指定楊氏模量EX和密度DENS。(3)瞬態(tài)分析瞬態(tài)分析經(jīng)常用于分級(jí)計(jì)算結(jié)構(gòu)受到突然加載的荷載時(shí)的響應(yīng)情況。例如在橋梁結(jié)構(gòu)分析中,橋梁受到地震激勵(lì)的時(shí)程作用,或者計(jì)算橋墩受到突然撞擊的情況,都可以選擇使用瞬態(tài)分析來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)響應(yīng)。具體介紹見(jiàn)第7章。命令:ANTYPE, TRANS,NEWGUI:Main Menu Solution Analysis Type New Analysis 然后選擇“Transient”選項(xiàng),點(diǎn)擊“OK”。彈出如圖6-9對(duì)話框。選擇適當(dāng)?shù)那蠼夥绞?點(diǎn)擊“OK”。圖6-9 瞬態(tài)分析選項(xiàng)（4） 譜分析譜分析是一種將模態(tài)分析結(jié)果與一個(gè)已知的譜聯(lián)系起來(lái)計(jì)算模型的位移和應(yīng)力的

25、分析技術(shù)。譜分析替代時(shí)間-歷程分析,主要用于確定結(jié)構(gòu)對(duì)隨機(jī)荷載或隨時(shí)間變化荷載(如地震、風(fēng)載、波浪等等)的動(dòng)力響應(yīng)情況。在結(jié)構(gòu)分析中,譜分析常用在計(jì)算結(jié)構(gòu)受到震動(dòng)激勵(lì)情況下的響應(yīng)。最常用的就是地震反應(yīng)譜。注意在譜分析之前要先進(jìn)行模態(tài)分析。命令:ANTYPE, SPECTR,NEWGUI:Main Menu Solution Analysis Type New Analysis 然后選擇“Spectrum”選項(xiàng),點(diǎn)擊“OK”。譜分析的全過(guò)程包括以下幾步: 建立模型。 模態(tài)分析。注意只有Block法、Subspace法和Reduced法才對(duì)譜分析有效。 譜分析。輸入反應(yīng)譜,有加速的反應(yīng)譜、位移反應(yīng)

26、譜、速度反應(yīng)譜、力反應(yīng)譜等。 擴(kuò)展模態(tài)。擴(kuò)展振型之后才能在后處理器中觀察結(jié)果。 合并模態(tài)。模態(tài)的組合方式在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定選擇SRSS方式,即先求平方和再求平方根。 觀察結(jié)果。2.定義分析選項(xiàng)定義好分析類型之后,就好設(shè)置分析選項(xiàng)。每種分析的分析選項(xiàng)對(duì)話框各不相同。（1） 靜力分析命令:EQSLVGUI: Main Menu Solution Analysis Type Analysis Options在求解選項(xiàng)中,可以看看到如圖6-10的菜單。圖6-10 GUI靜力分析求解選項(xiàng)卡Basic:Small Displacement Static(小位移靜力分析)Large Displacem

27、ent Static(大位移靜力分析)Small Displacement Transient(小位移瞬態(tài)分析)Large Displacement Transient(大位移瞬態(tài)分析)Calculate prestress effect(計(jì)算預(yù)應(yīng)力效應(yīng))Time at end of loadstep(最后一個(gè)荷載步的時(shí)間)Number of substeps(通過(guò)荷載子步控制)Time increment(通過(guò)時(shí)間增量控制)Write Items to Results File(結(jié)果文件輸出設(shè)置)在Basic中的設(shè)置,提供了分析中所需的最少數(shù)據(jù)。一旦Basic標(biāo)簽中的設(shè)置滿足以后,就不需要設(shè)

28、置其他標(biāo)簽中的選項(xiàng),除非因?yàn)橐M(jìn)行高級(jí)控制而修改其XX省設(shè)置。注:1)在設(shè)置ANTYPE和NLGEOM時(shí),如進(jìn)行一個(gè)新的分析并忽略大變形效應(yīng)(如大撓度、大轉(zhuǎn)角、大應(yīng)變)時(shí),請(qǐng)選擇“Small Displacement Static”項(xiàng)。如預(yù)期有大撓度(如彎曲的長(zhǎng)細(xì)桿)或大應(yīng)變,則選擇“Large Displacement Static”項(xiàng)。如果想重啟動(dòng)一個(gè)失敗的非線性分析,或者用戶已經(jīng)進(jìn)行了完整的靜力分析,而想指定其他荷載,則選擇“Restart Current Analysis”項(xiàng)。 2)在設(shè)置TIME時(shí),記住這個(gè)荷載步選項(xiàng)指定該荷載步結(jié)束的時(shí)間XX省值為1。對(duì)于后繼的荷載步XX省值為1加上

29、前一個(gè)荷載步指定的時(shí)間。 3)在設(shè)置OUTERS時(shí),記住XX省時(shí)只有1000個(gè)結(jié)果集記錄到結(jié)果文件中,如果超過(guò)這一數(shù)目,程序?qū)⒊鲥e(cuò)停機(jī)?？梢酝ㄟ^(guò)/CONFIG,NRES命令來(lái)增大這一限值。（2） 模態(tài)分析命令:EQSLVGUI: Main Menu Solution Analysis Type Analysis Options,彈出對(duì)話框模態(tài)分析選項(xiàng)設(shè)置對(duì)話框,如圖6-11(a)。模態(tài)分析方法一共有7種(字空間法、分塊Lanczos法、PowerDynamics法、縮減法、非對(duì)稱法、阻尼法、QR阻尼法),前四種方法是最常用的模態(tài)提取方法。橋梁結(jié)構(gòu)分析計(jì)算中一般采用分塊Lanczos法和子空間法

30、。常用選項(xiàng)意義如下:No. of modes to extract(提取模態(tài)數(shù)):除縮減法以外的其他模態(tài)提取該選項(xiàng)都是必須設(shè)置的。Expand mode shapes(是否擴(kuò)展模態(tài)):如果準(zhǔn)備在譜分析之后進(jìn)行模態(tài)擴(kuò)展,該選項(xiàng)應(yīng)該設(shè)置為NO。No. of modes to expand(擴(kuò)展模態(tài)數(shù)):該選項(xiàng)只在采用縮減法、非對(duì)稱法和阻尼法時(shí)要求設(shè)置。Calculate elem results(計(jì)算單元結(jié)果):如果想得到單元求解結(jié)果,需要打開此項(xiàng)。Incl prestress effects(是否包括預(yù)應(yīng)力效應(yīng)):該項(xiàng)用于確定是否考慮預(yù)應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)震動(dòng)的影響XX省分析過(guò)程不包括預(yù)應(yīng)力效應(yīng),即結(jié)構(gòu)處

31、于無(wú)預(yù)應(yīng)力狀態(tài)。圖6-11(a) GUI模態(tài)分析求解選項(xiàng)卡 當(dāng)選擇分塊Lanczos法時(shí),點(diǎn)擊OK后彈出如圖6-11(b)對(duì)話框,在對(duì)話框中輸入起始頻率和截止頻率。也就是給出一定的頻率范圍,程序最后計(jì)算出的自振頻率結(jié)果在所給頻率范圍之內(nèi)。圖6-11(b) GUI模態(tài)分析求解選項(xiàng)卡分塊Lanczos法用于提取大模型的多階模態(tài)(40階以上),模型中包含形狀較差的實(shí)體和殼單元時(shí)建議采用此法,最適合用于由殼或殼與實(shí)體組成的模型,速度快。內(nèi)存要求中,存貯要求低。 當(dāng)選擇子空間Subspace法時(shí),點(diǎn)擊OK后彈出如圖6-11(c)對(duì)話框。 點(diǎn)擊OK完成設(shè)置。圖6-11(c) GUI模態(tài)分析求解選項(xiàng)卡圖6-

32、12 GUI瞬態(tài)分析求解選項(xiàng)卡 子空間Subspace法用于提取大型模型的少數(shù)階模態(tài)(40階以下),適合于較好的實(shí)體及殼單元組成的模型,內(nèi)存要求低,存貯要求高。（3） 瞬態(tài)分析命令:EQSLVGUI: Main Menu Solution Analysis Type Analysis Options具體介紹見(jiàn)第7章。出現(xiàn)的對(duì)話框如圖6-12,選項(xiàng)設(shè)置與靜力分析相同。（4） 譜分析命令:EQSLVGUI: Main Menu Solution Analysis Type Analysis Options選擇譜類型,如圖6-13: Single-pt resp(單點(diǎn)響應(yīng)譜分析) Multi- pt

33、 respons(多點(diǎn)響應(yīng)譜分析) D.D.A.M(動(dòng)力設(shè)計(jì)分析) P.S.D(功率譜密度分析)結(jié)構(gòu)分析常采用第一種單點(diǎn)響應(yīng)譜分析。具體介紹見(jiàn)第7章。圖6-13 GUI譜分析求解選項(xiàng)在譜分析中,必須進(jìn)行模態(tài)擴(kuò)展,模態(tài)擴(kuò)展要重新回到模態(tài)分析中進(jìn)行模態(tài)擴(kuò)展。執(zhí)行以下命令。命令:ANTYPE,MODAL,NEWGUI:Main Menu Solution Analysis Type New Analysis 然后選擇“Modal”選項(xiàng),點(diǎn)擊“OK”。3.備份數(shù)據(jù)庫(kù)用工具條中的“SAVE DB”按鈕來(lái)備份數(shù)據(jù)庫(kù),如果計(jì)算過(guò)程中出現(xiàn)差錯(cuò),可以方便地恢復(fù)需要的模型數(shù)據(jù)?；謴?fù)模型時(shí)重新進(jìn)入ANSYS,用下面

34、的命令:命令:RESUMEGUI:Utility Menu File Resume Jobname.db4.開始求解對(duì)于簡(jiǎn)單的靜力分析,一次加載求解可以計(jì)算出結(jié)果。例如計(jì)算在自重作用下,鋼梁的撓度變形,施加于屬于荷載之后只需要求解一次便得結(jié)果。對(duì)于動(dòng)荷載來(lái)說(shuō),加載方式比較復(fù)雜,而且要經(jīng)過(guò)多次求解才能得出最終結(jié)果。例如,計(jì)算鋼梁在一段地震波作用下的響應(yīng),就需要將地震波加速度按時(shí)間分成小段,一次一次的加載到結(jié)構(gòu)上面并且每加載一次都要求解一次,最終才能得到鋼梁在地震波作用下的時(shí)程響應(yīng)。對(duì)于施加復(fù)雜動(dòng)荷載,往往采用命令流輸入方式,菜單方式輸入比較繁瑣。用下面GUI方式進(jìn)行靜力求解:命令:SOLVEGU

35、I:MainMenu Solution SolveCurrent LS檢查彈出的求解信息文檔,確認(rèn)沒(méi)有錯(cuò)誤之后,單擊如圖6-14對(duì)話框中的“OK”。圖6-14 確認(rèn)求解對(duì)話框.完成求解命令:FINISHGUI:Main Menu Finish6.2.5 后處理(查看計(jì)算結(jié)果)ANSYS程序?qū)⒂?jì)算結(jié)果貯存到結(jié)果文件Jobname.rmg中去,其中包括: 基本解:節(jié)點(diǎn)位移(UX,UY,UZ,ROTX,ROTY,ROTZ) 導(dǎo)出解:節(jié)點(diǎn)和單元應(yīng)力節(jié)點(diǎn)和單元應(yīng)變單元力節(jié)點(diǎn)反力等等可以在一般后處理器POST1或者時(shí)程后處器POST26其中觀看處理結(jié)果。命令:POST1GUI: Main Menu Gen

36、eral Postproc命令:POST26GUI: Main Menu TimeHist Postproc注意:若希望在POST1和POST26后處理器中查看結(jié)果,在數(shù)據(jù)庫(kù)中必須包括與求解相同的模型。同時(shí),結(jié)果文件Jobname.RST也必須存在。檢查結(jié)果數(shù)據(jù),方式如下:1、從數(shù)據(jù)庫(kù)文件中讀入數(shù)據(jù)命令:RESUMEGUI:Utility Menu File Resume from2、讀入適當(dāng)?shù)慕Y(jié)果集。用荷載步、子步或時(shí)間來(lái)區(qū)分結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)集。若指定的時(shí)間值不存在相應(yīng)的結(jié)果,ANSYS會(huì)將全部數(shù)據(jù)通過(guò)線性插值得到該時(shí)間點(diǎn)上的結(jié)果。命令:SETGUI:Main MenuGeneral Postpr

37、oc Results Read ResultBy Load Step如果模型不在數(shù)據(jù)庫(kù)中,需用RESUME命令后再用SET命令或其等效路徑讀入需要的數(shù)據(jù)集。要觀察結(jié)果文件中的解,可使用LIST選項(xiàng)?？梢苑謩e看不同加載步及子步或者不同時(shí)間的結(jié)果數(shù)據(jù)集。典型的POST1后處理操作:1.顯示變形圖命令:PLDISPGUI:Main Menu General Postproc Plot Results Deformed ShapePLDISP命令的KUND參數(shù)使用戶可以在原始圖上迭加變形圖。2.列出反力和反力矩命令:PRESOL GUI: Main Menu General Postproc List

38、 Results Reaction Solu列出約束節(jié)點(diǎn)的反力和力矩。為了顯示反力,執(zhí)行/PBC,RFOR,1,然后顯示所需節(jié)點(diǎn)或單元(NPLOY或者EPLOYT)。如果要顯示反力矩,用RMOM代替RFOR。3.列出節(jié)點(diǎn)力和力矩命令:PRESOL,F(或M)GUI:Main Menu General Postproc List Results Element Solution也可以列出所選擇的節(jié)點(diǎn)集的所有節(jié)點(diǎn)的力和力矩。首先選擇節(jié)點(diǎn),然后列出作用于這些節(jié)點(diǎn)上的所有力。命令:FSUM命令:Total Force Sum也可以在選擇的節(jié)點(diǎn)上檢查所有力和力矩。對(duì)于處于平和狀態(tài)的實(shí)體,除荷載作用點(diǎn)和存

39、在反力的節(jié)點(diǎn)以外的所有點(diǎn)上,其荷載總合為0:GUI:Main Menu General Postproc Nodal Calcs Sum Each Node Main Menu General PostprocOptions for Outpt,指明檢查方向: 全部XX省) 靜力分量 阻尼峰量 慣性力分量對(duì)于處于平衡狀態(tài)地實(shí)體,除荷載作用點(diǎn)或者存在反力荷載的節(jié)點(diǎn)外,其他所有節(jié)點(diǎn)的總載荷為0。4.線單元結(jié)果對(duì)于線單元,可以得到應(yīng)力、應(yīng)變等導(dǎo)出數(shù)據(jù),結(jié)果數(shù)據(jù)用一個(gè)標(biāo)號(hào)和一個(gè)序列號(hào)組合,或用元件名來(lái)區(qū)別。命令:ETABLE GUI:Main Menu General Postproc Element

40、 Table Define Table定義好單元數(shù)據(jù)表之后,可以顯示線單元結(jié)果,即可以顯示彎矩圖、剪力圖、軸力圖等。命令:PLLSGUI:Main Menu General Postproc Plot Results Contour PlotLine Elem5.誤差評(píng)估在實(shí)體和殼單元的線性靜力分析中,通過(guò)誤差評(píng)估列出網(wǎng)格離散誤差的評(píng)估值。這個(gè)命令按結(jié)構(gòu)能量模(SEPC)計(jì)算和列出誤差百分比,代表一個(gè)特定的網(wǎng)格離散的相對(duì)誤差。命令:PRERR GUI:Main Menu General Postproc List Results Percent Error6.等值線顯示 幾乎所有的結(jié)果項(xiàng)都可以

41、顯示為等值線,如應(yīng)力(SX,SY,SZ等)、應(yīng)變(EPELX、EPELY、EPELZ等)和位移(UX,UY,UZ等)。PLNSOL和PLESOL命令的KUND域使我們可以在原始結(jié)構(gòu)上迭加顯示。命令:PLNSOLPLESOL GUI:Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Nadal Solu GUI:Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Element Solu顯示單元表數(shù)據(jù)和線單元數(shù)據(jù):命令:PLETABPLLS GUI:Main Menu General P

42、ostproc Element Table Plot Element Table GUI:Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Line Elem Res7.矢量顯示對(duì)于觀察矢量如位移(DISP)、轉(zhuǎn)角(ROT)、主應(yīng)力(S1,S2,S3),矢量顯示(不要與矢量模態(tài)混淆)是一種有效的辦法。顯示矢量:命令:PLVECT GUI:Main Menu General Postproc Plot Results Vector Plot Predefined矢量列表:命令:PRVECT GUI:Main Menu General Pos

43、tprocList Results Vector Data8.表格列示在列表之前,要進(jìn)行數(shù)據(jù)排列:命令:NSORTESORTGUI:Main Menu General PostprocList Results Sorted Listing Sort NodesGUI:Main Menu General PostprocList Results Sorted Listing Sort Elems表格列示:命令:PRNSOL(節(jié)點(diǎn)結(jié)果)PRESOL(單元單元之間結(jié)果) PRRSOL(反力)等GUI:Main Menu General PostprocList Results solution op

44、tion9.列表顯示所有頻率在模態(tài)分析中,可以列表結(jié)構(gòu)的所有頻率。命令:SET,LISTGUI:Main Menu General PostprocList Results Results Shape10.列表顯示主自由度在模態(tài)分析中,可以列表結(jié)構(gòu)的主自由度。命令:MIST,ALLGUI:Main Menu Solution Master DOFs List ALL.3 實(shí)例1鋼桁架橋靜力受力分析本節(jié)對(duì)一架鋼桁架橋進(jìn)行具體靜力受力分析,分別采用GUI方式和命令流方式。6.3.1問(wèn)題描述 圖6-15 鋼桁架橋簡(jiǎn)圖已知下承式簡(jiǎn)支鋼桁架橋橋長(zhǎng)72米,每個(gè)節(jié)段12米,橋?qū)?0米,高16米。設(shè)橋面板為0

45、.3米厚的混凝土板。桁架桿件規(guī)格有三種,見(jiàn)下表:表6-2 鋼桁架橋桿件規(guī)格桿件截面號(hào)形狀規(guī)格端斜桿1工字形4004001616上下弦2工字形4004001212橫向連接梁2工字形4004001212其他腹桿3工字形4003001212所用材料屬性如下表:表6-3 材料屬性參數(shù)鋼材混凝土彈性模量EX2.110113.51010泊松比PRXY0.30.1667密度DENS785025006.3.2GUI操作方法1.創(chuàng)建物理環(huán)境1)過(guò)濾圖形界面:GUI:Main Menu Preferences,彈出“Preferences for GUI Filtering”對(duì)話框,選中“Structural”來(lái)

46、對(duì)后面的分析進(jìn)行菜單及相應(yīng)的圖形界面過(guò)濾。2)定義工作標(biāo)題:GUI:Utility Menu File Change Title,在彈出的對(duì)話框中輸入“Truss Bridge Static Analysis”,單擊“OK”。如圖6-16(a)。指定工作名:GUI:Utility Menu File Change Jobname,彈出一個(gè)對(duì)話框,在“Enter new Name”后面輸入“Structural”,“New log and error files”選擇yes,單擊“OK”。如圖6-16(b)。圖6-16(a) 定義工作標(biāo)題圖6-16(b) 指定工作名3)定義單元類型和選項(xiàng):GUI

47、:Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete,彈出“Element Types”單元類型對(duì)話框,單擊“Add”按鈕,彈出“Library of Element Types”單元類型庫(kù)對(duì)話框。在該對(duì)話框左面滾動(dòng)欄中選擇“Structural Beam”,在右邊的滾動(dòng)欄中選擇“3D elastic 4”,單擊“Ok”,定義了“BEAM4”單元,如圖6-17。繼續(xù)單擊“Add”按鈕,彈出“Library of Element Types”單元類型庫(kù)對(duì)話框。在該對(duì)話框左面滾動(dòng)欄中選擇“Structural Shell”,在右邊的滾動(dòng)欄中選擇“

48、Elastic 4node 63”,單擊“OK”,定義了“SHELL63”單元。得到如圖6-18所示的結(jié)果。最后單擊“Close”,關(guān)閉單元類型對(duì)話框。 圖6-17 單元類型庫(kù)對(duì)話框圖6-18 單元類型對(duì)話框4)定義梁?jiǎn)卧孛?GUI:Main Menu Preprocessor SectionsBeam Common Sections,彈出“Beam Tool”工具條,如圖6-19填寫。然后單擊“Apply”,如圖6-19填寫；然后單擊“Apply”,如圖6-19填寫,最后單擊“OK”。 圖6-19 定義三種截面每次定義好截面之后,點(diǎn)擊“Preview”可以觀察截面特性。在本模型中三種工字鋼

49、截面特性如下圖6-20:圖6-20 三種截面圖及截面特性5)定義實(shí)常數(shù):GUI:Main Menu Preprocessor Real Constants Add/Edit/Delete,彈出“Real Constants”對(duì)話框,單擊“Add”按鈕,在:“Element Type for R”對(duì)話框中選擇“Type 1 BEAM4”,如圖6-21,單擊“OK”按鈕,在“Real Constants Set Number 1,”對(duì)話框中,如圖6-22填寫,單擊“OK”。繼續(xù)單擊“Add”設(shè)置2號(hào)實(shí)常數(shù),在Element Type for R對(duì)話框中選擇“Type 2 BEAM4”,單擊“OK”

50、按鈕,在“Real Constants Set Number 2,”對(duì)話框中,依次填寫“2、0.0141、0.128e-3、0.415e-3、0.4、0.4”,單擊“OK”。繼續(xù)單擊“Add”設(shè)置3號(hào)實(shí)常數(shù),在Element Type for R對(duì)話框中選擇“Type 1 BEAM4”,單擊“OK”按鈕,在“Real Constants Set Number 3,”對(duì)話框中,依次填寫“3、0.0117、0.541e-4、0.324e-3、0.3、0.4”,單擊“OK”。繼續(xù)單擊“Add”設(shè)置4號(hào)實(shí)常數(shù),在Element Type for R對(duì)話框中選擇“Type 2 SHELL 63”,單擊“

51、OK”按鈕,在“Real Constants Set Number 3,”對(duì)話框中,“TK(I)”項(xiàng)中填寫“0.3”,其他項(xiàng)不寫。單擊“OK”。單擊“Close”關(guān)閉“Real Constants”對(duì)話框。 圖6-21 選擇單元 圖6-22 定義殼單元實(shí)常數(shù)6)定義材料屬性:GUI:Main Menu Preprocessor Material Props Material Models,彈出“Define Material Model Behavior”對(duì)話框,在右邊的欄中連續(xù)雙擊“Structural Linear Elastic Isotropic”后,彈出“Linear Isotrop

52、ic Properties for Material Number 1”對(duì)話框,如圖6-23所示,在該對(duì)話框中“EX”后面的輸入欄輸入“2.1e11”,“PRXY”后面的輸入欄輸入“0.3”,單擊“OK”。 圖6-23 設(shè)置彈性模量和泊松比 圖6-24 設(shè)置密度繼續(xù)在“Define Material Model Behavior”對(duì)話框,在右邊的欄中連續(xù)雙擊“Structural Density”,彈出“Density for Material Number 1”對(duì)話框,如圖6-24所示,在該對(duì)話框中“DENS”后面的輸入欄輸入“7850”,單擊“OK”。設(shè)置好第一種鋼材材料之后,還要設(shè)置第二

53、種混凝土橋面板材料?！癉efine Material Model Behavior”對(duì)話框的Material菜單中選擇“New model”,按照默認(rèn)的材料編號(hào),點(diǎn)擊“OK”。這時(shí)“Define Material Model Behavior”對(duì)話框左邊出現(xiàn)“Material Model Number 2”,同第一種材料的設(shè)置方法一樣,“Linear Isotropic”中“EX”輸入“3.5e10”,“PRXY”輸入 “0.1667”,“DENS”輸入“2500”,單擊“OK”結(jié)束。如圖6-25。最后關(guān)閉“Define Material Model Behavior”對(duì)話框。圖6-25 定義

54、材料屬性2.建立有限元模型1)生成半跨橋的節(jié)點(diǎn):GUI:Utility Menu Modeling Create Nodes In Active CS,彈出“Create Nodes in Active CS”對(duì)話框,在“X,Y,Z”輸入行輸入:“0,0,-5”,單擊“OK”。如圖6-26(a)然后GUI:Utility Menu Modeling Copy Nodes Cop,在“Copy nodes”對(duì)話框中單擊“Pick All”,在彈出的對(duì)話框中,如圖6-26(b)填寫。繼續(xù)執(zhí)行GUI:Utility Menu Modeling Copy Nodes Cop,在“Copy nodes”對(duì)話框中單擊“Pick All”,在彈出的對(duì)話框中,如圖6-26(c)填寫。 圖6-26(a) 建立節(jié)點(diǎn) 圖6-26(b) 復(fù)制節(jié)點(diǎn) 圖6-26(c) 復(fù)制節(jié)點(diǎn) 圖6-27 半橋模型的節(jié)點(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行GUI:Utility Menu Modeling Copy Nodes Cop,彈出“Copy nodes”對(duì)話框,在ANSYS主窗口中用箭頭選擇2、6、10號(hào)節(jié)點(diǎn),單擊“OK”,在彈出的對(duì)話框中,“ITIME”輸入“2”,“DY”輸入“16”,“INC”輸入“1”, “RATIO”輸入“1