畢業(yè)設(shè)計(jì)論文拱橋靜載受力分析和模態(tài)分析計(jì)算

1、目錄摘要第一章 緒論1.1 拱橋概述1.1.1拱橋的特點(diǎn)1.1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r1.1.3我國(guó)拱橋的發(fā)展方向及主要結(jié)構(gòu)型式1.1.4我國(guó)拱橋的施工方法1.2 論文簡(jiǎn)述1.2.1課題介紹1.1.2建模依據(jù)第二章 ansys軟件介紹2.1 ansys發(fā)展2.2 主要功能及特點(diǎn)2.3 典型的分析過(guò)程 2.4 負(fù)載定義及附表第三章 有限元分析3.1 模型參數(shù)3.2 建模過(guò)程3.3 加載及后處理3.3.1 簡(jiǎn)述自重(deadweight)作用3.3.2 在中跨處施加車輛荷載(load)第四章 模型實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介第五章 數(shù)據(jù)分析比較 4.1 第六章 結(jié)論展望致謝參考文獻(xiàn)拱橋靜載受力分析和模態(tài)分析計(jì)算摘要：本文

2、對(duì)跨度為3米，矢跨比為1/6的系桿拱橋在一定外力作用下的應(yīng)力、應(yīng)變、位移和拱橋模態(tài)利用ansys軟件，進(jìn)行了有限元建模和分析計(jì)算，得到了相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)，證明了建模是合理的，計(jì)算結(jié)果是可信的。關(guān)鍵詞：拱橋 有限元分析計(jì)算 結(jié)果比對(duì)第一章 緒論1.1 拱橋概述1.1.1 拱橋的特點(diǎn)拱橋是我國(guó)公路上使用很廣泛的一種橋梁體系。拱橋的特點(diǎn)不僅體現(xiàn)在它獨(dú)特的外觀上，主要還在于它獨(dú)特的受力性能上。由力學(xué)知識(shí)可以知道，一種梁式結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下，支承處僅僅產(chǎn)生豎向支承反力，而拱式結(jié)構(gòu)在豎向荷載的作用下，支承處不僅產(chǎn)生豎向反力，而且還產(chǎn)生水平推力。由于這個(gè)水平推力的存在，拱的彎矩將比同

3、等跨徑的梁的彎矩小很多，而使整個(gè)拱主要承受壓力，這樣拱橋不僅可以利用鋼、鋼筋混凝土等材料來(lái)建，而且還可以利用抗壓性能較好而抗拉性能較差的污工材料來(lái)修建。拱橋的主要組成，也是由橋跨結(jié)構(gòu)及下部結(jié)構(gòu)兩大部分組成。圖1-1表示拱橋各主要部分的名稱。圖1-1 拱橋的主要組成部分一、拱橋的主要優(yōu)點(diǎn)有：l)、跨越能力較大。在全世界范圍內(nèi)，鋼筋混凝土拱橋目前的最大跨徑為390m，石拱橋?yàn)?55m，鋼拱橋達(dá)518m。2)、能充分做到就地取材，與鋼橋和鋼筋混凝土梁式橋相比，可以節(jié)省大量的鋼材和水泥。3)、能耐久，而且養(yǎng)護(hù)、維修費(fèi)用少;4)、外形美觀。5)、構(gòu)造較簡(jiǎn)單，尤其是污工拱橋，技術(shù)容易被掌握，有利于廣泛采用

4、。二、拱橋的主要缺點(diǎn)是：l)、自重較大，相應(yīng)的水平推力也較大，增加了下部結(jié)構(gòu)的工程量，當(dāng)采用無(wú)鉸拱時(shí)，對(duì)地基條件要求高。2)、拱橋(尤其是污工拱橋)建橋時(shí)間較長(zhǎng)，需要?jiǎng)趧?dòng)力多。3)、連續(xù)多孔的大、中橋梁中為防止一孔破壞而影響全橋的安全，需要采取較復(fù)雜的措施，或設(shè)置單向推力墩，增加了造價(jià)。4)、與梁式橋相比，上承式拱橋的建筑高度較高，當(dāng)用于城市立體交叉及平原區(qū)的橋梁時(shí)，因橋面標(biāo)高提高，而使兩岸接線工程量增大，或使橋面縱坡增大，既增大造價(jià)又對(duì)行車不利。因此也使拱橋的使用范圍受到一定的限制。拱橋雖然存在這些缺點(diǎn)，但是由于它的優(yōu)點(diǎn)突出，只要在條件許可的情況下，修建拱橋往往仍是經(jīng)濟(jì)合理的，因此在我國(guó)公路

5、橋梁建設(shè)中，拱橋，特別是污工拱橋仍得到了廣泛的應(yīng)用。三、拱橋的形式可以按照以下幾種不同的方式進(jìn)行分類。a)、按照主拱圈所使用的建筑材料可以分為:污工拱橋、鋼筋混凝土拱橋、鋼拱橋和鋼混凝土組合拱橋等。b)、按照拱上建筑的形式可以分為:實(shí)腹式拱橋和空腹式拱橋。c)、按照主拱圈線形可以分為:圓弧線拱橋、拋物線拱橋和懸鏈線拱橋。d)、按照橋面位置可以分為:上承式拱橋、中承式拱橋和下承式拱橋(圖1-2)。e)、按照有無(wú)水平推力可分為:有推力拱橋和無(wú)推力拱橋。拱橋圖f)、按照結(jié)構(gòu)受力圖式可分為:簡(jiǎn)單體系拱橋(圖1-3)、組合體系拱橋和拱片橋。g)、按照拱圈截面型式可分為:板拱橋、板肋拱橋、肋拱橋、雙曲拱橋

6、、箱形拱橋、鋼管混凝土拱橋、勁性骨架混凝土拱橋。1.1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r國(guó)外：1858 年,奧地利人蘭格爾(josef langer) 獲得了剛性梁柔性拱的系桿拱橋?qū)＠?9 世紀(jì)末,德國(guó)易北河上建造了一座跨度為96. 35 m 的10 跨透鏡形弦桿鐵路橋,成為所謂洛澤橋(lohse2trager) 的先驅(qū)。尼爾森(o. f. nielson) 最早提出采用斜吊桿代替豎直吊桿的設(shè)想,以大幅度提高結(jié)構(gòu)剛度,并于1929 年在瑞典獲得專利權(quán)。1927 年,美國(guó)紐約在修建跨越哈德遜河的喬治·華盛頓橋梁方案中,克利沃·夏因曾為了提高橋梁整體剛度提出過(guò)跨度達(dá)1 066. 8 m 的

7、拱懸索橋組合方案。2002 年,馬來(lái)西亞吉隆坡普特拉賈亞城建成的普特拉賈亞為單孔300 m 的斜拉拱橋,斜拉索與吊桿均作用在橋面。為現(xiàn)代的代表作。以上的為拱橋在國(guó)外的各個(gè)時(shí)期的代表作和各階段的發(fā)展?fàn)顩r。國(guó)內(nèi)：我國(guó)公路拱橋的發(fā)展，可粗略地分為四個(gè)階段。第一階段是50年代到60年代中絕大多數(shù)是中小石拱橋，當(dāng)時(shí)也研究過(guò)片石混凝土拱橋等，但未能推廣。最大跨度拱橋是1961年建成的云南南盤江上的長(zhǎng)虹橋(單跨1125m空膠式石拱橋)。第二階段是60年代中至70年代，主導(dǎo)橋型是低配筋雙曲拱橋。由于雙曲拱橋耗用鋼材少，施工中能化整為零，需要起重設(shè)備少，易于當(dāng)時(shí)搞群眾運(yùn)動(dòng)，因而得到飛速發(fā)展。當(dāng)時(shí)也研究過(guò)中小跨徑

8、混凝土預(yù)制塊拱、二鉸拱等少筋拱橋。最大跨度是1968年建成的河南嵩縣前河大橋(跨度150m，雙曲拱橋)。第三階段是70年代末到80年代，主導(dǎo)橋型是大中跨預(yù)制鋼筋混凝土箱(肋)型拱橋。采用無(wú)支架吊裝架設(shè)法建成的最大跨度是四川宜賓馬鳴溪大橋(1979年建成，跨度150m)，采用支架法建成的最大跨度是四川攀枝花市寶鼎大橋(1982年建成，跨度170m)。在這個(gè)時(shí)期，國(guó)外鋼筋混凝土拱橋的最大跨度已達(dá)390m(南斯拉夫克爾克i橋krk i，1980年建成)。第四階段以1990年建成的四川宜賓南門金沙江大橋?yàn)闃?biāo)志。該橋系中承式勁性骨架混凝土肋拱橋，跨度240m。居當(dāng)時(shí)中承式拱橋世界第一。宜賓橋采用勁性骨架

9、成拱，懸掛模板，現(xiàn)澆拱肋混凝土，大大減輕了吊裝架設(shè)重量，保證了成拱安全度澆注過(guò)程中，采用水箱加載調(diào)整應(yīng)力和變形，大大節(jié)省了鋼材，應(yīng)用現(xiàn)代電算技術(shù)和電測(cè)手段進(jìn)行旅工仿真計(jì)算和施工監(jiān)控，使拱橋施工決策走向了科學(xué)化。所取得的設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)和科研成果，極大地推動(dòng)了我國(guó)超大化拱橋技術(shù)進(jìn)步。在隨后的幾年中我國(guó)幾十座跨度100m 以上的拱橋相繼建成。1996年建成的廣西邕寧邕江大橋跨度選312m，把中承式勁性骨架混凝土拱橋世界記錄提高了72m。該橋采用千斤頂斜拉扣掛懸拼架設(shè)法懸拼勁性骨拱桁架、澆注拱肋混凝土、調(diào)整施工應(yīng)力和變形，比水箱法更安全穩(wěn)妥。四川萬(wàn)縣長(zhǎng)江大橋也是勁性骨架混凝土拱橋，該橋跨度420m，把上

10、承式拱橋的世界記錄由南斯拉夫krk i大橋的390m提高了30m。在此期間，1995年貴州省建成了跨度330m 的江界河大橋，居預(yù)應(yīng)力桁架拱橋世界第一。1995年廣東省建成了跨度200m 的南海三山西中承鋼管混凝十拱橋、居鋼管混凝土拱橋世界第一。1991年湖南風(fēng)凰縣建成跨度120m 的鳥(niǎo)巢河大橋，居石拱橋世界第一這些跨度記錄和取得的設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)及科研成果說(shuō)明，目前，我國(guó)拱橋已面躍居世界拱橋先進(jìn)行列。1.1.3 我國(guó)拱橋的發(fā)展方向及主要結(jié)構(gòu)型式 1、圈的輕拱型化:拱圈輕型化，可減輕對(duì)吊裝能力的需求，節(jié)省上、下部構(gòu)造工程量，節(jié)省造價(jià)。我國(guó)箱形拱，受吊重的限制，愎板多而厚，其體積可占主拱圈的2025

11、 ，而受力上并不需要。因此拱圈輕型化除減薄板件厚度外，還向?qū)捪?，少箱發(fā)展，以減少腹扳體積，出現(xiàn)了雙箱加頂、底板形成三室箱的拱圈，也出現(xiàn)了向肋拱發(fā)展的趨勢(shì)，或用箱肋，工用矩形肋甚至工字形肋。拱圈的輕型化，對(duì)設(shè)計(jì)和施工也提出了更嚴(yán)的要求：(1)、設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮大變形理論，用撓度理論或非線性有限元理論來(lái)計(jì)算內(nèi)力；(2)、施工中的穩(wěn)定，特別是肋拱的平面外穩(wěn)定問(wèn)題突出。因此往往采用多邊段吊裝，單中段合攏的施工措施，保證穩(wěn)定。 2、施工階段拱圈的輕型化：直接影響減少吊裝能力的需求。一些大跨徑拱橋施工階段采用鋼混凝土組合桿件，或鋼管混凝土，合攏后再澆注拱圈，可大大減輕吊裝重量。帶有鋼管的半剛性骨架很可能成為特

12、大跨徑拱橋最有前途的施工方法。施工階段拱圈輕型化后，施工階段穩(wěn)定性是關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題應(yīng)對(duì)各步驟的實(shí)際結(jié)構(gòu)，考慮幾何非線性和物理非線性的影響，計(jì)算每一步驟的穩(wěn)定系數(shù)，保證施工萬(wàn)無(wú)一失。 3、系桿拱、中承拱有較多采用的趨勢(shì)：系桿拱由于是無(wú)推力結(jié)構(gòu)，對(duì)墩臺(tái)要求，較低，整個(gè)橋型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便、輕巧，橋面視野開(kāi)闊，廣泛用于公路橋梁。在城市橋梁和平原地區(qū)通航河流上，中承拱往往頗受青睞因?yàn)樗山档蜆蚋?，矢跨比大，可減少推力；橋面建筑高度小，可縮短橋長(zhǎng)；造型美觀，為城鎮(zhèn)增添景色；造價(jià)也較低。目前發(fā)展趨勢(shì)較快。4、鋼管混凝土拱橋迅速發(fā)展：用鋼管、或者鋼管桁架，架設(shè)成拱在鋼管內(nèi)填充砼而形成的拱橋叫鋼管砼拱橋。鋼管混凝土作

13、為鋼混凝土組臺(tái)材料的一種，一方面借助內(nèi)填混凝土提高鋼管壁受壓時(shí)的穩(wěn)定性，提高鋼管的抗腐蝕性和耐久性，另一方面借助管壁對(duì)混凝土的套箍作用。提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度和延性將鋼材和混凝土有機(jī)組合起來(lái)；在施工方面鋼管混凝土可利用空心鋼管作為勁性骨架甚至模板，施工吊裝重量輕，進(jìn)度快，施工用鋼量省。由于在材料和施工方法上的優(yōu)越性，將這種結(jié)構(gòu)用于以受力為主的拱橋是十分合理的。鋼管混凝土的出現(xiàn)解決了拱橋材料和施工的兩大難題。所以鋼管混凝土拱橋目前在我國(guó)的發(fā)展勢(shì)頭迅猛。我國(guó)拱橋的主要結(jié)構(gòu)形式有：1、石拱橋是我國(guó)修建最早，類型有肋拱、板拱等；2、鋼拱橋； 3、混凝土拱橋類型有箱形拱、桁架拱、板拱、肋拱、剛架拱、桁式

14、組合拱、雙曲拱、系桿拱、中承式拱、鋼管混凝土拱等。其中不少橋型已居世界先進(jìn)水平。1.1.4 我國(guó)拱橋的施工方法施工方法是大跨徑拱橋最關(guān)鍵的技術(shù)。無(wú)支架施工是大跨徑拱橋的發(fā)展方向。目前我國(guó)拱橋主要施工方法有：1、纜索吊裝法: 纜索吊裝施工方法是我國(guó)修建大跨度拱橋的主要方法之一。也就是用塔架、纜索和扣索扣掛懸臂拱段，直至合攏。我國(guó)一般采用37段懸拼，個(gè)別多到11段，而且廣泛用于多孔。四川宜賓馬鳴溪金沙江大橋，為凈跨150m鋼筋混凝土箱拱，分5段吊裝，塊件重達(dá)70噸。福建南平玉屏山大橋，凈跨loom肋拱，分5段吊裝，塊件重達(dá)59.1噸。四川萬(wàn)縣長(zhǎng)江大橋(l=420m)也采用纜索吊裝，分11段，段長(zhǎng)4

15、0m，吊重50余噸。 2、轉(zhuǎn)體施工法: 半跨拱圈現(xiàn)場(chǎng)澆注，繞拱座作水平或豎直旋轉(zhuǎn)合攏。其中平轉(zhuǎn)施工拱橋是我國(guó)獨(dú)創(chuàng)。轉(zhuǎn)體施工法近幾年在我國(guó)發(fā)展很快，被廣泛用于拱橋施工中，且有所發(fā)展： 三峽對(duì)外公路卜的黃柏河、下牢溪大橋?yàn)橛衅胶庵氐钠睫D(zhuǎn)法，轉(zhuǎn)體總重達(dá)3500噸和3600噸，轉(zhuǎn)體重量為目前最大噸位，箕轉(zhuǎn)動(dòng)球鉸采用、下兩個(gè)經(jīng)過(guò)精密壓旋加工的半球型鋼板。河南安陽(yáng)文峰路立交橋在橋軸線反方向預(yù)制，豎轉(zhuǎn)到要求標(biāo)高后，再平轉(zhuǎn)180度合攏。 3、懸臂桁架法：將拱圈、立柱、臨時(shí)或永久的斜拉桿和上弦桿組成的桁架，懸臂施工直至合攏。我國(guó)主要用于組合桁拱，均采用懸拼，不需臨時(shí)桿件，但要用臨時(shí)預(yù)應(yīng)力筋?？鐝?30m 的江界

16、河橋用鋼人字桅桿作吊機(jī)，最大吊重120噸。 4、剛性骨架和半剛性骨架法：用型鋼做成拱形骨架，圍繞骨架澆注混凝土，形成拱嘲我國(guó)很少采用烈性骨架法，主要采用半剛性骨架，一般骨架合攏成拱后，分底、腹、頂板三層，自拱腳向拱頂澆注混凝土，為防止骨架失穩(wěn)，需在拱頂區(qū)段壓重，隨混凝土澆注至拱頂區(qū)段而逐步卸載。萬(wàn)縣長(zhǎng)江大橋和邕寧邕江大橋，用半剛性骨架法施工，但其骨架角隅，加直徑40cm的鋼管，骨架合攏后，管內(nèi)混凝土以加大骨架剛度。萬(wàn)縣長(zhǎng)江大橋采取了把每層混凝土分成6段，對(duì)稱并同時(shí)澆筑，使骨架下?lián)暇鶆?，避免了一般自拱腳向拱頂澆筑時(shí)反復(fù)變形較大、拱頂部位需壓重及預(yù)拱度呈馬鞍形等不利因素，是該法的一次重大改進(jìn)。5、

17、拱架施工法：我國(guó)主要利用貝雷架，在上弦加些小桿件形成貝雷拱架，進(jìn)行施工。如：湖南用單層貝雷拱架，并用斜拉索扣掛加勁，拼裝建成跨徑133m的纜子灣沅水大橋。綜上所述可知：目前我國(guó)有許多先進(jìn)且切實(shí)可行的施工方法，況且已形成了一套有自己特色的拱橋無(wú)支架施工方法即是以纜索吊裝為主，結(jié)合轉(zhuǎn)體施工法、半剛性骨架法及懸臂桁架法。當(dāng)然，還須進(jìn)一步發(fā)展和完善。在設(shè)計(jì)拱橋是要樹(shù)立"資源節(jié)約, 環(huán)境友好,安全舒適,經(jīng)濟(jì)合理,便于養(yǎng)護(hù)"的總體原則。1.2 論文簡(jiǎn)述1.2.1 課題介紹本論文課題為拱橋靜載受力分析和模態(tài)分析計(jì)算。研究的對(duì)象是系桿拱橋，為多次超靜定的空間結(jié)構(gòu)，計(jì)算內(nèi)容有：在本次建模中只

18、在橋梁的1/2（中跨）處，1/4處施加汽車荷載。利用ansys建模， 建模得出的數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)比于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，相互印證，相互提高。1.1.2 建模分析建模的分析橋梁在現(xiàn)實(shí)中的受力分析：1、說(shuō)明吊桿部分受拉部分受壓。最大的受拉吊桿是拱橋?qū)ΨQ中心吊桿兩側(cè)外的吊桿。2、拱肋只在豎直方向上受壓力作用。3、系梁在自重和汽車荷載的作用下受到拉力的作用。4、通過(guò)對(duì)模型的不同位置的加載模型在1/2處加載時(shí)模型1/2的豎向撓度最大。而1/4處的撓度為正。而在1/4處加載時(shí)，1/4處的豎向撓度最大，而1/2處為零。5、總之，組合體系拱橋的受力特點(diǎn)是：拱肋受壓，系梁受拉，斜吊桿有正有負(fù)。第二章 ansys軟件建模簡(jiǎn)略介紹

19、2.1 ansys發(fā)展ansys是一種廣泛的商業(yè)套裝工程分析軟件。所謂工程分析軟件，主要是在機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力負(fù)載所出現(xiàn)的反應(yīng)，例如應(yīng)力、位移、溫度等，根據(jù)該反應(yīng)可知道機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力負(fù)載后的狀態(tài)，進(jìn)而判斷是否符合設(shè)計(jì)要求。一般機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，受的負(fù)載也相當(dāng)多，理論分析往往無(wú)法進(jìn)行。想要解答，必須先簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，采用數(shù)值模擬方法分析。由于計(jì)算機(jī)行業(yè)的發(fā)展，相應(yīng)的軟件也應(yīng)運(yùn)而生，ansys軟件在工程上應(yīng)用相當(dāng)廣泛，在機(jī)械、電機(jī)、土木、電子及航空等領(lǐng)域的使用，都能達(dá)到某種程度的可信度，頗獲各界好評(píng)。使用該軟件，能夠降低設(shè)計(jì)成本，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。到80年代初期，國(guó)際上較大型的面向工程

20、的有限元通用軟件主要有：ansys, nastran, aska, adina, sap等。以ansys為代表的工程數(shù)值模擬軟件，是一個(gè)多用途的有限元法分析軟件，它從1971年的2.0版本與今天的5.7版本已有很大的不同，起初它僅提供結(jié)構(gòu)線性分析和熱分析，現(xiàn)在可用來(lái)求結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場(chǎng)及碰撞等問(wèn)題的解答。它包含了前置處理、解題程序以及后置處理，將有限元分析、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，已成為現(xiàn)代工程學(xué)問(wèn)題必不可少的有力工具。2.2 主要功能及特點(diǎn)ansys軟件是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元軟件，可廣泛的用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、汽車交通

21、、國(guó)防軍工、電子、土木工程、生物醫(yī)學(xué)、水利、日用家電等一般工業(yè)及科學(xué)研究。該軟件提供了不斷改進(jìn)的功能清單，具體包括：結(jié)構(gòu)高度非線性分析、電磁分析、計(jì)算流體力學(xué)分析、設(shè)計(jì)優(yōu)化、接觸分析、自適應(yīng)網(wǎng)格劃分及利用ansys參數(shù)設(shè)計(jì)語(yǔ)言擴(kuò)展宏命令功能。ansysde 主要技術(shù)特點(diǎn)是唯一能實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)及多場(chǎng)耦合分析的軟件, 唯一實(shí)現(xiàn)前后處理、求解及多場(chǎng)分析統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)的一體化大型fea軟件 , 唯一具有多物理場(chǎng)優(yōu)化功能的fea軟件, 唯一具有中文界面的大型通用有限元軟件, 強(qiáng)大的非線性分析功能 , 多種求解器分別適用于不同的問(wèn)題及不同的硬件配置 , 支持異種、異構(gòu)平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)浮動(dòng)，在異種、異構(gòu)平臺(tái)上用戶界面統(tǒng)一、

22、數(shù)據(jù)文件全部兼容 , 強(qiáng)大的并行計(jì)算功能支持分布式并行及共享內(nèi)存式并行 , 多種自動(dòng)網(wǎng)格劃分技術(shù), 良好的用戶開(kāi)發(fā)環(huán)境。2.3 典型的分析過(guò)程ansys分析過(guò)程包含三個(gè)主要的步驟：1 .創(chuàng)建有限元模型：創(chuàng)建或讀入限元模型；定義材料屬性；劃分網(wǎng)格2 .施加載荷并求解：施加載荷及設(shè)定約束條件；求解3 .查看結(jié)果：查看分析結(jié)果；檢查結(jié)果是否正確2.4 負(fù)載定義及附表ansys中有不同的方法施加負(fù)載以達(dá)到分析的需要。負(fù)載可分為邊界條件（boundary condition）和實(shí)際外力(external force)兩大類，在不同領(lǐng)域中負(fù)載的類型有：結(jié)構(gòu)力學(xué)：位移、集中力、壓力（分布力）、溫度（熱應(yīng)力）

23、、重力熱 學(xué)：溫度、熱流率、熱源、對(duì)流、無(wú)限表面磁 學(xué)：磁聲、磁通量、磁源密度、無(wú)限表面電 學(xué)：電位、電流、電荷、電荷密度流體力學(xué)：速度、壓力以特性而言，負(fù)載可分為六大類：dof約束、力（集中載荷）、表面載荷、體積載荷、慣性力有耦合場(chǎng)載荷。附表（結(jié)構(gòu)靜力學(xué)中常用的單元類型）類別形狀和特性單元類型桿普通雙線性link1,link8link10梁普通截面漸變塑性考慮剪切變形beam3,beam4beam54,beam44beam23,beam24beam188,beam189管普通浸入塑性pipe16,pipe17,pipe18pipe59pipe20,pipe602-d實(shí)體四邊形三角形超彈性單元

24、粘彈性大應(yīng)變諧單元p單元plane42,plane82,plane182plane2hyper84,hyper56,hyper74visco88viso106,viso108plane83,ppnae25plane145,plane1463-d實(shí)體塊四面體層各向異性超彈性單元粘彈性大應(yīng)變p單元solid45,solid95,solid73,solid185solid92,solid72solid46solid64,solid65hyper86,hyper58,hyper158viso89viso107solid147,solid148第三章 有限元分析3.1模型參數(shù)橋梁結(jié)構(gòu)模型構(gòu)造參數(shù)如下：1

25、、吊桿：吊桿采用圓形mm黃銅桿，黃銅牌號(hào)為h62。物理性能選取如下：密度：8600kg/；泊松比：0.3；線膨脹系數(shù)：1.78×；彈性模量：e93gpa。2、拱肋、橫撐、系梁、橫梁拱肋、橫撐、系梁、橫梁采用圓形鋁合金材質(zhì)。其中系梁、橫截面尺寸： 38mm×25mm，厚度2mm.。拱肋截面尺寸為mm，厚度4mm，橫撐尺寸為mm，厚度1mm； 鋁合金管材物理性能選取如下：密度：2700 kg/，泊松比：0.33， 線膨脹系數(shù)：2.36×，彈性模量：e70gpa。小車輪距：207mm 小車自重：128kg3、所用儀器設(shè)備: 多點(diǎn)靜態(tài)應(yīng)變儀、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、位移計(jì)、小車。4、

26、系梁橫截面拱肋橫截面面吊桿截面254185382實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D如下：5、各吊桿與x軸的夾角及間距圖：3.2 建模過(guò)程第1步：分析環(huán)境設(shè)置1. 進(jìn)入ansys/multiphysics的程序界面后，通過(guò)菜單項(xiàng)utility menu > file > change jobname，指定分析的工作名稱： arch bridge.2. 通過(guò)菜單項(xiàng)utility menu > file > change title，指定圖形顯示區(qū)域的標(biāo)題: arch bridge.第2步：進(jìn)入前處理器：設(shè)置完成后，點(diǎn)取菜單項(xiàng)main menu > preprocessor 進(jìn)入前處理器pre

27、p7以開(kāi)始建模和其他的前處理操作；第3步：參數(shù)選取（preferences）：?jiǎn)螕鬽ain menupreferences彈出preferences for gui filtering 對(duì)話框選取 structural,及h-method,單擊ok按鈕。第4步：定義單元類型（element type）：?jiǎn)螕鬽ain menupreprocessorelement typeadd/edit/delete,彈出element type對(duì)話框。單擊add按鈕，彈出library of element types 對(duì)話框，在structural mass下選取beam188作為1號(hào)單元，單擊apply

28、, 在structural mass下選取link8作為2號(hào)單元，單擊ok。這兩個(gè)單元類型就是本建模的類型。然后在element type對(duì)話框單擊close關(guān)閉對(duì)話框?！菊f(shuō)明】：（1）link(桿)系列：link1(2d)和link8(3d)用來(lái)模擬桁架，一根桿劃一個(gè)單元； link10用來(lái)模擬拉索，注意要加初應(yīng)變，一根索可多分單元； link180是link10的加強(qiáng)版，一般用來(lái)模擬拉索；（2）beam(梁)系列：beam3(2d)和beam4(3d)是經(jīng)典歐拉梁?jiǎn)卧?，用?lái)模擬框架中的梁柱； beam44適合模擬薄壁的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件或者變截面的構(gòu)件，是一種具有承受拉、壓、扭轉(zhuǎn)和彎曲能力的單軸梁

29、； beam188和beam189號(hào)稱超級(jí)梁?jiǎn)卧阼F木辛科梁理論，有諸多優(yōu)點(diǎn)：考慮剪切變形的影響，截面可設(shè)置多種材料，截面慣性矩不用自己計(jì)算而只需輸入截面特征，可以考慮扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，可以變截面，可以方便地把兩個(gè)單元連接處變成鉸接，隨著版本的升級(jí)188單元已經(jīng)很完善。beam189與beam188的區(qū)別是有3個(gè)結(jié)點(diǎn)：beam188 單元適合于分析從細(xì)長(zhǎng)到中等粗短的梁結(jié)構(gòu)，該單元基于鐵木辛哥梁結(jié)構(gòu)理論，并考慮了剪切變形的影響。 beam189 適合于細(xì)長(zhǎng)的 stubby/thick 的梁結(jié)構(gòu)。 元素基于 timoshenko 梁理論，包含切應(yīng)變。對(duì)于非線性材料，使用beam188和beam189來(lái)

30、代替beam44；beam54 是單軸的元素，能承受拉壓與彎曲。第5步：確定實(shí)常數(shù)（real constants）：?jiǎn)螕鬽ain menupreprocessorreal constants add/edit/delete,單擊add，由于beam188不要求定義實(shí)常數(shù)，只定義link8的實(shí)常數(shù)，填入對(duì)應(yīng)的no.值，area值，其初始應(yīng)變值為0.第6步： 定義材料屬性（material models）：、單擊main menupreprocessormaterial propsmaterial models，彈出define material model behavior對(duì)話框，單擊右側(cè)列表框

31、中的材料模型structurallinearelasticisotropic，彈出linear isotropic properties for material number 1對(duì)話框，在ex欄輸入7e10, 在prxy欄輸入0.33，單擊ok 按鈕。單擊density彈出對(duì)話框，在dens欄輸入2700,單擊ok按鈕。此為material model number 1； 、在define material model behavior對(duì)話框，點(diǎn)擊materialnew model,彈出define material id對(duì)話框，在對(duì)話框中輸入“2”，單擊ok按鈕，單擊右側(cè)列表框中的材料模型

32、structurallinearelasticisotropic，彈出linear isotropic properties for material number 2對(duì)話框，在ex欄輸入9.3e10, 在prxy欄輸入0.3，單擊ok 按鈕。單擊density彈出對(duì)話框，在dens欄輸入8600,單擊ok按鈕。 關(guān)閉define material model behavior對(duì)話框。第7步：確定截面值（sections）：?jiǎn)螕鬽ain menupreprocessorsectionsbeamcommon sections，彈出beam tool對(duì)話框，按以下列表輸入：idnamesub-ty

33、peoffset to輸入值1arch圓環(huán)圖centroidri=0.005,ro=0.009,n=02link實(shí)心圓centroidr=0.0025，3beam矩形圖centroidw1=0.038,w2=0.025,t1=t2=t3=t4=0.0024across矩形圖centroidw1=w2=0.025, t1=t2=t3=t4=0.00125support實(shí)心圓centroidr=0.004第8步： 實(shí)體建模（modeling）:點(diǎn)線、關(guān)鍵點(diǎn)的輸入，其列表如下： 點(diǎn)編號(hào)數(shù)坐標(biāo)（x,y,z）點(diǎn)編號(hào)數(shù)坐標(biāo)（x,y,z）點(diǎn)編號(hào)數(shù)坐標(biāo)（x,y,z）10,0,0260,0,-45017300,

34、170,02150,0,027150,0,-45018600,310,03450,0,028450,0,-45019900,410,04690,0,029690,0,-450201200,480,05750,0,030750,0,-450211500,500,061050,0,0311050,0,-450221800,480,071200,0,0321200,0,-450232100,410,081350,0,0331350,0,-450242400,310,091500,0,0341500,0,-450252700,170,0101650,0,0351650,0,-45042300,170,

35、-450111950,0,0361950,0,-45043600,310,-450122250,0,0372250,0,-45044900,410,-450132310,0,0382310,0,-450451200,480,-450142550,0,0392550,0,-450461500,500,-450152850,0,0402850,0,-450471800,480,450163000,0,0413000,0,-450482100,410,-450492400,310,-450502700,170,-450、關(guān)鍵點(diǎn)的連線，其圖如下：線正面編號(hào)圖：線背面編號(hào)圖：第九步：網(wǎng)格劃分（meshi

36、ng）:建立關(guān)鍵點(diǎn)100(0,-1,0), 101(0,0,-1.405), 以待備用.、網(wǎng)格屬性（mesh attributes）: 單擊main menupreprocessormeshing mesh attributespicked lines,（1）,選取橫梁所有線單元，單擊ok，彈出line attributes對(duì)話框，在“mat material number”欄選取1，在“real real constant set number” 欄選取2，在“type element type number”欄選取 1 beam188, 在“sect element section”欄選取

37、 3 beam,在“pick orientation keypiont(s)”欄選取 yes, 點(diǎn)擊apply按鈕，彈出的line attributes對(duì)話框，拾取關(guān)鍵點(diǎn)，點(diǎn)擊apply按鈕;（2）彈出的line attributes對(duì)話框，選取所有拱肋樣條線單元，單擊ok，彈出line attributes對(duì)話框，在“mat material number”欄選取1，在“real real constant set number” 欄選取2，在“type element type number”欄選取 1 beam188, 在“sect element section”欄選取 1 arch,

38、在“pick orientation keypiont(s)”欄選取 no, 點(diǎn)擊apply按鈕; （3），彈出的line attributes對(duì)話框，選取所有吊桿單元，單擊ok，彈出line attributes對(duì)話框，在“mat material number”欄選取2，在“real real constant set number” 欄選取2，在“type element type number”欄選取1 beam188, 在“sect element section”欄選取 2 link ,在“pick orientation keypiont(s)”欄選取 no, 點(diǎn)擊apply按鈕

39、; （4），彈出的line attributes對(duì)話框，選取所有橫撐線單元，單擊ok，彈出line attributes對(duì)話框，在“mat material number”欄選取1，在“real real constant set number” 欄選取2，在“type element type number”欄選取 1 beam188, 在“sect element section”欄選取 5 support ,在“pick orientation keypiont(s)”欄選取 no, 點(diǎn)擊apply按鈕;（5），彈出的line attributes對(duì)話框，選取所有系梁線單元，單擊ok，彈

40、出line attributes對(duì)話框，在“mat material number”欄選取1，在“real real constant set number” 欄選取2，在“type element type number”欄選取 1 beam188, 在“sect element section”欄選取 4 across ,在“pick orientation keypiont(s)”欄選取 no, 點(diǎn)擊ok按鈕。、尺寸控制（size cntrls）: 單擊main menupreprocessormeshingsize cntrlsmanualsizeslinespicked lines，

41、彈出element sizes on picked lines 對(duì)話框，選取線l1,l6,l7,l9,l10,l15，點(diǎn)擊apply按鈕，彈出 element sizes on picked lines 對(duì)話框，在“ndiv no. of element divisions” 欄輸入2，點(diǎn)擊apply按鈕； 彈出element sizes on picked lines 對(duì)話框，選取線l2,l5,l11,l14, 點(diǎn)擊apply按鈕，彈出 element sizes on picked lines 對(duì)話框，在“ndiv no. of element divisions”欄輸入4，點(diǎn)擊apply

42、按鈕； 彈出element sizes on picked lines 對(duì)話框，選取線l4,l12, 點(diǎn)擊apply按鈕，彈出 element sizes on picked lines 對(duì)話框，在“ndiv no. of element divisions”欄輸入1，點(diǎn)擊apply按鈕； 彈出element sizes on picked lines 對(duì)話框，選取線l3, l13, 點(diǎn)擊apply按鈕，彈出 element sizes on picked lines 對(duì)話框，在“ndiv no. of element divisions”欄輸入3，點(diǎn)擊apply按鈕；彈出element si

43、zes on picked lines 對(duì)話框，選取線l8, 點(diǎn)擊apply按鈕，彈出 element sizes on picked lines 對(duì)話框，在“ndiv no. of element divisions”欄輸入6，點(diǎn)擊apply按鈕； 彈出對(duì)話框，把拱肋，系梁，橫撐分為4份，把吊桿分為1份。、網(wǎng)格劃分（mesh）: 單擊main menupreprocessormeshingmeshlines，彈出mesh lines 對(duì)話框，拾取線單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分?！菊f(shuō)明】把系桿與拱肋之間的鉸接看成鋼接的原因：拱肋與吊桿之間鉸接構(gòu)造,拱肋只承受軸向力,不承受彎矩；雖然剛性連接的剛度，理論上需

44、要達(dá)到無(wú)限大，但實(shí)際上只要達(dá)到一定的限值就可以看作是剛性連接。第十步：求解(solution）：（1）施加邊界條件：?jiǎn)螕鬽ain menupreprocessorsolutiondefine loadsapplystructuraldisplacementon lines，彈出“apply u，rot on lines”對(duì)話框，選取線l82, 點(diǎn)擊apply按鈕，在“apply u，rot on lines”對(duì)話框選取“ux,uy”, 點(diǎn)擊apply按鈕; 彈出“apply u，rot on lines”對(duì)話框，選取線l92，在“apply u，rot on lines”對(duì)話框選取 “uy”,

45、單擊ok按鈕。（2）施加荷載：1). 只有自重作用；2). 在1/2處(中跨)加汽車荷載；3). 在1/4處加汽車荷載；3). 在3/4處加汽車荷載；3.3 加載及后處理3.3.1 簡(jiǎn)述自重(deadweight)作用1、輸入命令：（acel,0,1,0）+enter，其圖如上：2、求解：?jiǎn)螕鬽ain menupreprocessorsolutionsolvecurrent ls，彈出solve current load step，點(diǎn)擊ok按鈕，求解完成。3、自重變形圖：4、單元應(yīng)力應(yīng)變表：自重應(yīng)力圖如下：(1)、定義表：?jiǎn)螕鬽ain menugeneral postprocessorelem

46、ent tabledefine table，彈出element table data 對(duì)話框，點(diǎn)擊add按鈕，彈出define additional element table items 對(duì)話框，在lab user label for item 欄輸入link stress，在item, comp results data item欄選取by sequence num, 在子欄選取ls,并輸入1，單擊apply按鈕; 彈出define additional element table items 對(duì)話框，在lab user label for item 欄輸入link strain，在ite

47、m, comp results data item欄選取by sequence num, 在子欄選取lepel,并輸入1，單擊apply按鈕; 彈出define additional element table items 對(duì)話框，在lab user label for item 欄輸入beam up stress，在item, comp results data item欄選取by sequence num, 在子欄選取smisc,并輸入32，單擊apply按鈕; 彈出define additional element table items 對(duì)話框，在lab user label for

48、item 欄輸入beam down stress，在item, comp results data item欄選取by sequence num, 在子欄選取smisc,并輸入33，單擊apply按鈕; 彈出define additional element table items 對(duì)話框，在lab user label for item 欄輸入beam up strain，在item, comp results data item欄選取by sequence num, 在子欄選取smisc,并輸入42，單擊apply按鈕; 彈出define additional element table

49、items 對(duì)話框，在lab user label for item 欄輸入beam down strain，在item, comp results data item欄選取by sequence num, 在子欄選取smisc,并輸入43，單擊ok按鈕; 關(guān)閉define additional element table items 對(duì)話框。(2)、列表顯示：?jiǎn)螕鬽ain menugeneral postprocessorelement tablelist elem table, 彈出 list element table data 對(duì)話框，在lab1-9 items to be liste

50、d欄分別選取link stress，link strain，beam up stress，beam down stress，beam up strain，beam down strain，單擊ok按鈕，所有需要的應(yīng)力應(yīng)變值均在pretab command中。由于自重作用不是該模型的主要部分，在這里只做簡(jiǎn)單描述。自重應(yīng)力圖如下：3.3.2 在中跨處施加車輛荷載(load)1、施加自重作用：由于自重作用是恒載，先施加自重作用。輸入命令：（acel,0,1,0）。2、找節(jié)點(diǎn)：說(shuō)明：由于車輪輪距是0.207m，在這里把輪距近似為0.200m考慮，對(duì)結(jié)果的影響不大。四個(gè)輪子的位置是：x=1.4及x=1.

51、6處；其中車輛荷載為470.4kn，平均到每個(gè)輪的力為117.6kn。在四個(gè)節(jié)點(diǎn)上施加荷載：(1)、單擊selectentities，彈出select entities 對(duì)話框，選?。簄odes，by location, x coordinates,在“min, max”欄輸入1.4，1.4，單擊ok按鈕；(2)、單擊plotctrlsnumbering controls，彈出plot numbering controls對(duì)話框，在“node node numbers”欄選取“on”狀態(tài)，點(diǎn)擊ok按鈕；(3)、點(diǎn)擊plotnodes，可以看到點(diǎn)39，點(diǎn)163；同理能夠找到x=1.6，x=1.6

52、的兩個(gè)nodes（點(diǎn)43，167）。3、加載：?jiǎn)螕鬽ain menupreprocessorsolutiondefine loadsapplystructuralforce/momenton nodes，彈出apply f/m on nodes對(duì)話框，在 “l(fā)ab direction force/mom” 欄選擇fy，在“apply as”欄選擇 constant value，在“value force/moment value”欄輸入-117.6，單擊ok按鈕。其圖如下：4、求解：?jiǎn)螕鬽ain menupreprocessorsolutionsolvecurrent ls，彈出solve c

53、urrent load step，點(diǎn)擊ok按鈕，求解完成。5、單元應(yīng)力應(yīng)變表：吊桿的應(yīng)力應(yīng)變值：桿單元應(yīng)力值應(yīng)變值桿單元應(yīng)力值應(yīng)變值237-6.16e+06-0.6618e-04255-0.61553e+07-0.66186e-042380.27937e+070.30040e-042560.27937e+070.30040e-04239-0.30446e+07-0.32737e-04257-0.30446e+07-0.32737e-042400.31315e+070.33672e-042580.31315e+070.33672e-04241-0.27883e+07-0.29982e-04259

54、-0.27883e+07-0.29982e-042420.33194e+070.35692e-042600.33194e+070.35692e-04243-0.35645e+07-0.38328e-04261-0.35645e+07-0.38328e-042440.54777e+070.58900e-042620.54777e+070.58900e-042450.10894e+070.11714e-042630.10894e+070.11714e-042460.10894e+070.11714e-042640.10894e+070.11714e-042470.54777e+070.58900e-042650.54777e+