Midas軟件指導結構模型設計——大學生結構設計競賽經(jīng)驗漫談

1、midas軟件指導結構模型設計一一大學生結構設計競賽經(jīng)驗漫談midas軟件指導結構模型設計一一大學生結構設計競賽經(jīng)驗漫談z二崔苗苗全國大學生結構設計競賽是國家教育部批準的九個大學生競賽資助項冃2，大賽旨在 培養(yǎng)人學生的創(chuàng)新意識與合作精神，提高人學生的創(chuàng)新設計能力和動手實踐能力。人賽自 舉辦以來，得到了全國各大高校相關專業(yè)師生的廣泛關注。筆者有幸參加了兩屆校級結構設計竟賽，并代表學校參加了第二屆全國人學生結構設計 競賽。作為比賽的參與者，我現(xiàn)將結合自c第二屆結構設計大賽中的參賽作胡，對在比賽 中如何1e確使用軟件來指導設計這一點的相關認識和經(jīng)驗略作總結，供各位參考。一、結構設計人賽的特點在實際橋

2、梁設計中，應遵循安全、適用、經(jīng)濟、美觀的基本原則。作為橋梁模型設計競 賽，則是基于競賽條件，對這四個準則的體現(xiàn)和靈活運川。安全，即耍求橋梁模型能承受 足夠的小車荷載，包扌舌靜載和動載；適用，即要求模型的撓度變形得到控制，包括結構跨 中撓度及橋面變形；經(jīng)濟，即耍求模型的口重輕，承載能力大，達到較大的“荷重比”； 美觀，即耍求模型造型簡潔，受力合理，制作精細。比較而言，對"荷重比”的追求和對結構變形的控制成為決定模型優(yōu)劣的關鍵。作為結 構竟賽模型，由于所使用材料的原因，其與現(xiàn)實橋梁的最人不同點在于：活載的比重非常 大，恒載兒乎可以忽略，實橋都有著足夠的自重（恒載），而模型設計中兒乎無法考

3、慮恒 載的作用。正是由于這個差別，導致模型設計與實橋設計z間存在著“大相徑庭” z處。 這也是在結構設計過程中應重點考慮的方面。二、結構冇限元分析概述對靜定結構和簡單超靜定結構，可采用結構力學方法計算分析。由于結構模型一般為超 靜定結構，采用對模型簡化后進行手算的方法，不僅費時，而且計算結果也會存在很人的 誤差，這就要求我們學會用有限元軟件來對結果進行受力分析。橋梁模型結構分析和實際橋梁結構分析的主要內(nèi)容主要在計算深度上存在一定的差別， 計算內(nèi)容基本相同，主要包括：1）內(nèi)力分析與強度驗算：主要是活載作用下結構的內(nèi)力、位移、反力等的計算，各構 件強度的驗算。2）結構穩(wěn)上性計算：包括整體穩(wěn)泄和局部

4、穩(wěn);e;橋梁模型結構分析和實際橋梁結構分析的基本步驟基本相同，人致為:1）確定已知條件：一般在結構設計人賽竟賽細則屮給出；2）建立分析模型：單元編號、節(jié)點編號、確定邊界條件、單元的材料和幾何特性、荷 載簡化；3）選擇求解方法：有限單元法；4）分析計算：單元的軸力、剪力和彎矩；5）演算計算結果（結果不正確修改模型重新設計）:計算結果是否符合常規(guī)要求；6）計算結果止確判斷其是否滿足指標要求（不滿足修改設計重新計算）：在滿載情況 下是否超出結構設計人賽競賽細則屮規(guī)定的限制；7）計算結果滿足指標要求，分析計算結杲。三、實例分析以下結合自己在第二屆結構設讓大賽中的參賽作品，來闡述如何正確運用midas分

5、析結 果來指導模型設計。1. 模型概述：綜合考慮木次比賽規(guī)左的材料以及加載條件，并結合橋梁專業(yè)知識分析，認為空腹式的 桁架是各種橋式的首選結構。經(jīng)過一個月的模型試驗，我們最終采用的方案結構體系為兩 跨簡支角腹式桁梁橋，為無豎桿的三角形桁架，模型按1005mm+1005mm等跨布一置，全長 2010mm,寬200mm。兩縱梁中心跖為130mm,橋面板自縱梁外緣向外各懸挑30mm,實際通 車橋面寬200mmo縱梁采用單箱截而，梁高10mm,箱寬9mm；橫梁也采用單箱截而，不等間 距布置，梁高1 omni,寬9imn；腹桿為不等節(jié)間布置，截面采用6mn）x 10mm矩形空心管；下 弦桿采用紙帶，尺寸

6、髙1 加m,寬8mm；下弦跨中橫聯(lián)采用正三角形截面，邊長為8mm；橋 面采用經(jīng)厚薄處理的整塊紙張連續(xù)鋪設。圖12分別為最終設計的立曲、平囪及各桿件 截面示意圖。圖1立面布置示意（不包括橋面和局部加勁構造單位：mm）圖2平面布置示意（不包括橋面和局部加勁構造單位：mm）2. 模型簡化由于計算機模擬分析紙質(zhì)橋梁模型的局限性，我們對計算模型進行了下列簡化和假定：1. 采用空間梁單元模擬桁架結構；2. 車輪荷載按橫向線集度荷載在兩片主桁間進行分配，等效為作用在縱梁上的集屮荷載;3. 不考慮橋面板參與受力；4 忽略橋面及橋面系局部加勁構造的作川；5.兩跨受力模式一樣，僅取-跨進行計算分析。應該承認，上述

7、簡化和假泄會帶來一定的計算誤差。考慮到理論分析用丁紙質(zhì)模型的指 導性作用，這樣的簡化和假定是對以接受的。3. 荷載簡化采用簡化計算模型，考慮將小車荷載轉(zhuǎn)化為加載在左右兩根縱梁上的移動點荷載來計 算，將總重為100n的小車荷載簡化為加載在兩根縱梁上的豎向點荷載，即左右兩個縱梁 分別加載40n和10n的力，簡化后的等價小車荷載模式如圖3所示。圖3簡化后的小車荷載（單位：mm）4. 計算模型單元編號桁梁模型單元的編號見圖3、圖4。鑒于縱梁的重要性，每節(jié)間的縱梁劃分為35個單 元；為使計算便捷，將其余桿件均視作一個單元。圖4縱梁單-元編號圖5腹桿單元編號5. 結構優(yōu)化分析：在結構設計大賽中，結構設計仍

8、然是按常規(guī)設計這種半理論半經(jīng)驗的設計方法，常常帶 有一定的盲目性和偶然性。曲于設計過程中設計人員片而追求結構的承載力和安全性往往 造成材料不必要的浪費，另外設計過程中簡化掉的部分對結構受力也存在這一定的影響， 因此在設計過程中不能良好的反應結構的真實受力狀態(tài)。比如桁架橋在設計過程屮假定節(jié) 點為餃接，這種假設與實際結構必然存在這一定的謀差，因此運用計算機手段，對橋梁結 構模型進行設計和優(yōu)化是必耍的。在結構模型施工屮不像實際橋梁施工那樣要考慮很多施 工方便的要求，我們可以盡可能的去充分利用材料的性能，使用任何截面形式，任何尺寸 的桿件。在此僅對縱梁中心距的優(yōu)化和47號紙帶單元截而尺寸的選取進行闡述

9、。5.1縱梁中心跖的優(yōu)化根據(jù)第二屆全國結構設計人賽的規(guī)則町知，在滿足小車通行的前提下，兩根縱梁的間距 可以任意選擇，這里僅對縱梁中心距為150晰和200血兩個模型進行內(nèi)力對比分析，以確 定縱梁中心距。腹桿單元可近似按軸心受壓構件計算，根據(jù)midas軟件的桁架單元內(nèi)力分析結果可知53 號腹桿單元為控制單元；縱梁單元同時受軸向應力、彎曲應力和剪應力的作用，根據(jù)軟件 的應力分析結果可知68號梁單元為控制截而；跨中撓度的大小也為木次模型設計成功與 否的關鍵因素。兩個模型的53號、68號單元內(nèi)力和跨中撓度計算結果如表1所示：兩個模型對比分析：1、兩種模型的腹桿軸m力分別為：1 n161.62915.90

10、n/mm2 fc 14n/mm2a10.442 n264.44256. 17n/mm2 fc 14n/mm2 a10.4412 fc 14n/mm2,故兩種模型的腹桿單元均滿足強度要求?？v梁中心距為150mm時軸應力較小。（容許應力fc 14n/mm2通過試驗獲得）2、采用第四強度理論計算兩種模型68號縱梁單元的相當應力：rl20.8n/mm2 fc 21n/mm2r220.5n/mm2 fc 21n/mm2r2rl fc 21n/mm2,故兩種模型的縱梁單元強度均滿足要求?？v梁中心距為200mm時相當應力較小。3、di d2 dmax 20mm,故兩種模型的剛度均滿足要求?？v梁屮心距為150

11、mm時跨中 撓度較小。4、兩種模型的成橋質(zhì)量估算分別為：ml 320g, m2 380g；荷重比分別為：f1100001000031.25, f2 26.32 320380fl f2,故縱梁中心距為150mm時荷重比較人。綜上所述，當縱梁中心距為150mm時,53號腹桿軸力,跨中撓度均較小,且荷重比較人；盡管當縱梁屮心為200mm時68號縱梁單元的相當應力較小，但二者相差不人；故 由以上分析可知當縱梁中心距為150mm,模型設計比校合理。5.2 47號紙帶單元截面尺 寸的選取這里取縱梁中心距為150rmn模型的47號紙帶單元來展開分析，以介紹用軟件分析結果 來指導材料使用的方法，其它單元分析方

12、法類似。基于我校參加第二次結構設計大賽的材料試驗結果和補充試驗數(shù)據(jù)，并參考有關資料， 擬定8mni寬的紙帶的性能參數(shù)如表2所示。表2材料性能參數(shù)橋梁模型結構的各桿件單元采川不同層數(shù)的白卡紙制成，軟件分析計算中采川表3中所 列參數(shù)。47號紙帶單元為桁架單元，主要承受拉力，由midas分析結果得具軸力為126. 87n。1) 選取一層白卡紙：f126.8752.86n/mm222.2n/mm2,不滿足要求；a2.42)選取二層白卡紙：f126.8726.43n/mm2 44n/mm2,滿足要求；a4.8綜上可知，兩層弘山的白卡紙可以滿足要求，但處丁結構的構造要求和47號紙帶單元 對結構的重要性，最終我們選定47號紙帶單元采用三層8nim的紙帶。四、結語本文對結構模型有限元分析進行了概述，并結合自己