重慶大學(xué)土木工程學(xué)院級有限元ANSYS課程作業(yè)

1、桁架橋的桿單元模型與梁單元模型的比較分析該桁架橋模型為一工程實(shí)例，其相關(guān)參考資料如下：頂梁及側(cè)梁，橋身弦桿，底梁分別采用3種不同型號的型鋼，結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。橋長L=32m,橋高H=5.5m。橋身由8段桁架組成，每段長4m。該橋梁可以通行卡車，若這里僅考慮卡車位于橋梁中間位置，假設(shè)卡車的質(zhì)量為4000kg，若取一半的模型，可以將卡車對橋梁的作用力簡化為P1 ，P2和P3 ，其中P1= P3=5000 N, P2=10000N，見圖1。通過兩種不同的單元建立模型，比較兩種不同單元建立的模型在其他條件相同情況的位移和軸力分析。圖1 桁架橋的簡化平面模型-梁單元(取橋梁的一半) 圖2 桁架橋的簡化平面

2、模型-桿單元(取橋梁的一半)表1 橋梁結(jié)構(gòu)中各種構(gòu)件的幾何性能參數(shù)構(gòu)件慣性矩m4橫截面積m2頂梁及側(cè)梁橋身弦梁底梁一、BEAM單元模型建模過程如下：(1) 設(shè)置工作名稱及圖形標(biāo)題 選擇菜單項(xiàng)Utility Menu Jobname，指定分析工作名稱為TrussBridge；再通過菜單項(xiàng)Utility Menu Title，指定圖形顯示區(qū)域的標(biāo)題為Bridge。(2) 設(shè)置計(jì)算類型ANSYS Main Menu：Preferences Structural OK，通過Main Menu：Preprocessor 進(jìn)入前處理器開始建模。(3) 定義單元類型ANSYS Main Menu：Prepr

3、ocessor Element Type Add/Edit/Delete. Add Beam: 2d elastic 3 OK Close定義完單元類型關(guān)閉窗口。 圖1.1 定義單元類型 圖1.2定義實(shí)常數(shù)(4) 定義實(shí)常數(shù)以確定梁單元的截面參數(shù)ANSYS Main Menu: Preprocessor Real Constants Add/Edit/Delete Add select Type 1 Beam 3 OK input Real Constants Set No. : 1 , AREA: 2.19E-3，Izz: 3.83e-6(1號實(shí)常數(shù)用于頂梁和側(cè)梁) Apply input

4、Real Constants Set No. : 2 , AREA: 1.185E-3，Izz: 1.87E-6 (2號實(shí)常數(shù)用于弦桿) Apply input Real Constants Set No. : 3, AREA: 3.031E-3，Izz: 8.47E-6 (3號實(shí)常數(shù)用于底梁) OK Close。如圖1.2 。(5) 定義材料參數(shù)ANSYS Main Menu: Preprocessor Material Props Material Models Structural Linear Elastic Isotropic input EX: 2.1e11, PRXY: 0.3(

5、定義泊松比及彈性模量) OK Density (定義材料密度) input DENS: 7800, OK Close。如圖1.3 。 圖1.3定義材料參數(shù)(6) 構(gòu)造桁架橋模型生成橋體幾何模型ANSYS Main Menu：Preprocessor Modeling Create Keypoints In Active CS NPT Keypoint number：1；X，Y，Z Location in active CS：0，0 Apply 同樣輸入其余15個(gè)特征點(diǎn)坐標(biāo)（最左端為起始點(diǎn)，坐標(biāo)分別為 (4,0), (8,0), (12,0), (16,0), (20,0), (24,0), (

6、28,0), (32,0), (4,5.5), (8,5.5), (12,5.5), (16.5.5), (20,5.5), (24,5.5), (28,5.5)） Lines Lines Straight Line 依次分別連接特征點(diǎn) OK網(wǎng)格劃分ANSYS Main Menu: Preprocessor Meshing Mesh Attributes Picked Lines 選擇橋頂梁及側(cè)梁 OK select REAL: 1, TYPE: 1 Apply 選擇橋體弦桿 OK select REAL: 2, TYPE: 1 Apply 選擇橋底梁 OK select REAL: 3, T

7、YPE:1 OK ANSYS Main Menu：Preprocessor Meshing MeshTool 位于Size Controls下的Lines：Set Element Size on Picked Pick all Apply NDIV：1 OK Mesh Lines Pick all OK (劃分網(wǎng)格)(7) 模型加約束ANSYS Main Menu: Solution Define Loads Apply Structural Displacement On Nodes 選取橋身左端節(jié)點(diǎn) OK select Lab2: All DOF Apply 選取橋身右端節(jié)點(diǎn) OK sel

8、ect Lab2: UY OK(8) 施加載荷ANSYS Main Menu: Solution Define Loads Apply Structural Force/Moment On Keypoints 選取底梁上卡車兩側(cè)關(guān)鍵點(diǎn)（X坐標(biāo)為12及20） OK select Lab: FY，Value: -5000 Apply 選取底梁上卡車中部關(guān)鍵點(diǎn)（X坐標(biāo)為16） OK select Lab: FY，Value: -10000 OK ANSYS Utility Menu： Select Everything圖1.4 桁架橋模型(9) 計(jì)算分析ANSYS Main Menu：Solutio

9、n Solve Current LS OK (10) 結(jié)果顯示ANSYS Main Menu：General Postproc Plot Results Deformed shape Def shape only OK（返回到Plot Results） Contour Plot Nodal Solu DOF Solution, Y-Component of Displacement OK（顯示Y方向位移UY）定義線性單元I節(jié)點(diǎn)的軸力ANSYS Main Menu General Postproc Element Table Define Table Add Lab: bar_I, By seq

10、uence num: SMISC,1 OK Close定義線性單元J節(jié)點(diǎn)的軸力ANSYS Main Menu General Postproc Element Table Define Table Add Lab: bar_J, By sequence num: SMISC,1 OK Close畫出線性單元的受力圖ANSYS Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Line Elem Res LabI: bar_I, LabJ: bar_J, Fact: 1 OK圖1.5 桁架橋Y方向位移圖圖1.6 桁架橋軸力圖(11) 退出系

11、統(tǒng)ANSYS Utility Menu：File Exit Save Everything OK計(jì)算結(jié)果顯示：桁架橋Y方向最大位移為0.003375m，最大軸力為25380N 。二、Link單元建模過程如下：(1) 設(shè)置工作名稱及圖形標(biāo)題 選擇菜單項(xiàng)Utility Menu Jobname，指定分析工作名稱為TrussBridge2；再通過菜單項(xiàng)Utility Menu Title，指定圖形顯示區(qū)域的標(biāo)題為Bridge-link。(2) 設(shè)置計(jì)算類型ANSYS Main Menu：Preferences Structural OK(3) 定義單元類型ANSYS Main Menu：Prepro

12、cessor Element Type Add/Edit/Delete. Add Link: 2D spar 1 OK Close定義完單元類型關(guān)閉窗口 。 圖2.1 定義單元類型 圖2.2 定義實(shí)常數(shù)及界面參數(shù)(4) 定義實(shí)常數(shù)以確定梁單元的截面參數(shù)ANSYS Main Menu: Preprocessor Real Constants Add/Edit/Delete Add select Type 1 Beam 3 OK input Real Constants Set No. : 1 , AREA: 2.19E-3，Izz: 3.83e-6(1號實(shí)常數(shù)用于頂梁和側(cè)梁) Apply inp

13、ut Real Constants Set No. : 2 , AREA: 1.185E-3，Izz: 1.87E-6 (2號實(shí)常數(shù)用于弦桿) Apply input Real Constants Set No. : 3, AREA: 3.031E-3，Izz: 8.47E-6 (3號實(shí)常數(shù)用于底梁) OK (back to Real Constants window) Close (the Real Constants window)(5) 定義材料參數(shù)ANSYS Main Menu: Preprocessor Material Props Material Models Structura

14、l Linear Elastic Isotropic input EX: 2.1e11, PRXY: 0.3(定義泊松比及彈性模量) OK Density (定義材料密度) input DENS: 7800, OK Close（關(guān)閉材料定義窗口）圖2.3定義材料參數(shù)(6) 構(gòu)造桁架橋模型生成橋體幾何模型ANSYS Main Menu：Preprocessor Modeling Create Keypoints In Active CS NPT Keypoint number：1，X，Y，Z Location in active CS：0，0 Apply 同樣輸入其余15個(gè)特征點(diǎn)坐標(biāo)（最左端為起

15、始點(diǎn)，坐標(biāo)分別為 (4,0), (8,0), (12,0), (16,0), (20,0), (24,0), (28,0), (32,0), (4,5.5), (8,5.5), (12,5.5), (16.5.5), (20,5.5), (24,5.5), (28,5.5)） Lines Lines Straight Line 依次分別連接特征點(diǎn) OK網(wǎng)格劃分ANSYS Main Menu: Preprocessor Meshing Mesh Attributes Picked Lines 選擇橋頂梁及側(cè)梁 OK select REAL: 1, TYPE: 1 Apply 選擇橋體弦桿 OK

16、select REAL: 2, TYPE: 1 Apply 選擇橋底梁 OK select REAL: 3, TYPE:1 OK ANSYS Main Menu：Preprocessor Meshing MeshTool 位于Size Controls下的Lines：Set Element Size on Picked Pick all Apply NDIV：1 OK Mesh Lines Pick all OK (劃分網(wǎng)格) 圖2.4 網(wǎng)格劃分(7) 模型加約束ANSYS Main Menu: Solution Define Loads Apply Structural Displaceme

17、nt On keypoints 選取橋身左端關(guān)鍵點(diǎn) OK select Lab2: All DOF Apply 選取橋身右端關(guān)鍵點(diǎn) OK select Lab2: UY OK(8) 施加載荷ANSYS Main Menu: Solution Define Loads Apply Structural Force/Moment On Keypoints 選取底梁上卡車兩側(cè)關(guān)鍵點(diǎn)（X坐標(biāo)為12及20） OK select Lab: FY，Value: -5000 Apply 選取底梁上卡車中部關(guān)鍵點(diǎn)（X坐標(biāo)為16） OK select Lab: FY，Value: -10000 OK ANSYS

18、Utility Menu： Select Everything 圖2.5 施加約束及荷載(9) 計(jì)算分析ANSYS Main Menu：Solution Solve Current LS OK(10) 結(jié)果顯示ANSYS Main Menu：General Postproc Plot Results Deformed shape Def shape only OK（返回到Plot Results） Contour Plot Nodal Solu DOF Solution, Y-Component of Displacement OK（顯示Y方向位移UY）(見圖3-24(a)定義線性單元I節(jié)點(diǎn)的

19、軸力ANSYS Main Menu General Postproc Element Table Define Table Add Lab: A, By sequence num: SMISC,1 OK Close定義線性單元J節(jié)點(diǎn)的軸力ANSYS Main Menu General Postproc Element Table Define Table Add Lab: B, By sequence num: SMISC,1 OK Close畫出線性單元的受力圖(見圖3-24(b)ANSYS Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Line Elem Res LabA: A, LabB: B, Fact: 1 OK(11) 退出系統(tǒng)ANSYS Utility Menu：File Exit Save Everything OK 圖2.6 模型Y方向位移圖 圖2.7 模型軸力圖計(jì)算結(jié)果顯示：計(jì)算結(jié)果顯示：桁架橋Y方向最大位移為0.0033