基于ANSYS的橋梁有限元分析

1、基于ANSYS的橋梁有限元分析摘要：本文中采用有限元分析法，在大型有限元分析軟件ANSYS平臺上分析橋梁工程結(jié)構(gòu)，很好地模擬橋梁的受力、應(yīng)力情況等。在靜力分析中，通過加載各種載荷，得出其位移、應(yīng)力等云圖，找出橋梁的危險區(qū)域。關(guān)鍵詞：有限元分析；橋梁；靜力分析；桁架。Abstract: The finite element analysis method is adopted in this paper. At this platform of the large finite element analysis software ANSYS, the analysis of structure

2、in bridge project can simulate well stress, stress conditions, etc of bridge. In static analysis, we can find the danger zone of the bridge with the displacement and stress nephogram obtained through the load of all kinds of load.Key Words: finite element analysis; bridge; static analysis; truss.1.引

3、言桁架常用來增加結(jié)構(gòu)的強度，許多人都熟悉用于橋梁非常精巧的叉支撐系統(tǒng)。桁架撐桿增強吊橋塔使其不致失穩(wěn)的作用是不易被忽視的，但在大部分這類橋梁上，垂直的桁架綴板對橋面抗彎曲和扭轉(zhuǎn)變形能力的增強作用，卻不是每個人都會注意到的。被昵稱為“飛馳的格蒂（Galloping Gertie）”的橋梁在風(fēng)中的快速倒塌，是對振動中橋梁的倒塌很好的一個案例。因為橋梁的剛度不夠，忽略了桁架在橋梁設(shè)計中的重要作用。桁架橋指的是以桁架作為上部結(jié)構(gòu)主要承重構(gòu)件的橋梁。結(jié)構(gòu)本身受力明確、易于分析，對于土質(zhì)較差地區(qū)的地基的要求也不是十分苛刻等諸多優(yōu)點。對靜力分析進行研究，通過ANSYS軟件的模擬，可以得到一些受力情況。2.

4、ANSYS的特點這里要介紹一下特點。作為功能強大，應(yīng)用廣泛的有限元分析軟件，它有以下的特點：（1）數(shù)據(jù)統(tǒng)一：ANSYS使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫來存儲幾何模型、有限元模型、材料參數(shù)、外載及結(jié)果數(shù)據(jù)，從而保證了前后處理、分析求解及多場耦合分析的數(shù)據(jù)統(tǒng)一。（2）強大的求解功能：ANSYS提供了多種求解器，用戶可以根據(jù)具體的分析問題選擇合適的求解器。（3）強大的非線性分析功能：ANSYS具有強大的非線性分析功能，可進行幾何非線性、材料非線性及接觸非線性分析等。（4）多種網(wǎng)格劃分方式：ANSYS提供了Free網(wǎng)格劃分、Map網(wǎng)格劃分、Sweep網(wǎng)格劃分等多種網(wǎng)格劃分方式，可根據(jù)模型的特點選擇合適的網(wǎng)格劃分方式。

5、（5）獨特的優(yōu)化功能：ANSYS利用ANSYS的優(yōu)化設(shè)計模塊，對結(jié)構(gòu)的拓撲、外貌、材料進行優(yōu)化，確定最優(yōu)的設(shè)計方案。（6）多場耦合功能：ANSYS可以實現(xiàn)多場的耦合分析，研究各物理場間的相互影響。（7）友好的程序接口：ANSYS提供了與主流CAD軟件及其他有限元分析軟件的接口程序，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和導(dǎo)出，如Pro/Engineer、NASTRAN、UniGraphics、I-DEAS、AutoCAD、SolidWorks等。（8）良好的用戶開發(fā)環(huán)境：ANSYS提供了便利的二次開發(fā)平臺，用戶可以利用APDL、UIDL和UPFS等對其進行二次開發(fā)。3. 鋼桁架橋梁結(jié)構(gòu)的ANSYS分析3.1問題描述

6、先介紹一下要模擬的問題。自選結(jié)構(gòu)，尺寸等等。例如：已知下承式簡支鋼桁架橋長72米，每個節(jié)段為12米，橋?qū)?0米，高16米。設(shè)橋面板為0.3米厚的混凝土板。桁架桿件規(guī)格有三種，見表3-1。見圖圖3-1鋼桁架橋簡圖桿件 截面號 形狀 規(guī)格 端斜桿 1 工字形400×400×16×16 上下弦 2 工字形400×400×12×12 橫向連接梁 3 工字形400×400×12×12 其他腹桿 4 工字形400×300×12×12表3-1 鋼桁架橋桿件規(guī)格所用材料屬性如表3-2所示參數(shù)

7、鋼材混凝土彈性模量EX（Pa）2.1×103.5×10泊松比PRXY 0.3 0.1667密度DENS(kg/m3) 7850 2500表3-2 材料屬性3.2模型建立在有限元分析過程中，對于不同的問題，需要應(yīng)用不同特性的單元，同時每一種單元也是專門為有限元問題而設(shè)計的。因此，在進行有限元分析之前，選擇和定義適合的單元類型是非常必要的。單元選擇不當(dāng)，直接影響到計算能否進行和結(jié)果的精度。在橋梁結(jié)構(gòu)模擬分析中，最常用的是梁單元和殼單元、桿單元，所以選擇“BEAM4”和“SHELL63”這兩種單元。定義截面：圖3-2 三種截面圖及截面特性建立有限元模型1 生成半跨橋的節(jié)點圖3-3

8、 半橋模型的節(jié)點2 生成半跨橋單元（1）選擇第一種單元屬性，建立端斜桿梁單元。 圖3-4 建立端斜桿梁單元 （2）選擇第二種單元屬性，建立上下弦桿和橫梁桿梁單元。圖3-5 建立上下弦桿和橫梁桿梁單元（3）選擇第三種單元屬性，建立上下弦桿和橫梁桿梁單元。圖3-6 建立上下弦桿和橫梁桿梁單元（4）選擇第四種單元屬性，建立橋面板單元。圖3-7 半橋單元3生成全橋有限元模型。先生成對稱節(jié)點，再生成對稱單元，得到全橋單元。 圖3-8 全橋單元 3 合并重合節(jié)點、單元。施加邊界條件和荷載（1） 施加位移約束假定梁左端為固定支座，右邊為滑動支座。圖3-9 施加位移約束后的模型（2）在跨中兩點處施加集中力荷載

9、。（3）施加重力。圖3-10 施加所有荷載后的模型靜力分析的計算結(jié)果1查看結(jié)構(gòu)變形圖變形最大區(qū)域圖3-11 結(jié)構(gòu)變形結(jié)果2云圖顯示位移圖3-12 總位移云圖顯示從加載后的圖3-11結(jié)構(gòu)變形圖和圖3-12各節(jié)點總體位移結(jié)果云圖中可以出，在載荷作用下桁架橋中間位置的橋面板向下發(fā)生彎曲變形最為明顯而兩側(cè)的端斜腹梁的變形最小，載荷引起的位移最大在橋中央位置，隨跨中向兩側(cè)遞減。3矢量顯示節(jié)點位移位移最大區(qū)域圖3-13 節(jié)點位移矢量顯示由節(jié)點位移矢量圖可知，節(jié)點位移由中間向兩邊遞減。 4顯示結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖圖3-14 剪力圖彎矩最大處彎矩最大處 圖3-15 彎矩圖 由于在本例中的橋梁結(jié)構(gòu)屬于桁架桿系結(jié)構(gòu)，而桿件

10、的剪力和彎矩都很小，所以在分析結(jié)果中不做重點考慮。軸力最小處軸力最大處圖3-16 軸力圖總結(jié)本文采用有限元分析法，在大型通用有限元分析軟件ANSYS平臺上，對鋼桁架橋梁結(jié)構(gòu)進行了靜力分析。在靜力分析中，給桁架橋的有限元模型施加了位移約束，并施加了集中力和重力，然后求解得到橋梁結(jié)構(gòu)變形圖、總位移云圖、節(jié)點位移矢量顯示圖和軸力、剪力、彎矩圖，通過對各圖的分析，我們得到橋梁的中間位置為它的危險區(qū)域。因此，在橋梁設(shè)計建設(shè)中，中間位置應(yīng)該得到更多地考慮。在模擬過程中，遇到很多問題，看了不少教程，可以說，是不斷寫入和模擬別人的代碼，才可以得到的。所以，橋梁的這一部分就這樣了。存在的不足：由于時間關(guān)系，對于有限元法和ANSYS軟件的學(xué)習(xí)不是很到位，除文中所用到的，ANSYS其他功能如非線性結(jié)構(gòu)分析、熱力學(xué)分析等都沒有進行研究。并且，涉及到模態(tài)分析和優(yōu)化的部分，卻沒有時間模擬了。這是能夠解決實際問題的有效手段，希望，后面有時間可以解除到。總的說來，需要多練習(xí)，不然，就會做不出來。參考文獻1 張亞歐，谷志飛，宋勇.ANSYS有限元分析實用教程M.北京：清華大學(xué)出版社，2004：151-1742 張朝暉，李樹奎.ANSYS有限元分析理論與工程應(yīng)用M.北京：電子工業(yè)出