基于ANSYS的橋梁分析

1、鋼桁架橋靜力受力分析對一架鋼桁架橋進行具體靜力受力分析，分別采用GUI方式和命令流方式。A問題描述 圖6-15 鋼桁架橋簡圖已知下承式簡支鋼桁架橋橋長72米，每個節(jié)段12米，橋?qū)?0米，高16米。設(shè)橋面板為0.3米厚的混凝土板，當(dāng)車輛行駛于橋梁上面時，軸重簡化為一組集中力作用于梁上，來計算梁的受力情況。桁架桿件規(guī)格有三種，見下表：表6-2 鋼桁架橋桿件規(guī)格桿件截面號形狀規(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2工字形400×400×12×12其他腹桿3

2、工字形400×300×12×12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EX2.1×10113.5×1010泊松比PRXY0.30.1667密度DENS78502500BGUI操作方法1.創(chuàng)建物理環(huán)境1）過濾圖形界面：GUI：Main Menu> Preferences，彈出“Preferences for GUI Filtering”對話框，選中“Structural”來對后面的分析進行菜單及相應(yīng)的圖形界面過濾。2）定義工作標(biāo)題：GUI：Utility Menu> File> Change Title，在

3、彈出的對話框中輸入“Truss Bridge Static Analysis”，單擊“OK”。如圖6-16（a）。指定工作名：GUI：Utility Menu> File> Change Jobname，彈出一個對話框，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：GUI：Main Menu> Preprocessor> Element Type> Add/Edit/

4、Delete，彈出“Element Types”單元類型對話框，單擊“Add”按鈕，彈出“Library of Element Types”單元類型庫對話框。在該對話框左面滾動欄中選擇“Structural Beam”，在右邊的滾動欄中選擇“3D 188”，單擊“Ok”，定義了“BEAM188”單元，如圖6-17。繼續(xù)單擊“Add”按鈕，彈出“Library of Element Types”單元類型庫對話框。在該對話框左面滾動欄中選擇“Structural Shell”，在右邊的滾動欄中選擇“Elastic 4node 181”，單擊“OK”，定義了“SHELL181”單元。得到如圖6-18

5、所示的結(jié)果。最后單擊“Close”，關(guān)閉單元類型對話框。 圖6-17 單元類型庫對話框圖6-18 單元類型對話框4）定義梁單元截面：GUI：Main Menu> Preprocessor> Sections>Beam> 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，點擊“Preview”可以觀察截面特性。在本模型中三種工字鋼截面特性如下圖6-20：圖6-20 三種截面圖及截面特性5）定義

6、材料屬性：GUI：Main Menu> Preprocessor> Material Props> Material Models，彈出“Define Material Model Behavior”對話框，在右邊的欄中連續(xù)雙擊“Structural> Linear> Elastic> Isotropic”后，彈出“Linear Isotropic Properties for Material Number 1”對話框，如圖6-23所示，在該對話框中“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

7、 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”對話框，在右邊的欄中連續(xù)雙擊“Structural> Density”，彈出“Density for Material Number 1”對話框，如圖6-24所示，在該對話框中“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)置第二種混凝土橋面板材料?！癉efine Material Model Behavior”對話框的Material菜單中選擇“New model”，按照默認(rèn)的材料編號，點擊“OK”。這時“Define Materia

8、l Model Behavior”對話框左邊出現(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”對話框。圖6-25 定義材料屬性2.建立有限元模型1）生成半跨橋的節(jié)點：GUI：Utility Menu> Modeling> Create> Nodes> In Active CS，彈出“Create Nod

9、es in Active CS”對話框，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”對話框中單擊“Pick All”，在彈出的對話框中，如圖6-26（b）填寫。繼續(xù)執(zhí)行GUI：Utility Menu> Modeling> Copy> Nodes> Cop，在“Copy nodes”對話框中單擊“Pick All”，在彈出的對話框中，如圖6-26（c）填寫。 圖6-26（a） 建立節(jié)點 圖6-2

10、6（b） 復(fù)制節(jié)點 圖6-26（c） 復(fù)制節(jié)點 圖6-27 半橋模型的節(jié)點繼續(xù)執(zhí)行GUI：Utility Menu> Modeling> Copy> Nodes> Cop，彈出“Copy nodes”對話框，在ANSYS主窗口中用箭頭選擇2、6、10號節(jié)點，單擊“OK”，在彈出的對話框中，“ITIME”輸入“2”，“DY”輸入“16”，“INC”輸入“1”， “RATIO”輸入“1”，其他項不填寫。單擊“OK”。繼續(xù)執(zhí)行GUI：Utility Menu> Modeling> Copy> Nodes> Cop，彈出“Copy nodes”對話框，在

11、ANSYS主窗口拾取3、7、11號節(jié)點，單擊“OK”，在彈出的對話框中，“ITIME”輸入“2”，“DZ”輸入“-10”，“INC”輸入“1”， “RATIO”輸入“1”，其他項不填寫。單擊“OK”。最終ANSYS主窗口中出現(xiàn)畫面如圖6-27。2）生成半橋跨單元：選擇第一種單元屬性：GUI：Utility Menu> Modeling> Create> Elements> Elem Attributes，彈出“Element Attributes”對話框，如圖6-28所示。單擊“OK”關(guān)閉窗口。 圖6-28 選擇單元屬性 圖6-29建立端斜桿梁單元建立端斜桿梁單元：GU

12、I：Utility Menu> Modeling> Create> Elements> Auto Numbered> Thru Nodes，彈出“Elem from Nodes”拾取節(jié)點對話框，分別拾取11和14號節(jié)點，單擊“apply”。再選擇12和13號節(jié)點。單擊“OK”。如圖6-29。選擇第二種單元屬性：GUI：Utility Menu> Modeling> Create> Elements> Elem Attributes，彈出“Element Attributes”對話框，“SECNUM”項中選擇“2 XIANHENG”，其他選項

13、不變。單擊“OK”關(guān)閉窗口。建立上下弦桿和橫梁桿梁單元：GUI：Utility Menu> Modeling> Create> Elements> Auto Numbered> Thru Nodes，彈出“Elem from Nodes”選擇對話框，分別在2和6號節(jié)點、6和10號節(jié)點、10和14號節(jié)點、1和5號節(jié)點、5和9號節(jié)點、9和13號節(jié)點、3和7號節(jié)點、7和11號節(jié)點、4和8號節(jié)點、8和12號節(jié)點、1和2號節(jié)點、3和4號節(jié)點、5和6號節(jié)點、7和8號節(jié)點、9和10號節(jié)點、11和12號節(jié)點、13和14號節(jié)點建立單元。單擊“OK”關(guān)閉窗口。選擇第三種單元屬性：GU

14、I：Utility Menu> Modeling> Create> Elements> Elem Attributes，彈出“Element Attributes”對話框，“SECNUM”項中選擇“3 FU”，其他選項不變。單擊“OK”關(guān)閉窗口。建立上下弦桿和橫梁桿梁單元：Utility Menu> Modeling> Create> Elements> Auto Numbered> Thru Nodes，彈出“Elem from Nodes”選擇對話框，分別在3和6號節(jié)點、6和11號節(jié)點、4和5號節(jié)點、5和12號節(jié)點、2和3號節(jié)點、1和4

15、號節(jié)點、6和7號節(jié)點、5和8號節(jié)點、10和11號節(jié)點、9和12號節(jié)點建立單元。單擊“OK”關(guān)閉窗口。3）定義梁單元截面：GUI：Main Menu> Preprocessor> Sections>Shell> Lay-up>Add/Edit，彈出Create and Modify Shell Sections”工具條,在“name”后輸入“ban”，“ID”后輸入“4”，“Thickness”后輸入“0.3”，單擊“OK”。4）選擇第四種單元屬性：GUI：Utility Menu> Modeling> Create> Elements> E

16、lem Attributes，彈出“Element Attributes”對話框，“TYPE”項選擇“2 SHELL181”，“MAT”項選擇“2”，“SECNUM”項中選擇“No Section”，“TSHAP”項選擇“4 node quad”，其他選項不變。單擊“OK”關(guān)閉窗口。建立橋面板單元：GUI：Utility Menu> Modeling> Create> Elements> Auto Numbered> Thru Nodes，彈出“Elem from Nodes”選擇對話框，依次選擇1、2、6、5號節(jié)點、5、6、10、9號節(jié)點、9、10、14、13號

17、節(jié)點建立三個殼單元。單擊“OK”關(guān)閉窗口。如圖6-30。圖6-30 半橋單元5）生成全橋有限元模型：生成對稱節(jié)點：GUI：Main Menu> Preprocessor> Modeling> Reflect> Nodes，彈出“Reflect Nodes”選擇對話框，單擊“Pick All”。在第二個對話框中，選擇“Y-Z plane”，“INC”項填寫“14”。單擊“OK”關(guān)閉對話框。圖6-31橋單元生成對稱單元：GUI：Main Menu> Preprocessor> Modeling> Reflect> Elements> Auto

18、Numbered，彈出“Reflect Elems”選擇對話框，單擊“Pick All”。在第二個對話框中， “NINC”項填寫“14”。單擊“OK”。如圖6-31。6）合并重合節(jié)點、單元：GUI：Main Menu> Preprocessor> Numbering Ctrls> Merge Items，彈出“Merge Coincident or Equivalently Defined Items”對話框，“Label”項選擇“All”，單擊“OK”關(guān)閉窗口。如圖6-32。 圖6-32 合并重合節(jié)點和單元 圖6-33 壓縮編號壓縮編號：GUI：Main Menu>

19、Preprocessor> Numbering Ctrls> Compress Number，彈出“Compress Numbers”對話框，“Label”項選擇“All”，單擊“OK”關(guān)閉窗口。如圖6-33。7）保存模型文件；Utility Menu> File> Save as，彈出一個“Save Database”對話框，在“Save Database to”下面輸入欄中輸入文件名“Structural_model.db”，單擊“OK”。3. 加邊界條件和載荷1）施加位移約束：在簡支梁的支座處要約束節(jié)點的自由度，以達到模擬鉸支座的目的。假定梁左端為固定支座，右邊為

20、滑動支座。GUI：Main Menu> Solution> Define Losads> Apply> Structural> Displacement> On Nodes，彈出節(jié)點選取對話框，用箭頭選擇23和24號節(jié)點，單擊“OK”彈出“Apply U，ROT Nodes”對話框，“DOFs to be constrained”項中，選擇“UX，UY，UZ”，單擊“OK”關(guān)閉窗口。如圖6-34。以同樣的方法，在13和14號節(jié)點施加位移約束，選擇13、14號節(jié)點之后，在“DOFs to be constrained”項中選擇“UY，UZ”，單擊“OK”關(guān)閉窗

21、口。結(jié)果如圖6-35。 圖6-34 設(shè)置節(jié)點位移約束 圖6-35 施加位移約束后的模型 圖6-36 設(shè)置集中力荷載 圖6-37 施加所有荷載后的模型2）施加集中力：在跨中兩節(jié)點處施加集中力荷載。GUI：Main Menu> Solution> Define Losads> Apply> Structural> Force/Moment> On Nodes，彈出節(jié)點選取對話框，用箭頭選擇1和2號節(jié)點，單擊“OK”彈出“Apply F/MNodes”對話框，“Lab”項選擇“FY”，“VALUE”項填寫“-100000”。如圖6-36。單擊“OK”關(guān)閉窗口。3）

22、施加重力：GUI：Main Menu> Solution> Define Losads> Apply> Structural> Inertia> Gravity> Global，彈出“Apply Acceleration”對話框，在“ACELY”項填寫“10”，單擊“OK”。施加所有荷載之后的模型如圖6-37。4. 求解1）選擇分析類型：GUI：GUI：Main Menu> Solution> Analysis Type> New Analysis，在彈出的“New Analysis”對話框中選擇static選項，點擊“OK”關(guān)閉對話

23、框。2）開始求解：GUI：Main Menu> Solution> Solve> Current LS，彈出一個名為“/STATUS Command”的文本框，如圖6-38，檢查無誤后，單擊“Close”。在彈出的另一個“Solve Current Load Step”對話框中單擊“OK”。求解結(jié)束后，關(guān)閉“Solution is done”對話框。 圖6-38 求解信息5. 查看計算結(jié)果1）查看結(jié)構(gòu)變形圖：GUI：Main Menu>General Postproc>Plot Results> Deformed Shape，彈出一個如圖6-39(a)所示的

24、對話框，單擊“OK”，結(jié)果顯示如圖6-39(b) 圖6-39(a) 設(shè)置變形顯示 圖6-39(b) 結(jié)構(gòu)變形結(jié)果2）云圖顯示位移：GUI：Main Menu> General Postproc> Plot Results> Contour Plot> Nodal Solu，彈出如圖6-40的對話框，選擇“Nodal Solution-DOF Solution-”后面的選項，其中包括X、Y、Z各個方向的位移及總體位移，和X、Y、Z各個方向的轉(zhuǎn)角及總體轉(zhuǎn)角。下面的選項分別是：是否顯示未變形的模型；變形比例。單擊“OK”顯示云圖。各節(jié)點總體位移結(jié)果云圖如圖6-41。圖6-40

25、 選擇云圖顯示數(shù)據(jù)圖6-41 總位移云圖顯示3）矢量顯示節(jié)點位移：GUI：Main Menu> General Postproc> Plot Results> Vector Plot> Predefined，彈出一個“Vector Plot of Predefined Vectors”矢量畫圖對話框,在“PLVECT”項中選取“DOF solution”和“Translation U”，單擊“OK”，其結(jié)果如圖6-42所示。圖6-42 節(jié)點位移矢量顯示4）顯示結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖：ü 定義單元表：GUI：Main Menu> General Postproc>

26、; Element Table> Define Table，彈出一個“Element Table Data”對話框，單擊“Add”，彈出“Define Additional Element Table Items”對話框，在“Lab”項中填寫“zhou_i”（定義單元i節(jié)點軸力名稱），左邊框中選擇最后一項“By sequence num”，右邊框中選擇“SMISC”，下邊填寫“SMISC，1”，如圖6-43。單擊“Apply”，繼續(xù)定義單元j節(jié)點軸力，在“Lab”項中填寫“zhou_j”，下邊填寫“SMISC，7”。單擊“Apply”，繼續(xù)定義單元i節(jié)點剪力，在“Lab”項中填寫“jia

27、n_i”，下邊填寫“SMISC，2”。單擊“Apply”，繼續(xù)定義單元j節(jié)點剪力，在“Lab”項中填寫“jian_j”，下邊填寫“SMISC，8”。單擊“Apply”，繼續(xù)定義單元i節(jié)點彎矩，在“Lab”項中填寫“wan_i”，下邊填寫“SMISC，6”。單擊“Apply”，繼續(xù)定義單元j節(jié)點軸力，在“Lab”項中填寫“wan_j”，下邊填寫“SMISC，12”。單擊“OK”關(guān)閉對話框。繼續(xù)單擊“Close”關(guān)閉“Element Table Data”對話框。圖6-43 定義單元表在定義單元表的時候，需要查看幫助文件查找所用單元的單元表項目與序號。圖6-44為本例題中所選用的BEAM188單元

28、的單元坐標(biāo)系圖，表6-4列出了BEAM4單元表輸出量的條目與序號，定義單元表的時候，根據(jù)需要輸出的量查找對應(yīng)的序號進行輸入。圖6-44 BEAM4單元表6-4 BEAM4單元表條目與序號輸出量項目I節(jié)點序號J節(jié)點序號MFORX(X方向力)SMISC17MFORY(Y方向力)SMISC28MFORZ(Z方向力)SMISC39MMOMX(X方向力矩)SMISC410MMOMY(Y方向力矩)SMISC511MMOMZ(Z方向力矩)SMISC612ü 列表單元表結(jié)果GUI：Main Menu> General Postproc> Element Table> List El

29、em Table，彈出一個“List Element Table Data”對話框，選擇剛才定義的內(nèi)力名稱“ZHOU_I，ZHOU_J，JIAN_I,JIAN_J，WAN_I，WAN_J”,單擊“OK”，彈出文本列表“PRETAB Command”，顯示了每個單元的節(jié)點內(nèi)力。如圖6-45。圖6-45 單元表數(shù)據(jù)列表的最后還列出了每項最大值和最小值，以及它們所在的單元。ü 顯示線單元結(jié)果GUI：Main Menu> General Postproc> Plot Results> Contour Plot> Line Elem Res，彈出“Plot Line-E

30、lement Results”對話框，“LabI、LabJ”項分別選擇“ZHOU_I”和“ZHOU_J”，“Fact”項設(shè)置顯示比例（默認(rèn)值是1），“KUND”項選擇是否顯示變形。單擊“OK”。顯示軸力圖，如圖6-46。重新執(zhí)行顯示線單元結(jié)果操作，“LabI、LabJ”項分別選擇“JIAN_I”和“JIAN_J”，顯示剪力圖。重新執(zhí)行顯示線單元結(jié)果操作，“LabI、LabJ”項分別選擇“WAN_I”和“WAN_J”，顯示剪力圖。由于本算例中的結(jié)構(gòu)屬于桁架桿系結(jié)構(gòu)，桿件的剪力很小，結(jié)果不做重點考慮。圖6-47 軸力圖5）列表節(jié)點結(jié)果：GUI：Main Menu> General Postp

31、roc> List Results> Nodal Solution，彈出一個“List Nodal Solution”對話框，選擇“Nodal Solution-DOF Solution-Displacement vector sum”，單擊“OK”。彈出每個節(jié)點的位移列表文本，其中包括每個節(jié)點的X、Y、Z方向位移和總位移，最后還列有每項最大值及出現(xiàn)最大值的節(jié)點。6. 退出程序單擊工具條上的“Quit”彈出一個如圖6-47所示的“Exit from ANSYS”對話框，選取一種保存方式，單擊“OK”，則退出ANSYS軟件。圖6-47 退出ANSYS對話框C 命令流實現(xiàn)/TITLE,

32、Truss Bridge Static Analysis /PREP7/COM, Structural !* /PREP7 !* ET,1,BEAM188!* ET,2,SHELL181 !* SECTYPE, 1, BEAM, I, duan, 0 !*定義1號工字形截面*SECOFFSET, CENT !*截面質(zhì)心不偏移*SECDATA,0.4,0.4,0.4,0.016,0.016,0.016,0,0,0,0 !*1號截面參數(shù)*SECTYPE, 2, BEAM, I, XIANHENG, 0 SECOFFSET, CENT SECDATA,0.4,0.4,0.4,0.012,0.012,

33、0.012,0,0,0,0 SECTYPE, 3, BEAM, I, FU, 0 SECOFFSET, CENT SECDATA,0.3,0.3,0.4,0.012,0.012,0.012,0,0,0,0 R,4,0.3, , , , , , *MP,EX,1,2.1E11 !*定義1號材料彈性模量*MP,PRXY,1,0.3 !*定義1號材料泊松比*MP,DENS,1,7850 !*定義1號材料密度*MP,EX,2,3.5E10 !*定義2號材料彈性模量*MP,PRXY,2,0.1667 !*定義2號材料泊松比*MP,DENS,2,2500 !*定義2號材料密度*N, ,0,0,-5, , , , !*建立節(jié)點*NGEN,4,4,ALL, , ,12, , ,1, !*復(fù)制節(jié)點*NGEN,2,1,ALL, , , , ,10,1, !*復(fù)制節(jié)點*NGEN,2,1,2,10,4, ,16, ,1, !*復(fù)制節(jié)點*NGEN,2,1,3,11,4, , ,-10,1, !*復(fù)制節(jié)點*TYPE,1 !*選擇1號單元類型*MAT,1 !*選擇1號材料*REAL,1 !* 選擇1號實常數(shù)*ESYS,0 !*單元坐標(biāo)系*SECNUM,1 !*選擇1號截面*TSHAP,LINE !*選擇線形單元*E,11,14