基于ANSYS的桥梁分析.docx
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基于ANSYS的桥梁分析
基于ANSYS的桥梁分析
钢桁架桥静力受力分析
对一架钢桁架桥进行具体静力受力分析，分别采用GUI方式和命令流方式。
A 问题描述
图6-15钢桁架桥简图
已知下承式简支钢桁架桥桥长72米，每个节段12米，桥宽10米，高16米。
设桥面板为0.3米厚的混凝土板，当车辆行驶于桥梁上面时，轴重简化为一组集中力作用于梁上，来计算梁的受力情况。
。
桁架杆件规格有三种，见下表：
表6-2钢桁架桥杆件规格
杆件
截面号
形状
规格
端斜杆
1
工字形
400×400×16×16
上下弦
2
工字形
400×400×12×12
横向连接梁
2
工字形
400×400×12×12
其他腹杆
3
工字形
400×300×12×12
所用材料属性如下表：
表6-3材料属性
参数
钢材
混凝土
弹性模量EX
2.1×1011
3.5×1010
泊松比PRXY
0.3
0.1667
密度DENS
7850
2500
B GUI操作方法
1.创建物理环境
1）过滤图形界面：
GUI：
MainMenu>Preferences，弹出“PreferencesforGUIFiltering”对话框，选中“Structural”来对后面的分析进行菜单及相应的图形界面过滤。
2）定义工作标题：
GUI：
UtilityMenu>File>ChangeTitle，在弹出的对话框中输入“TrussBridgeStaticAnalysis”，单击“OK”。
如图6-16（a）。
指定工作名：
GUI：
UtilityMenu>File>ChangeJobname，弹出一个对话框，在“EnternewName”后面输入“Structural”，“Newloganderrorfiles”选择yes，单击“OK”。
如图6-16（b）。
图6-16（a）定义工作标题
图6-16（b）指定工作名
3）定义单元类型和选项：
GUI：
MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete，弹出“ElementTypes”单元类型对话框，单击“Add”按钮，弹出“LibraryofElementTypes”单元类型库对话框。
在该对话框左面滚动栏中选择“StructuralBeam”，在右边的滚动栏中选择“3D188”，单击“Ok”，定义了“BEAM188”单元，如图6-17。
继续单击“Add”按钮，弹出“LibraryofElementTypes”单元类型库对话框。
在该对话框左面滚动栏中选择“StructuralShell”，在右边的滚动栏中选择“Elastic4node181”，单击“OK”，定义了“SHELL181”单元。
得到如图6-18所示的结果。
最后单击“Close”，关闭单元类型对话框。
图6-17单元类型库对话框
图6-18单元类型对话框
4）定义梁单元截面：
GUI：
MainMenu>Preprocessor>Sections>Beam>CommonSections，弹出“BeamTool”工具条，如图6-19填写。
然后单击“Apply”，如图6-19填写；然后单击“Apply”，如图6-19填写，最后单击“OK”。
图6-19定义三种截面
每次定义好截面之后，点击“Preview”可以观察截面特性。
在本模型中三种工字钢截面特性如下图6-20：
图6-20三种截面图及截面特性
5）定义材料属性：
GUI：
MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels，弹出“DefineMaterialModelBehavior”对话框，在右边的栏中连续双击“Structural>Linear>Elastic>Isotropic”后，弹出“LinearIsotropicPropertiesforMaterialNumber1”对话框，如图6-23所示，在该对话框中“EX”后面的输入栏输入“2.1e11”，“PRXY”后面的输入栏输入“0.3”，单击“OK”。
图6-23设置弹性模量和泊松比图6-24设置密度
继续在“DefineMaterialModelBehavior”对话框，在右边的栏中连续双击“Structural>Density”，弹出“DensityforMaterialNumber1”对话框，如图6-24所示，在该对话框中“DENS”后面的输入栏输入“7850”，单击“OK”。
设置好第一种钢材材料之后，还要设置第二种混凝土桥面板材料。
“DefineMaterialModelBehavior”对话框的Material菜单中选择“Newmodel”，按照默认的材料编号，点击“OK”。
这时“DefineMaterialModelBehavior”对话框左边出现“MaterialModelNumber2”，同第一种材料的设置方法一样，“LinearIsotropic”中“EX”输入“3.5e10”，“PRXY”输入“0.1667”，“DENS”输入“2500”，单击“OK”结束。
如图6-25。
最后关闭“DefineMaterialModelBehavior”对话框。
图6-25定义材料属性
2.建立有限元模型
1）生成半跨桥的节点：
GUI：
UtilityMenu>Modeling>Create>Nodes>InActiveCS，弹出“CreateNodesinActiveCS”对话框，在“X，Y，Z”输入行输入：
“0，0，-5”，单击“OK”。
如图6-26（a）
然后GUI：
UtilityMenu>Modeling>Copy>Nodes>Cop，在“Copynodes”对话框中单击“PickAll”，在弹出的对话框中，如图6-26（b）填写。
继续执行GUI：
UtilityMenu>Modeling>Copy>Nodes>Cop，在“Copynodes”对话框中单击“PickAll”，在弹出的对话框中，如图6-26（c）填写。
图6-26（a）建立节点图6-26（b）复制节点
图6-26（c）复制节点图6-27半桥模型的节点
继续执行GUI：
UtilityMenu>Modeling>Copy>Nodes>Cop，弹出“Copynodes”对话框，在ANSYS主窗口中用箭头选择2、6、10号节点，单击“OK”，在弹出的对话框中，“ITIME”输入“2”，“DY”输入“16”，“INC”输入“1”，“RATIO”输入“1”，其他项不填写。
单击“OK”。
继续执行GUI：
UtilityMenu>Modeling>Copy>Nodes>Cop，弹出“Copynodes”对话框，在ANSYS主窗口拾取3、7、11号节点，单击“OK”，在弹出的对话框中，“ITIME”输入“2”，“DZ”输入“-10”，“INC”输入“1”，“RATIO”输入“1”，其他项不填写。
单击“OK”。
最终ANSYS主窗口中出现画面如图6-27。
2）生成半桥跨单元：
选择第一种单元属性：
GUI：
UtilityMenu>Modeling>Create>Elements>ElemAttributes，弹出“ElementAttributes”对话框，如图6-28所示。
单击“OK”关闭窗口。
图6-28选择单元属性图6-29建立端斜杆梁单元
建立端斜杆梁单元：
GUI：
UtilityMenu>Modeling>Create>Elements>AutoNumbered>ThruNodes，弹出“ElemfromNodes”拾取节点对话框，分别拾取11和14号节点，单击“apply”。
再选择12和13号节点。
单击“OK”。
如图6-29。
选择第二种单元属性：
GUI：
UtilityMenu>Modeling>Create>Elements>ElemAttributes，弹出“ElementAttributes”对话框，“SECNUM”项中选择“2XIANHENG”，其他选项不变。
单击“OK”关闭窗口。
建立上下弦杆和横梁杆梁单元：
GUI：
UtilityMenu>Modeling>Create>Elements>AutoNumbered>ThruNodes，弹出“ElemfromNodes”选择对话框，分别在2和6号节点、6和10号节点、10和14号节点、1和5号节点、5和9号节点、9和13号节点、3和7号节点、7和11号节点、4和8号节点、8和12号节点、1和2号节点、3和4号节点、5和6号节点、7和8号节点、9和10号节点、11和12号节点、13和14号节点建立单元。
单击“OK”关闭窗口。
选择第三种单元属性：
GUI：
UtilityMenu>Modeling>Create>Elements>ElemAttributes，弹出“ElementAttributes”对话框，“SECNUM”项中选择“3FU”，其他选项不变。
单击“OK”关闭窗口。
建立上下弦杆和横梁杆梁单元：
UtilityMenu>Modeling>Create>Elements>AutoNumbered>ThruNodes，弹出“ElemfromNodes”选择对话框，分别在3和6号节点、6和11号节点、4和5号节点、5和12号节点、2和3号节点、1和4号节点、6和7号节点、5和8号节点、10和11号节点、9和12号节点建立单元。
单击“OK”关闭窗口。
3）定义梁单元截面：
GUI：
MainMenu>Preprocessor>Sections>Shell>Lay-up>Add/Edit，弹出CreateandModifyShellSections”工具条,在“name”后输入“ban”，“ID”后输入“4”，“Thickness”后输入“0.3”，单击“OK”。
4）选择第四种单元属性：
GUI：
UtilityMenu>Modeling>Create>Elements>ElemAttributes，弹出“ElementAttributes”对话框，“TYPE”项选择“2SHELL181”，“MAT”项选择“2”，“SECNUM”项中选择“NoSection”，“TSHAP”项选择“4nodequad”，其他选项不变。
单击“OK”关闭窗口。
建立桥面板单元：
GUI：
UtilityMenu>Modeling>Create>Elements>AutoNumbered>ThruNodes，弹出“ElemfromNodes”选择对话框，依次选择1、2、6、5号节点、5、6、10、9号节点、9、10、14、13号节点建立三个壳单元。
单击“OK”关闭窗口。
如图6-30。
图6-30半桥单元
5）生成全桥有限元模型：
生成对称节点：
GUI：
MainMenu>Preprocessor>Modeling>Reflect>Nodes，弹出“ReflectNodes”选择对话框，单击“PickAll”。
在第二个对话框中，选择“Y-Zplane”，“INC”项填写“14”。
单击“OK”关闭对话框。
图6-31桥单元
生成对称单元：
GUI：
MainMenu>Preprocessor>Modeling>Reflect>Elements>AutoNumbered，弹出“ReflectElems”选择对话框，单击“PickAll”。
在第二个对话框中，“NINC”项填写“14”。
单击“OK”。
如图6-31。
6）合并重合节点、单元：
GUI：
MainMenu>Preprocessor>NumberingCtrls>MergeItems，弹出“MergeCoincidentorEquivalentlyDefinedItems”对话框，“Label”项选择“All”，单击“OK”关闭窗口。
如图6-32。
图6-32合并重合节点和单元图6-33压缩编号
压缩编号：
GUI：
MainMenu>Preprocessor>NumberingCtrls>CompressNumber，弹出“CompressNumbers”对话框，“Label”项选择“All”，单击“OK”关闭窗口。
如图6-33。
7）保存模型文件；UtilityMenu>File>Saveas，弹出一个“SaveDatabase”对话框，在“SaveDatabaseto”下面输入栏中输入文件名“Structural_model.db”，单击“OK”。
3.加边界条件和载荷
1）施加位移约束：
在简支梁的支座处要约束节点的自由度，以达到模拟铰支座的目的。
假定梁左端为固定支座，右边为滑动支座。
GUI：
MainMenu>Solution>DefineLosads>Apply>Structural>Displacement>OnNodes，弹出节点选取对话框，用箭头选择23和24号节点，单击“OK”弹出“ApplyU，ROTNodes”对话框，“DOFstobeconstrained”项中，选择“UX，UY，UZ”，单击“OK”关闭窗口。
如图6-34。
以同样的方法，在13和14号节点施加位移约束，选择13、14号节点之后，在“DOFstobeconstrained”项中选择“UY，UZ”，单击“OK”关闭窗口。
结果如图6-35。
图6-34设置节点位移约束图6-35施加位移约束后的模型
图6-36设置集中力荷载图6-37施加所有荷载后的模型
2）施加集中力：
在跨中两节点处施加集中力荷载。
GUI：
MainMenu>Solution>DefineLosads>Apply>Structural>Force/Moment>OnNodes，弹出节点选取对话框，用箭头选择1和2号节点，单击“OK”弹出“ApplyF/MNodes”对话框，“Lab”项选择“FY”，“VALUE”项填写“-100000”。
如图6-36。
单击“OK”关闭窗口。
3）施加重力：
GUI：
MainMenu>Solution>DefineLosads>Apply>Structural>Inertia>Gravity>Global，弹出“ApplyAcceleration”对话框，在“ACELY”项填写“10”，单击“OK”。
施加所有荷载之后的模型如图6-37。
4.求解
1）选择分析类型：
GUI：
GUI：
MainMenu>Solution>AnalysisType>NewAnalysis，在弹出的“NewAnalysis”对话框中选择static选项，点击“OK”关闭对话框。
2）开始求解：
GUI：
MainMenu>Solution>Solve>CurrentLS，弹出一个名为“/STATUSCommand”的文本框，如图6-38，检查无误后，单击“Close”。
在弹出的另一个“SolveCurrentLoadStep”对话框中单击“OK”。
求解结束后，关闭“Solutionisdone”对话框。
图6-38求解信息
5.查看计算结果
1）查看结构变形图：
GUI：
MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>DeformedShape，弹出一个如图6-39（a）所示的对话框，单击“OK”，结果显示如图6-39（b）
图6-39（a）设置变形显示图6-39（b）结构变形结果
2）云图显示位移：
GUI：
MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>ContourPlot>NodalSolu，弹出如图6-40的对话框，选择“NodalSolution-DOFSolution-”后面的选项，其中包括X、Y、Z各个方向的位移及总体位移，和X、Y、Z各个方向的转角及总体转角。
下面的选项分别是：
是否显示未变形的模型；变形比例。
单击“OK”显示云图。
各节点总体位移结果云图如图6-41。
图6-40选择云图显示数据
图6-41总位移云图显示
3）矢量显示节点位移：
GUI：
MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>VectorPlot>Predefined，弹出一个“VectorPlotofPredefinedVectors”矢量画图对话框,在“PLVECT”项中选取“DOFsolution”和“TranslationU”，单击“OK”，其结果如图6-42所示。
图6-42节点位移矢量显示
4）显示结构内力图：
✓定义单元表：
GUI：
MainMenu>GeneralPostproc>ElementTable>DefineTable，弹出一个“ElementTableData”对话框，单击“Add”，弹出“DefineAdditionalElementTableItems”对话框，在“Lab”项中填写“zhou_i”（定义单元i节点轴力名称），左边框中选择最后一项“Bysequencenum”，右边框中选择“SMISC”，下边填写“SMISC，1”，如图6-43。
单击“Apply”，继续定义单元j节点轴力，在“Lab”项中填写“zhou_j”，下边填写“SMISC，7”。
单击“Apply”，继续定义单元i节点剪力，在“Lab”项中填写“jian_i”，下边填写“SMISC，2”。
单击“Apply”，继续定义单元j节点剪力，在“Lab”项中填写“jian_j”，下边填写“SMISC，8”。
单击“Apply”，继续定义单元i节点弯矩，在“Lab”项中填写“wan_i”，下边填写“SMISC，6”。
单击“Apply”，继续定义单元j节点轴力，在“Lab”项中填写“wan_j”，下边填写“SMISC，12”。
单击“OK”关闭对话框。
继续单击“Close”关闭“ElementTableData”对话框。
图6-43定义单元表
在定义单元表的时候，需要查看帮助文件查找所用单元的单元表项目与序号。
图6-44为本例题中所选用的BEAM188单元的单元坐标系图，表6-4列出了BEAM4单元表输出量的条目与序号，定义单元表的时候，根据需要输出的量查找对应的序号进行输入。
图6-44BEAM4单元
表6-4BEAM4单元表条目与序号
输出量
项目
I节点序号
J节点序号
MFORX（X方向力）
SMISC
1
7
MFORY（Y方向力）
SMISC
2
8
MFORZ（Z方向力）
SMISC
3
9
MMOMX（X方向力矩）
SMISC
4
10
MMOMY（Y方向力矩）
SMISC
5
11
MMOMZ（Z方向力矩）
SMISC
6
12
✓列表单元表结果
GUI：
MainMenu>GeneralPostproc>ElementTable>ListElemTable，弹出一个“ListElementTableData”对话框，选择刚才定义的内力名称“ZHOU_I，ZHOU_J，JIAN_I,JIAN_J，WAN_I，WAN_J”,单击“OK”，弹出文本列表“PRETABCommand”，显示了每个单元的节点内力。
如图6-45。
图6-45单元表数据
列表的最后还列出了每项最大值和最小值，以及它们所在的单元。
✓显示线单元结果
GUI：
MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>ContourPlot>LineElemRes，弹出“PlotLine-ElementResults”对话框，“LabI、LabJ”项分别选择“ZHOU_I”和“ZHOU_J”，“Fact”项设置显示比例（默认值是1），“KUND”项选择是否显示变形。
单击“OK”。
显示轴力图，如图6-46。
重新执行显示线单元结果操作，“LabI、LabJ”项分别选择“JIAN_I”和“JIAN_J”，显示剪力图。
重新执行显示线单元结果操作，“LabI、LabJ”项分别选择“WAN_I”和“WAN_J”，显示剪力图。
由于本算例中的结构属于桁架杆系结构，杆件的剪力很小，结果不做重点考虑。
图6-47轴力图
5）列表节点结果：
GUI：
MainMenu>GeneralPostproc>ListResults>NodalSolution，弹出一个“ListNodalSolution”对话框，选择“NodalSolution-DOFSolution-Displacementvectorsum”，单击“OK”。
弹出每个节点的位移列表文本，其中包括每个节点的X、Y、Z方向位移和总位移，最后还列有每项最大值及出现最大值的节点。
6.退出程序
单击工具条上的“Quit”弹出一个如图6-47所示的“ExitfromANSYS”对话框，选取一种保存方式，单击“OK”，则退出ANSYS软件。
图6-47退出ANSYS对话框
C命令流实现
/TITLE,TrussBridgeStaticAnalysis
/PREP7
/COM,Structural
!
*
/PREP7
!
*
ET,1,BEAM188
!
*
ET,2,SHELL181
!
*
SECTYPE,1,BEAM,I,duan,0!
*定义1号工字形截面*
SECOFFSET,CENT!
*截面质心不偏移*
SECDATA,0.4,0.4,0.4,0.016,0.016,0.016,0,0,0,0!
*1号截面参数*
SECTYPE,2,BEAM,I,XIANHENG,0
SECOFFSET,CENT
SECDATA,0.4,0.4,0.4,0.012,0.012,0.012,0,0,0,0
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!
*定义1号材料弹性模量*
MP,PRXY,1,0.3!
*定义1号材料泊松比*
MP,DENS,1,7850!
*定义1号材料密度*
MP,EX,2,3.5E10!
*定义2号材料弹性模量*
MP,PRXY,2,0.1667!
*定义2号材料泊松比*
MP,DENS,2,2500!
*定义2号材料密度*
N,,0,0,-5,,,,!
*建立节点*
NGEN,4,4,ALL,,,12,,,1,!
*复制节点*
升级会员 