第6章ANSYS桥梁工程应用实例分析.docx
《第6章ANSYS桥梁工程应用实例分析.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第6章ANSYS桥梁工程应用实例分析.docx（59页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
第6章ANSYS桥梁工程应用实例分析
第6章ANSYS桥梁工程应用实例分析
本章重点
结构剖析详细步骤
结构静力剖析
桁架结构建模方法
结构模态剖析
本章典型效果图
6.1引言
ANSYS通用有限元软件在土木工程运用剖析中可发扬庞大的作用。
我们用它来剖析桥梁工程结构，可以很好的模拟各种类型桥梁的受力、施工工况、动荷载的耦合等。
ANSYS顺序有丰厚的单元库和资料库，简直可以仿真模拟出任何方式的桥梁。
静力剖析中，可以较准确的反响出结构的变形、应力散布、内力状况等；动力剖析中，也可准确的表达结构的自振频率、振型、荷载耦合、时程照应等特性。
应用有限元软件对桥梁结构停止全桥模拟剖析，可以得出较准确的剖析结果。
本章引见桥梁结构的模拟剖析。
作为一种重要的工程结构，桥梁的准确剖析具有较大的工程价值。
桥梁的种类单一，如梁桥、拱桥、钢构桥、悬索桥、斜拉桥等等，不同类型的桥梁可以采用不同的建模方法。
桥梁的剖析内容又包括静力剖析、施工进程模拟、动荷载照应剖析等。
可以看出桥梁的全体剖析进程比拟复杂。
总体下去说，主要的模拟剖析进程如下：
〔1〕依据计算数据，选择适宜的单元和资料，树立准确的桥梁有限元模型。
〔2〕施加静力或许动力荷载，选择适当的边界条件。
〔3〕依据剖析效果的不同，选择适宜的求解器停止求解。
〔4〕在后处置器中观察计算结果。
〔5〕如有需求，调整模型或许荷载条件，重新剖析计算。
桥梁的种类和剖析内容众多，不同类型桥梁的的剖析进程有所不同，剖析侧重点也不一样。
在这里仅仅给出大致的剖析进程，详细内容还要看详细实例的状况。
6.2典型桥梁剖析模拟进程
6.2.1创立物理环境
树立桥梁模型之前必需对任务环境停止一系列的设置。
进入ANSYS前处置器，依照以下6个步骤来树立物理环境：
1、设置GUT菜单过滤
2、定义剖析标题〔／TITLE〕
3、说明单元类型及其选项〔KEYOPT选项〕
4、设置实常数和单位制
5、定义资料属性
1．设置GUI菜单过滤
假设你希望经过GUI途径来运转ANSYS，当ANSYS被激活后第一件要做的事情就是选择菜单途径：
MainMenu>Preferences，执行上述命令后，弹出一个如图6-1所示的对话框出现后，选择Structural。
这样ANSYS会依据你所选择的参数来对GUI图形界面停止过滤，选择Structural以便在停止结构剖析时过滤掉一些不用要的菜单及相应图形界面。
图6-1GUI图形界面过滤
2．定义剖析标题
在停止剖析前，可以给你所要停止的剖析起一个可以代表所剖析内容的标题，比如〝trussbridge〞，以便可以从标题上与其他模型区别。
用下面的GUI方法定义剖析标题。
命令：
／TITLE
GUI：
UtilityMenu>File>ChangeTitle
图6-2GUI定义标题
3．定义单元类型及其选项〔KEYOPT选项〕
与ANSYS的其他剖析一样，结构剖析也要停止相应的单元选择。
ANSYS软件提供了100种以上的单元类型，可以用来模拟工程中的各种结构和资料，各种不同的单元组合在一同，成为详细的物理效果的笼统模型。
在桥梁结构模拟剖析中，最常用的单元是梁单元，例如，梁单元可模拟不同截面的钢梁、混泥土梁等；壳单元和杆单元也很常用，壳单元可以模拟桥面板箱梁等薄壁结构，杆单元可以模拟预应力钢筋和桁架等。
定义好不同的单元及其选项〔KEYOPTS〕后，就可以树立有限元模型。
可以采用线性或许非线性的结构单元。
表6-1桥梁剖析罕见单元
单元
维数
外形和自在度
特性
LINK8
3-D
线形，2节点，
3自在度
刚性杆，可接受拉力和压力，用来定义桁架等。
可定义其截面积和初始应变。
和初始应变。
LINK10
3-D
线形，2节点，
3自在度
只能接受拉力的柔性杆，用来模拟索单元。
可定义其截面积和初始应变。
BEAM3
2-D
线形，2节点，
3自在度
二维弹性梁，可定义其截面积、惯性矩、初始应变、截面高度等。
BEAM4
3-D
线形，2节点，
6自在度
三维弹性梁，可定义其截面积、截面外形、三向惯性矩、初始应变、截面高宽等。
BEAM44
3-D
变截面不对称，2节点，6自在度
三维弹性梁，可定义多个截面的截面积、截面外形、三向惯性矩、初始应变、截面高宽等。
SHELL63
3-D
四边形或三角形，4节点，6自在度
三维弹性壳，可定义其节点处厚度、刚度、初始弯曲曲率等。
设置单元以及其关键选项的方式如下：
命令：
ET
KEYOPT
GUI：
MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete
图6-3（a）GUI添加单元类型
图6-3（b）GUI选择单元类型
4．设置实常数和单位制
单元实常数和单元类型亲密相关，用R族命令〔如R，RMODIF等〕或其相应GUI菜单途径来说明。
例如在结构剖析中，你可以用实常数定义梁单元的横截面积、惯性矩以及高度等。
当定义实常数时，要遵守如下二个规那么：
1）必需按次第输入实常数。
2）关于多单元类型模型，每种单元采用独立的实常数组〔即不同的REAL参考号〕。
但是，一个单元类型也可同时注明几个实常数组。
命令：
R
GUI：
MainMenu>Preprocessor>RealConstants>Add/Edit/Delete
图6-4（a）GUI定义实常数
图6-4（b）GUI定义实常数
在结构剖析中，系统没有设置单位制，我们可以依据自己的需求选用各种单位制。
在本章的实例中，一切算例都采用国际单位制，即m、N、kg、s、Pa、Hz等。
5．创立截面
在桥梁结构剖析中，采用梁单元普通都需求定义梁单元的截面。
在ANSYS中，既可以树立普通的截面〔即规范的几何外形和单一的资料〕，也可以树立自定义截面〔即截面外形恣意也可以是多种资料〕。
命令：
SECTYPE
SECDATA
SECOFFSET
GUI：
MainMenu>Preprocessor>Sections>Beam>CommonSections。
也可以经过用户定义网格树立自定义截面，此时必需树立用户网个文件。
首先要树立一个2D实体模型，然后保管
命令：
SECWRITE
GUI：
MainMenu>Preprocessor>Sections>Beam>WriteSecMesh。
6．定义资料属性
桥梁几何模型中可以有一种或多种资料：
包括各种性质的钢、混凝土、地基土和刚臂等等。
每种资料区都要输入相应的资料特性。
ANSYS顺序资料库中有一些已定义好资料特性的资料，可以直接运用它们，也可以修正成需求的方式再运用。
在桥梁工程剖析中，运用的资料比拟复杂，基于线形剖析得的桥梁结构，基本选择线弹性资料〔Linear线性、Isotropic各向异性〕。
定义资料属性方式如下：
命令：
MP
GUI：
MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels>Structural>Linear>Isotropic，如图6-5（a）。
在资料属性中，我们需求输入的数据有：
弹性模量（EX）、泊松比（PRXY）、密度（Density）、资料阻尼（Damping）等等。
关于非线性资料，可以选择Nonlinear，如图6-5（b）：
注：
1〕必需依照方式定义刚度〔如弹性模量EX，超弹性系数等〕。
2〕关于惯性荷载〔重力〕，必需定义质量计算所需的数据，如密度DENS。
3〕关于温度荷载，必需定义热收缩系数ALPX。
图6-5（a）GUI设置资料属性选项
图6-5（b）GUI设置资料属性选项
6.2.2建模、指定特性、分网
在ANSYS结构剖析中，有两种树立有限元原模型的方式。
第一种方法为直接树立节点单元，构成有限元模型，可自己控制每一个单元，不需求顺序划分单元，这种方法可以用来树立结构比拟复杂方式单一的桥梁结构；第二种方法是先树立几何体模型，然后再应用软件将几何模型划分单元而构成有限元模型，这种方法适用于结构复杂的桥梁。
〔１〕第一种方法：
命令：
N
GUI：
MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Nodes
命令：
E
GUI：
MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Elements
〔２〕第二种方法：
命令：
K
GUI：
MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints
命令：
L
GUI：
MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>lines
命令：
A
GUI：
MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas
命令：
V
GUI：
MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Volumes
几何模型操作：
GUI：
MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate
Extrude：
拉伸
ExtendLine：
延伸线
Booleans：
布尔操作
Intersect：
相交截取交集
Add：
相加
Subtract：
相减
Divide：
联系
Glue：
粘贴
Overlap：
搭接
Partition：
分红多个小区域
Scale：
梯度
合理的应用以上操作，可以树立出十分准确的结构体几何模型。
然后就可以对几何模型停止网格划分，构成有限元模型。
划分单元详细操作如下：
命令：
LSEL〔选择要划分的线单元〕
TYPE〔选择单元类型〕
MAT〔选择资料属性〕
REAL〔选择实常数〕
ESYS〔单元坐标系〕
MSHAPE〔选择单元外形〕
MSHKEY〔选择单元划分方式〕
LMESH〔末尾划分线单元〕
GUI：
MainMenu>Preprocessor>Meshing>MeshTool
在划分单元之前，首先要对单元大小外形等停止适当的控制，否那么能够出现意想不到的划分结果。
如今以MeshTool工具条为例，说明划分单元时方法。
如图6-6。
ElementAttributes：
选择单元类型、资料属性、实常数、单元坐标系、截面号。
SmartSize：
控制模型细部单元精细度
SizeControls：
经过给定几何体分段的大小或许数量控制各个几何体下面单元数量与大小。
Mesh：
划分单元〔点、线、面、体〕。
单元外形分为：
三角形或四面体（Tet）、四边形或六面体（Hex）；划分方式分为：
自在划分、影射划分、扫掠划分。
注：
1〕应力或应变急剧变化的区域〔通常是我们感兴味的区域〕，需求比应力或应变近乎常数的区域较密的网格。
2〕在思索非线性的影响时，要用足够的网格来失掉非线性效应。
如塑性剖析需求相当的积分点密度，因此在高塑性变形梯度区需求较密的网格。
图6-6MeshTool工具条
6.2.3施加边界条件和载荷
在施加边界条件和载荷时，既可以给实体模型〔关键点、线、面〕也可以给有限元模型〔节点和单元〕施加边界条件和载荷。
在求解时，ANSYS顺序会自动将加到实体模型上的边界条件和载荷转递到有限元模型上。
在GUI方式中，可以经过一系列级联菜单，完成一切的加载操作。
GUI途径如下：
GUI：
MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural
这时，ANSYS顺序将列出结构剖析中一切的边界条件和载荷类型。
然后依据实践状况选择合理的边界条件或载荷。
例如，要施加均布荷载到桥面板单元上，GUI途径如下：
GUI：
MainMenu>Preprocessor>DefineLoads>Apply>Structural>Pressure>OnElements/OnAreas
也可以经过ANSYS命令来输入载荷，几种罕见的结构剖析荷载如下：
（1）位移〔UX，UY，UZ，ROTX，ROTY，ROTZ〕：
这些自在度约束往往施加到模型边界上，用以定义刚性支撑点。
也可以用于指定对称边界条件以及运动的点。
例如：
一个有三个自在度的二维简支梁单元，边界条件即为：
i端点约束UX、UY方向位移，j端点约束UY方向位移。
桥梁结构剖析中，位移约束普通加载于桥墩基础处、主梁支座处、梁端等处。
位移约束可以施加在点、线、面、节点上，最终都会转化为施加在节点下面的约束。
由标号指定的方向是依照节点坐标系定义的。
图6-7施加荷载菜单
命令：
D
GUI：
MainMenu>Preprocessor>DefineLoads>Apply>Structural>DisplacementorPotential
GUI：
MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement
（2）力〔FX，FY，FZ〕/力矩〔MX，MY，MZ〕
这些集中力通常在模型的外边界上指定，其方向是按节点坐标系定义的。
集中力或弯矩可以模拟桥梁上的集中力荷载。
例如：
当车辆行驶于桥梁下面时，轴重简化为一组集中力作用于梁上，来计算梁的受力状况。
集中力或弯矩只能施加在关键点或许节点下面。
命令：
F
GUI：
MainMenu>Preprocessor>DefineLoads>Apply>Structural>Force/Moment
GUI：
MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Force/Moment
（3）压力荷载〔PRES〕
这是外表荷载，通常作用于模型外部。
正压力为指向单元面〔起到紧缩的效果〕。
均布荷载和梯度荷载都属于压力荷载，在桥梁结构剖析中会经常施加压力荷载。
例如在桥面板上施加均布的人群荷载，就需求选择桥面板单元，然后在选择的单元或许面下面施加压力。
值得留意的是，在三维的面上施加压力时，要留意面的方向与压力的方向。
压力荷载可以施加在线、面、节点、单元、梁上。
命令：
SF
GUI：
MainMenu>Preprocessor>DefineLoads>Apply>Structural>Pressure
GUI：
MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Pressure
（4）惯性力荷载〔用来加载重力、旋转等〕
ANSYS结构剖析中，普统统过施加惯性力来施加结构的重力。
同时也可以用来施加减速度。
用来加载重力的惯性力与重力减速的方向相反。
定义惯性荷载之前必需定义密度。
例如：
重力方向为Y轴的负方向，那么加的惯性力应该为Y轴的正方向。
命令：
ACEL
GUI：
MainMenu>Preprocessor>DefineLoads>Apply>Structural>Inertia>Gravity
GUI：
MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Inertia>Gravity
6.2.4求解
结构剖析的求解种类比拟多，应依据不同的需求选择不同的求解方式。
基本的求解进程进程如下：
1.定义剖析类型
在定义剖析类型和剖析将用的方程求解器前，要先进入SOULUTION求解器。
图6-8GUI选择剖析类型
命令：
／SOLU
GUI：
MainMenu>Solution
选择剖析类型。
命令：
ANTYPE
GUI：
MainMenu>Solution>AnslysisType>NewAnalysis，如图6-8。
桥梁结构常用的剖析类型有：
〔1〕静力剖析
静力剖析是桥梁结构剖析中的重要环节，静力剖析结果必需要满足设计要求。
经过静力计算，可以求解出结构的位移、内力、应力散布、变形外形、动摇性等。
命令：
ANTYPE,STATIC,NEW
GUI：
MainMenu>Solution>AnalysisType>NewAnalysis
然后选择〝static〞选项，点击〝OK〞。
假设是需求重启动一个剖析〔施加了另外的鼓舞〕，先前剖析的结果文件Jobname.EMAT，Jobname.ESAV和Jobname.DB还可用，运用命令ANTYPE,STATIC,REST。
〔2〕模态剖析
在模态剖析中，我们可以求解出结构的自振频率以及各阶振型，同时也可求出每阶频率的参与质量等等。
而在谱剖析之前，必需停止模态剖析。
命令：
ANTYPE,MODAL,NEW
GUI：
MainMenu>Solution>AnalysisType>NewAnalysis
然后选择〝Modal〞选项，点击〝OK〞。
模态剖析由4个主要步骤组成：
✓建模。
✓加载及求解。
除了零位移约束之外的其他类型的的荷载——力、压力、减速度等可以在模态剖析中指定，但是在模态提取时将被疏忽；求解输入内容主要有固有频率、参与系数表等。
✓扩展模态。
指将振型写入结果文件，失掉完整的振型；在扩展处置前必需明白的分开求解器〔FINISH〕并且重新进入求解器。
✓观察结果。
末态剖析结果包括：
固有频率、扩展振型、相对应力和力散布。
在POST1中观察结果。
留意：
在模态剖析中只要线性行为是有效的，假设指定了非线性单元，它将被看作是线性的；在模态剖析中必需指定杨氏模量EX和密度DENS。
〔3〕瞬态剖析
瞬态剖析经常用于分级计算结构遭到突然加载的荷载时的照应状况。
例如在桥梁结构剖析中，桥梁遭到地震鼓舞的时程作用，或许计算桥墩遭到突然撞击的状况，都可以选择运用瞬态剖析来计算结构照应。
详细引见见第7章。
命令：
ANTYPE,TRANS,NEW
GUI：
MainMenu>Solution>AnalysisType>NewAnalysis
然后选择〝Transient〞选项，点击〝OK〞。
弹出如图6-9对话框。
选择适当的求解方式，点击〝OK〞。
图6-9瞬态剖析选项
（4）谱剖析
谱剖析是一种将模态剖析结果与一个的谱联络起来计算模型的位移和应力的剖析技术。
谱剖析替代时间-历程剖析，主要用于确定结构对随机荷载或随时间变化荷载〔如地震、风载、波浪等等〕的动力照应状况。
在结构剖析中，谱剖析常用在计算结构遭到震动鼓舞状况下的照应。
最常用的就是地震反响谱。
留意在谱剖析之前要先停止模态剖析。
命令：
ANTYPE,SPECTR,NEW
GUI：
MainMenu>Solution>AnalysisType>NewAnalysis
然后选择〝Spectrum〞选项，点击〝OK〞。
谱剖析的全进程包括以下几步：
✓树立模型。
✓模态剖析。
留意只要Block法、Subspace法和Reduced法才对谱剖析有效。
✓谱剖析。
输入反响谱，有减速的反响谱、位移反响谱、速度反响谱、力反响谱等。
✓扩展模态。
扩展振型之后才干在后处置器中观察结果。
✓兼并模态。
模态的组合方式在桥梁结构设计规范中规则选择SRSS方式，即先求平方和再求平方根。
✓观察结果。
2.定义剖析选项
定义好剖析类型之后，就好设置剖析选项。
每种剖析的剖析选项对话框各不相反。
（1）静力剖析
命令：
EQSLV
GUI：
MainMenu>Solution>AnalysisType>AnalysisOptions
在求解选项中，可以看看到如图6-10的菜单。
图6-10GUI静力剖析求解选项卡
Basic：
SmallDisplacementStatic〔小位移静力剖析〕
LargeDisplacementStatic〔大位移静力剖析〕
SmallDisplacementTransient〔小位移瞬态剖析〕
LargeDisplacementTransient〔大位移瞬态剖析〕
Calculateprestresseffect〔计算预应力效应〕
Timeatendofloadstep〔最后一个荷载步的时间〕
Numberofsubsteps〔经过荷载子步控制〕
Timeincrement〔经过时间增量控制〕
WriteItemstoResultsFile〔结果文件输入设置〕
在Basic中的设置，提供了剖析中所需的最少数据。
一旦Basic标签中的设置满足以后，就不需求设置其他标签中的选项，除非由于要停止初级控制而修正其他缺省设置。
注：
1〕在设置ANTYPE和NLGEOM时，如停止一个新的剖析并疏忽大变形效应〔如大挠度、大转角、大应变〕时，请选择〝SmallDisplacementStatic〞项。
如预期有大挠度〔如弯曲的长细杆〕或大应变，那么选择〝LargeDisplacementStatic〞项。
假设想重启动一个失败的非线性剖析，或许用户曾经停止了完整的静力剖析，而想指定其他荷载，那么选择〝RestartCurrentAnalysis〞项。
2〕在设置TIME时，记住这个荷载步选项指定该荷载步完毕的时间，缺省值为1。
关于后继的荷载步，缺省值为1加上前一个荷载步指定的时间。
3〕在设置OUTERS时，记住：
缺省时只要1000个结果集记载到结果文件中，假设超越这一数目，顺序将出错停机。
可以经过/CONFIG，NRES命令来增大这一限值。
（2）模态剖析
命令：
EQSLV
GUI：
MainMenu>Solution>AnalysisType>AnalysisOptions，弹出对话框模态剖析选项设置对话框，如图6-11（a）。
模态剖析方法一共有7种〔字空间法、分块Lanczos法、PowerDynamics法、缩减法、非对称法、阻尼法、QR阻尼法〕，前四种方法是最常用的模态提取方法。
桥梁结构剖析计算中普通采用分块Lanczos法和子空间法。
常用选项意义如下：
No.ofmodestoextract〔提取模态数〕：
除缩减法以外的其他模态提取该选项都是必需设置的。
Expandmodeshapes〔能否扩展模态〕：
假设预备在谱剖析之后停止模态扩展，该选项应该设置为NO。
No.ofmodestoexpand〔扩展模态数〕：
该选项只在采用缩减法、非对称法和阻尼法时要求设置。
Calculateelemresults〔计算单元结果〕：
假设想失掉单元求解结果，需求翻开此项。
Inclprestresseffects〔能否包括预应力效应〕：
该项用于确定能否思索预应力对结构震动的影响。
缺省剖析进程不包括预应力效应，即结构处于无预应力形状。
图6-11（a）GUI模态剖析求解选项卡
◆中选择分块Lanczos法时，点击OK后弹出如图6-11（b）对话框，在对话框中输入起始频率和截止频率。
也就是给出一定的频率范围，顺序最后计算出的自振频率结果在所给频率范围之内。
图6-11（b）GUI模态剖析求解选项卡
分块Lanczos法用于提取大模型的多阶模态〔40阶以上〕，模型中包括外形较差的实体和壳单元时建议采用此法，最适宜用于由壳或壳与实体组成的模型，速度快。
内存要求中，存贮要求低。
◆中选择子空间Subspace法时，点击OK后弹出如图6
升级会员 