有限元应用于桁架桥梁结构受力分析.docx
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有限元应用于桁架桥梁结构受力分析
有限元应用于桁架桥梁结构受力分析
有限元应用于桁架桥梁结构受力分析
周明宇
(安徽理工大学土木建筑学院,安徽,淮南)
摘要:
近年来,随着电子计算机的广泛应用,带动了其他各个技术领域的飞速发展。
有限单元法也是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。
它利用电子计算机进行数值模拟分析,目前在工程技术领域中的应用十分广泛,有限元计算结果为各类工业产品设计和性能分析提供了可靠依据。
ANSYS软件正是目前国际上著名的通用有限元软件之一。
ANSYS用户涵盖了机械、航空航天、能源、交通运输、土木建筑、水利、电子、地矿、生物医学、教学科研等众多领域。
ANSYS是这些领域进行国际国内分析设计技术交流的主要分析平台。
从工程应用的角度来讲,它包括结构静力分析、结构动力分析、屈曲分析、非线性分析、以及热分析等。
本文是ANSYS基于图形界面的桁架桥梁结构的简单受力分析。
关键词:
有限元、ANSYS、建筑、受力分析
ApplicationofANSYSSoftwareinTheFieldofEngineering
ZHOUMing-yu
(SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,AnhuiUniversityOfScienceAndTechnologyAnhui,Huainan)
Abstract:
Inrecentyears,alongwiththeextensiveapplicationofthecomputer,invoketheothereachtechniquefieldtodeveloprapidly.FiniteElementMethod(FEM)isamoderncomputationaltechniquetodeveloprapidlywiththedevelopmentofthecomputer,FEMcanprocessnumericalsimulationanalysisusingcomputer,itisappliedextensivelyinengineeringfield,theresultofFEManalysisprovidedreliabledataforthedesignandcapabilityanalysisofvariousindustryproduct.ANSYSisoneofthemostinternationalfamoussoftware.ThecustomersofANSYScomefrommachine,aviation,energysources,traffic,construction,water
conservancy,electronics,groundmineral,biologymedicine,teachingstudyfieldsetc.ThisistheANSYSanalysisbysimpletrussbridgestructurebasedongraphicinterface.
Keyword:
Finiteelement,ANSYS,architecture,Forceanalysis
桁架结构由于具有自重轻、造价较低和施工简单等诸多优点,在包括大型工业厂房在内的工程领域得到了广泛的应用;随着对设计质量要求的不断提高,人们一直在探索如何在保证桁架结构安全的前提下,减少材料用量,降低成本,以满足经济性的要求;桁架结构的优化设计思想从MICHELL,桁架理论的出现至今已有近百年历史,BENDSOE等,提出的多工况拓扑优化方法标志着对优化设计研究进入了新的阶段。
国内学者也在该领域进行了大量的研究,如隋允康等对桁架结构离散变量的优化问
1桁架有限元模型
1.1桁架有限元模型的简化和假设
下面以一个简单桁架桥梁为例,
以展示有限元分析的全过程。
背景素材选自位于密执安的"OldNorthParkBridge"(1904-1988),见图1。
该桁架桥由型钢组成,顶梁及侧梁,桥身弦杆,底梁分别采用3种不同型号的
题进行了研究,通过函数变换找到了满应力的映射解,并结合桁架拓扑优化特点提出了ICM(独立、连续、映射)方法。
随着计算机技术的发展,人们开始利用ANSYS等软件对工程结构进行有限元分析和优化设计。
APDL是ANSYS参数化设计语言,它是一种通过参数化变量方式建立分析模型的脚本语言,ANSYS提供了两种优化方法即零阶方法和一阶方法。
除此之外,用户还可以利用自己开发的优化算法替代ANSYS本身的优化方法进行优化设计。
型钢,结构参数见表1。
桥长L=32m,桥高H=5.5m。
桥身由8段桁架组成,每段长4m。
该桥梁可以通行卡车,若这里仅考虑卡车位于桥梁中间位置,假设卡车的质量为4000kg,若取一半的模型,可以将卡车对桥梁的作
用力简化为P1,P2和P3,其中P1=P3=5000N,P2=10000N,见图2。
图1位于密执安的"OldNorthParkBridge"
图2桥梁的简化平面模型(取桥梁的一半)
表1桥梁结构中各种构件的几何性能参数
1.2桁架有限元模型的建立
以下为基于ANSYS图形界面(GraphicUserInterface,GUI)的菜单操作流程。
(1)进入ANSYS(设定工作目录和工作文件)
程序→ANSYS→ANSYSInteractive→Workingdirectory(设置工作目录)→Initialjobname(设置工作文件名):
TrussBridge→Run→OK
(2)设置计算类型
ANSYSMainMenu:
Preferences…→Structural→OK
设置计算类型
(3)定义单元类型
ANSYSMainMenu:
Preprocessor→ElementType→Add/Edit/Delete...→Add…→Beam:
2delastic3→OK(返回到ElementTypes窗口)→Close
(4)定义实常数以确定梁单元的截面参数
ANSYSMainMenu:
Preprocessor→RealConstants…→Add/Edit/Delete→Add…→selectType1Beam3→OK→inputReal2.19E-3,号实常数用于顶梁和侧梁)→Apply→input,号实常数用于弦杆)→Apply→inputReal,号实常数用于底梁)→OK(backtoRealConstantswindow)→Close(theRealConstantswindow)
(5)定义材料参数
ANSYSMainMenu:
Preprocessor→MaterialProps→MaterialModels→Structural→Linear→Elastic→Isotropic→定义泊松比及弹性模量)→OK→Density(定义材料密度)→input→OK→Close(关闭材料定义窗口)
(6)构造桁架桥模型
生成桥体几何模型ANSYSMainMenu:
Preprocessor→Modeling→Create→Keypoints→InActiveCS→NPTKeypointnumber:
,X,Y,ZLocationinactiveCS→Apply→同样输入其余15个特征点坐标(最左端为起始点,坐标分别为(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→StraightLine→依次分别连接特征点→
OK
建立节点
生成单元模型
网格划分
ANSYSMainMenu:
Preprocessor→Meshing→MeshAttributes→PickedLines→选择桥顶梁及侧梁→OK→select→Apply→选择桥体弦杆→OK→selectREAL:
→Apply→选择桥底
梁→OK→selectREAL:
3,→OK→ANSYSMainMenu:
Preprocessor→Meshing→MeshTool→位于SizeControls下的Lines:
Set→ElementSizeonPicked→Pickall→Apply→NDIV:
1→OK→Mesh→Lines→Pickall→OK(划分网格)
选择单元
划分网格
(7)模型加约束
ANSYSMainMenu:
Solution→Define
Loads
→
Apply
→
Structural→Displacement→OnNodes→选取桥身左端节点→OK→selectLab2:
AllDOF(施加全部约束)→Apply→选取桥身右端节点→OK→selectLab2:
施加Y方向约束)→OK
施加约束
2受力作用分析
2.1施加载荷
ANSYSMainMenu:
Solution→DefineLoads→Apply
→
Structural
→
Force/Moment→OnKeypoints→选取底梁上卡车两侧关键点(X坐标为12及20)→OK→selectLab:
FY,→Apply→选取底梁上卡车中部关键点(X坐标为16)→OK→selectLab:
FY,Value:
→OK→ANSYSUtilityMenu:
→Select→Everything
施加何在a
施加何在b
2.2计算分析
ANSYSMainMenu:
Solution→Solve→CurrentLS→OK
计算分析
2.3结果显示
ANSYSMainMenu:
GeneralPostproc
→
PlotResults
→
Deformedshape→Defshapeonly
→OK(返回到PlotResults)→ContourPlot→NodalSolu→DOFSolution,
Y-Component
of
Displacement→OK(显示Y方向位移UY)
导出结果
a
导出结果b
定义线性单元I节点的轴力ANSYSMainMenu→GeneralPostproc→ElementTable→DefineTable→Add→Lab:
[bar_I],Bysequencenum:
[SMISC,1]→OK
→Close
定义线性单元J节点的轴力ANSYS
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- 关 键 词:
- 有限元 应用于 桁架 桥梁 结构 分析
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