第6章ANSYS桥梁工程应用实例分析

本章介绍桥梁结构的模拟分析。桥梁是一种重要的工程结构，精确分析桥梁结构在各种受力方式下的响应有较大的工程价值。模拟不同类型的桥梁需要不同的建模方法，分析内容包括静力分析、动荷载响应分析、施工过程分析等等。在本章中着重介绍桁架桥、刚架桥和斜拉桥三种类型桥梁。内容提要第6章ANSYS桥梁工程应用实例分析本章重点结构分析具体步骤结构静力分析桁架结构建模方法结构模态分析本章典型效果图第6章ANSYS桥梁工程应用实例分析6.1引言ANSYS通用有限元软件在土木工程应用分析中可发挥巨大的作用。我们用它来分析桥梁工程结构，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程序有丰富的单元库和材料库，几乎可以仿真模拟出任何形式的桥梁。静力分析中，可以较精确的反应出结构的变形、应力分布、内力情况等；动力分析中，也可精确的表达结构的自振频率、振型、荷载耦合、时程响应等特性。利用有限元软件对桥梁结构进行全桥模拟分析，可以得出较准确的分析结果。本章介绍桥梁结构的模拟分析。作为一种重要的工程结构，桥梁的精确分析具有较大的工程价值。桥梁的种类繁多，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。桥梁的分析内容又包括静力分析、施工过程模拟、动荷载响应分析等。可以看出桥梁的整体分析过程比较复杂。总体上来说，主要的模拟分析过程如下：（1）根据计算数据，选择合适的单元和材料，建立准确的桥梁有限元模型。（2）施加静力或者动力荷载，选择适当的边界条件。（3）根据分析问题的不同，选择合适的求解器进行求解。（4）在后处理器中观察计算结果。（5）如有需要，调整模型或者荷载条件，重新分析计算。桥梁的种类和分析内容众多，不同类型桥梁的的分析过程有所不同，分析侧重点也不一样。在这里仅仅给出大致的分析过程，具体内容还要看具体实例的情况。6.2典型桥梁分析模拟过程6.2.1创建物理环境建立桥梁模型之前必须对工作环境进行一系列的设置。进入ANSYS前处理器，按照以下6个步骤来建立物理环境：1、设置GUT菜单过滤2、定义分析标题（／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、定义材料属性第6章桥梁工程分析11．设置GUI菜单过滤如果你希望通过GUI路径来运行ANSYS，当ANSYS被激活后第一件要做的事情就是选择菜单路径：MainMenuPreferences，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会根据你所选择的参数来对GUI图形界面进行过滤，选择Structural以便在进行结构分析时过滤掉一些不必要的菜单及相应图形界面。图6-1GUI图形界面过滤2．定义分析标题在进行分析前，可以给你所要进行的分析起一个能够代表所分析内容的标题，比如“trussbridge”，以便能够从标题上与其他模型区别。用下面的GUI方法定义分析标题。命令：／TITLEGUI：UtilityMenuFileChangeTitle图6-2GUI定义标题3．定义单元类型及其选项（KEYOPT选项）与ANSYS的其他分析一样，结构分析也要进行相应的单元选择。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材料，各种不同的单元组合在一起，成为具体的物理问题的抽象模型。在桥梁结构模拟分析中，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）第6章ANSYS桥梁工程应用实例分析后，就可以建立有限元模型。可以采用线性或者非线性的结构单元。表6-1桥梁分析常见单元单元维数形状和自由度特性LINK83-D线形，2节点，3自由度刚性杆，可承受拉力和压力，用来定义桁架等。可定义其截面积和初始应变。和初始应变。LINK103-D线形，2节点，3自由度只能承受拉力的柔性杆，用来模拟索单元。可定义其截面积和初始应变。BEAM32-D线形，2节点，3自由度二维弹性梁，可定义其截面积、惯性矩、初始应变、截面高度等。BEAM43-D线形，2节点，6自由度三维弹性梁，可定义其截面积、截面形状、三向惯性矩、初始应变、截面高宽等。BEAM443-D变截面不对称，2节点，6自由度三维弹性梁，可定义多个截面的截面积、截面形状、三向惯性矩、初始应变、截面高宽等。SHELL633-D四边形或三角形，4节点，6自由度三维弹性壳，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：ETKEYOPTGUI：MainMenuPreprocessorElementTypeAdd/Edit/Delete图6-3(a)GUI添加单元类型第6章桥梁工程分析1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密切相关，用R族命令（如R，RMODIF等）或其相应GUI菜单路径来说明。例如在结构分析中，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，要遵守如下二个规则：1）必须按次序输入实常数。2）对于多单元类型模型，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：RGUI：MainMenuPreprocessorRealConstantsAdd/Edit/Delete图6-4(a)GUI定义实常数第6章ANSYS桥梁工程应用实例分析图6-4(b)GUI定义实常数在结构分析中，系统没有设置单位制，我们可以根据自己的需要选用各种单位制。在本章的实例中，所有算例都采用国际单位制，即m、N、kg、s、Pa、Hz等。5．创建截面在桥梁结构分析中，采用梁单元一般都需要定义梁单元的截面。在ANSYS中，既可以建立一般的截面（即标准的几何形状和单一的材料），也可以建立自定义截面（即截面形状任意也可以是多种材料）。命令：SECTYPESECDATASECOFFSETGUI：MainMenuPreprocessorSectionsBeamCommonSections。也可以通过用户定义网格建立自定义截面，此时必须建立用户网个文件。首先要建立一个2D实体模型，然后保存命令：SECWRITEGUI：MainMenuPreprocessorSectionsBeamWriteSecMesh。6．定义材料属性桥梁几何模型中可以有一种或多种材料：包括各种性质的钢、混凝土、地基土和刚臂等等。每种材料区都要输入相应的材料特性。ANSYS程序材料库中有一些已定义好材料特性的材料，可以直接使用它们，也可以修改成需要的形式再使用。在桥梁工程分析中，使用的材料比较简单，基于线形分析得的桥梁结构，基本选择线弹性材料（Linear线性、Isotropic各向同性）。定义材料属性方式如下：第6章桥梁工程分析1命令：MPGUI：MainMenuPreprocessorMaterialPropsMaterialModelsStructuralLinearIsotropic，如图6-5(a)。在材料属性中，我们需要输入的数据有：弹性模量(EX)、泊松比(PRXY)、密度(Density)、材料阻尼(Damping)等等。对于非线性材料，可以选择Nonlinear，如图6-5(b)：注：1）必须按照形式定义刚度（如弹性模量EX，超弹性系数等）。2）对于惯性荷载（重力），必须定义质量计算所需的数据，如密度DENS。3）对于温度荷载，必须定义热膨胀系数ALPX。图6-5(a)GUI设置材料属性选项第6章ANSYS桥梁工程应用实例分析图6-5(b)GUI设置材料属性选项6.2.2建模、指定特性、分网在ANSYS结构分析中，有两种建立有限元原模型的方式。第一种方法为直接建立节点单元，形成有限元模型，可自己控制每一个单元，不需要程序划分单元，这种方法可以用来建立结构比较简单形式单一的桥梁结构；第二种方法是先建立几何体模型，然后再利用软件将几何模型划分单元而形成有限元模型，这种方法适用于结构复杂的桥梁。（１）第一种方法：命令：NGUI：MainMenuPreprocessorModelingCreateNodes命令：EGUI：MainMenuPreprocessorModelingCreateElements（２）第二种方法：命令：KGUI：MainMenuPreprocessorModelingCreateKeypoints命令：LGUI：MainMenuPreprocessorModelingCreatelines命令：AGUI：MainMenuPreprocessorModelingCreateAreas命令：VGUI：MainMenuPreprocessorModelingCreateVolumes几何模型操作：GUI：MainMenuPreprocessorModelingOperateExtrude：拉伸ExtendLine：延长线Booleans：布尔操作Intersect：相交截取交集Add：相加Subtract：相减Divide：分割Glue：粘贴Overlap：搭接Partition：分成多个小区域Scale：梯度合理的利用以上操作，可以建立出非常精确的结构体几何模型。然后就可以对几何模型进第6章桥梁工程分析1行网格划分，形成有限元模型。划分单元具体操作如下：命令：LSEL（选择要划分的线单元）TYPE（选择单元类型）MAT（选择材料属性）REAL（选择实常数）ESYS（单元坐标系）MSHAPE（选择单元形状）MSHKEY（选择单元划分方式）LMESH（开始划分线单元）GUI：MainMenuPreprocessorMeshingMeshTool在划分单元之前，首先要对单元大小形状等进行适当的控制，否则可能出现意想不到的划分结果。现在以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、材料属性、实常数、单元坐标系、截面号。SmartSize：控制模型细部单元精细度SizeControls：通过给定几何体分段的大小或者数量控制各个几何体上面单元数量与大小。Mesh：划分单元（点、线、面、体）。单元形状分为：三角形或四面体(Tet)、四边形或六面体(Hex)；划分方式分为：自由划分、影射划分、扫掠划分。注：1）应力或应变急剧变化的区域（通常是我们感兴趣的区域），需要比应力或应变近乎常数的区域较密的网格。2）在考虑非线性的影响时，要用足够的网格来得到非线性效应。如塑性分析需要相当的积分点密度，因而在高塑性变形梯度区需要较密的网格。图6-6MeshTool工具条第6章ANSYS桥梁工程应用实例分析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程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，可以通过一系列级联菜单，实现所有的加载操作。GUI路径如下：GUI：MainMenuSolutionDefineLoadsApplyStructural这时，ANSYS程序将列出结构分析中所有的边界条件和载荷类型。然后根据实际情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路径如下：GUI：MainMenuPreprocessorDefineLoadsApplyStructuralPressureOnElements/OnAreas也可以通过ANSYS命令来输入载荷，几种常见的结构分析荷载如下：（1）位移（UX，UY，UZ，ROTX，ROTY，ROTZ）：这些自由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