有限元应用于桁架桥梁结构受力分析.doc

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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流有限元应用于桁架桥梁结构受力分析.精品文档.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

2、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 Application of ANSYS Software in The Field of Engineering ZHOU Ming - yu (School of Civil Engineering and Architecture , Anhui University Of Science And Technology

3、 Anhui, Huainan ) Abstract:In recent years, along with the extensive application of the computer, invoke the other each technique field to develop rapidly. Finite Element Method (FEM) is a modern computational technique to develop rapidly with the development of the computer, FEM can process numeric

4、al simulation analysis using computer, it is applied extensively in engineering field, the result of FEM analysis provided reliable data for the design and capability analysis of various industry product. ANSYS is one of the most international famous software. The customers of ANSYS come from machin

5、e, aviation , energy sources, traffic, construction, water conservancy, electronics, ground mineral, biology medicine, teaching study fields etc. This is the ANSYS analysis by simple truss bridge structure based on graphic interface. Key word: Finite element, ANSYS, architecture, Force analysis 桁架结构

6、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Old North P

7、ark Bridge (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

8、=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=5000 N, P2=10000N,见图2。 图1 位于密执安的Old North Park Bridge 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(Graphic User Interface , 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 AN

9、SYS ANSYS Interactive Working directory(设置工作目录) Initial jobname(设置工作文件名):TrussBridge Run OK (2) 设置计算类型 ANSYS Main Menu: Preferences Structural OK 设置计算类型 (3) 定义单元类型 ANSYS Main Menu:Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete. Add Beam: 2d elastic 3 OK(返回到Element Types窗口) Close (4) 定义实常数以确定梁单元的截面参数 ANSY

10、S Main Menu: Preprocessor Real Constants Add/Edit/Delete Add select Type 1 Beam 3 OK input Real 2.19E-3,号实常数用于顶梁和侧梁) Apply input ,号实常数用于弦杆) Apply input Real ,号实常数用于底梁) OK (back to Real Constants window) Close (the Real Constants window) (5) 定义材料参数 ANSYS Main Menu: Preprocessor Material Props Materia

11、l Models 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 ANSYS Main Menu:Preprocessor Modeling Create Keypoints In Active CS NPT Keypoint number:,X,Y,Z Location in active CS 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

12、,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 Straight Line 依次分别连接特征点 OK 建立节点 生成单元模型 网格划分 ANSYS Main Menu: Preprocessor Meshing Mesh Attributes Picked Lines 选择桥顶梁及侧梁 OK select Apply 选择桥体弦杆 OK select REAL: Apply 选择桥底 梁 OK select R

13、EAL: 3, OK ANSYS Main Menu:Preprocessor Meshing MeshTool 位于Size Controls下的Lines:Set Element Size on Picked Pick all Apply NDIV:1 OK Mesh Lines Pick all OK (划分网格) 选择单元 划分网格 (7) 模型加约束 ANSYS Main Menu: Solution Define Loads Apply Structural Displacement On Nodes 选取桥身左端节点 OK select Lab2: All DOF(施加全部约束)

14、 Apply 选取桥身右端节点 OK select Lab2: 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 ANSYS Main Menu: Solution Define Loads Apply Structural Force/Moment On Keypoints 选取底梁上卡车两侧关键点(X坐标为12及20) OK select Lab: FY, Apply 选取底梁上卡车中部关键点(X坐标为16) OK select Lab: FY,Value: OK ANSYS Utility Menu: Select Everything 施加何在a 施加何在b 2.2计

15、算分析 ANSYS Main Menu:Solution Solve Current LS OK 计算分析 2.3 结果显示 ANSYS Main Menu:General Postproc Plot Results Deformed shape Def shape only OK(返回到Plot Results) Contour Plot Nodal Solu DOF Solution, 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 ANSYS Main Menu General Postproc El

16、ement Table Define Table Add Lab: bar_I, By sequence num: SMISC,1 OK Close 定义线性单元J节点的轴力 ANSYS Main Menu General Postproc Element Table Define Table Add Lab: bar_J, By sequence num: SMISC,1 OK Close 画出线性单元的受力图(见图3a3b) ANSYS Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Line Elem Res LabI: bar_

17、I, LabJ: bar_J, Fact: 1 OK 退出系统 ANSYS Utility Menu:File Exit Save Everything OK 图3a (a) 桥梁中部最大挠度值 0.006267m 图3b (b)桥梁中部轴力最大值为14627N 图 桁架桥挠度UY以及单元轴力计 算结果 3 结语 根据桁架的实际工作状态,在ANSYS10.0 环境下,建立了桁架在工作载荷下的有限元模型,通过求解得出其各个截面的面积、各杆的应力,并结合桁架的实际工作情况,可知有限元分析的结果为其安全承载提供 了理论依据和积极的现实意义。 参考文献: 1 1 博弈创作室编著. APDL参数化 有限元分析技术及其应用实例M. 中国水利水电出版社, 2004 2 任重编著. ANSYS实用分析教程M. 北京大学出版社, 2003 3 许锐,王泽兴,罗雪. 桁架优化的改进粒子群算法 J. 佳木斯大学学报(自然科学版). 2012 (01) 4 白正仙,刘锡良,李义生. 单榀张弦梁结构各因数的影响分析 J. 钢结构. 2001 (03)

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