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:Main Menu>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6-1 GUI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“truss bridge”,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:Utility Menu>File>Change Title图6-2 GUI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)后,就可以建第6章 ANSYS桥梁工程应用实例分析立有限元模型。
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LINK8 3-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。
LINK10 3-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。
BEAM3 2-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。
BEAM4 3-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。
BEAM44 3-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。
SHELL63 3-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:Main Menu> Preprocessor> Element Type> Add/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:Main Menu> Preprocessor> Real Constants> Add/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:Main Menu> Preprocessor> Sections> Beam> Common Sections。
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:Main Menu> Preprocessor> Sections> Beam> Write Sec Mesh。
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:Main Menu> Preprocessor> Material Props> Material Models> Structural> Linear> Isotropic,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:Main Menu> Preprocessor> Modeling> Create>Nodes命令:EGUI:Main Menu> Preprocessor> Modeling> Create>Elements(２)第二种方法:命令:KGUI:Main Menu> Preprocessor> Modeling> Create>Keypoints命令:LGUI:Main Menu> Preprocessor> Modeling> Create>lines命令:AGUI:Main Menu> Preprocessor> Modeling> Create>Areas命令:VGUI:Main Menu> Preprocessor> Modeling> Create>V olumes几何模型操作:GUI:Main Menu> Preprocessor> Modeling>OperateExtrude:拉伸Extend Line: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行第6章桥梁工程分析 1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:Main Menu> Preprocessor> Meshing> MeshTool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。