1、基于有限元理論的鋼桁加勁鋼拱橋力學(xué)分析0引言 張哲南 141211541設(shè)計概況2前處理3加載求解4靜力分析5動力分析6命令流7小結(jié)0引言1設(shè)計概況1設(shè)計概況2前處理n建模方案及單位設(shè)置建模方案及單位設(shè)置方法方法1 Keypoints-line-Area-Volume- Meshtool-1 Keypoints-line-Area-Volume- Meshtool-Generate Nodes Elements -Structural -Generate Nodes Elements -Structural Displacement on nodes- Force/Moment on Node

2、s-Displacement on nodes- Force/Moment on Nodes-Gravity-Solve-Plot ResultGravity-Solve-Plot Result方法方法2 Node-Element-Structural Displacement on 2 Node-Element-Structural Displacement on nodes- Force/Moment on Nodes-Gravity-Solve-nodes- Force/Moment on Nodes-Gravity-Solve-Plot Result-Plot Resultn本處使用方

3、法本處使用方法1 1建模，先建立結(jié)構(gòu)實體模型，再進(jìn)行網(wǎng)格建模，先建立結(jié)構(gòu)實體模型，再進(jìn)行網(wǎng)格劃分生成有限元模型，單位除長度單位設(shè)置為劃分生成有限元模型，單位除長度單位設(shè)置為mmmm外，其它外，其它接軌國際單位制。接軌國際單位制。2前處理n通過點線面的方式生成實體模型通過點線面的方式生成實體模型2前處理n對實體模型網(wǎng)格劃分生成有限元模型對實體模型網(wǎng)格劃分生成有限元模型2前處理n施加對稱約束施加對稱約束 對稱顯示對稱顯示n由于其對稱性，故只設(shè)計由于其對稱性，故只設(shè)計了四分之一單元，為等效為整了四分之一單元，為等效為整體模型，需進(jìn)行對稱約束和對稱顯示設(shè)置體模型，需進(jìn)行對稱約束和對稱顯示設(shè)置3設(shè)置邊界

4、條件 加載 求解n加載分為施加重力、由均布荷載換算而來的橋面壓加載分為施加重力、由均布荷載換算而來的橋面壓力、車輛集中荷載力、車輛集中荷載3設(shè)置邊界條件 加載 求解n使用通用后處理器使用通用后處理器(Post1)(Post1)進(jìn)行求解進(jìn)行求解4靜力分析n求解后可以得到整體變形圖、節(jié)點位移矢量圖、節(jié)點豎求解后可以得到整體變形圖、節(jié)點位移矢量圖、節(jié)點豎向位移向位移(y(y向向) )、節(jié)點、節(jié)點Von MisesVon Mises等效應(yīng)力圖、節(jié)點彈性應(yīng)變等效應(yīng)力圖、節(jié)點彈性應(yīng)變圖、節(jié)點剪應(yīng)力圖、節(jié)點變形方向、單元圖、節(jié)點剪應(yīng)力圖、節(jié)點變形方向、單元Von misesVon mises等效應(yīng)等效應(yīng)力圖

5、，進(jìn)而分析其內(nèi)力情況力圖，進(jìn)而分析其內(nèi)力情況n也可以列表顯示特定位置的特定量值，以便應(yīng)用于工程也可以列表顯示特定位置的特定量值，以便應(yīng)用于工程實際驗算實際驗算4靜力分析n由由4.14.1整體變形圖可得，結(jié)構(gòu)的最大縱向位移發(fā)生在跨中整體變形圖可得，結(jié)構(gòu)的最大縱向位移發(fā)生在跨中的橋面板附近，位移值的橋面板附近，位移值37.5cm37.5cm。n由由4.24.2節(jié)點位移矢量圖可見主要位移偏大位置在橋面板跨節(jié)點位移矢量圖可見主要位移偏大位置在橋面板跨中位置，而主副拱圈、橋面橫梁、立柱等位置在正常位移中位置，而主副拱圈、橋面橫梁、立柱等位置在正常位移范圍內(nèi)。需要加大跨中位置的豎向剛度。范圍內(nèi)。需要加大跨

6、中位置的豎向剛度。4靜力分析n查看查看4.34.3節(jié)點豎向位移節(jié)點豎向位移(y(y向向) )，由于新規(guī)范未規(guī)定拱橋撓，由于新規(guī)范未規(guī)定拱橋撓度限值，由舊規(guī)范度限值，由舊規(guī)范JTJ023-85JTJ023-85得到拱橋最大撓度限值得到拱橋最大撓度限值L/800=135000/800=168mmL/800=135000/800=168mm。通過查詢得到，跨中主拱圈頂。通過查詢得到，跨中主拱圈頂點位置豎向最大撓度為點位置豎向最大撓度為162mm162mm，小于規(guī)范規(guī)定限值，故結(jié)構(gòu)，小于規(guī)范規(guī)定限值，故結(jié)構(gòu)安全。安全。n圖圖2 2為單元的單元為單元的單元Von misesVon mises等效應(yīng)力圖等

7、效應(yīng)力圖4靜力分析n也可以列表顯示特定位置的特定量值，以便應(yīng)用于工程也可以列表顯示特定位置的特定量值，以便應(yīng)用于工程實際驗算實際驗算n主要通過定義單元表的方式來列表指定位置主要通過定義單元表的方式來列表指定位置( (拱腳、橋臺拱腳、橋臺處處) )支座反力、彎矩。支座反力、彎矩。5動力分析5動力分析5動力分析5動力分析5動力分析5動力分析5動力分析Loading6.基于命令流的參數(shù)化設(shè)計nANSYSANSYS有兩種模式：一種是交互模式（有兩種模式：一種是交互模式（Interactive Interactive ModeMode），另一個是非交互模式（），另一個是非交互模式（Batch ModeB

8、atch Mode）。交互模式）。交互模式是初學(xué)者和大多數(shù)使用者所采用，包括建模、保存文件、是初學(xué)者和大多數(shù)使用者所采用，包括建模、保存文件、打印圖形及結(jié)果分析等，一般無特別原因皆用交互模式。打印圖形及結(jié)果分析等，一般無特別原因皆用交互模式。但若分析的問題要很長時間，如但若分析的問題要很長時間，如1-21-2天等，可把分析問題的天等，可把分析問題的命令做成文件，利用它的非交互模式進(jìn)行分析。命令做成文件，利用它的非交互模式進(jìn)行分析。n通過通過File-write DB log fileFile-write DB log file的方式生成命令流文件，的方式生成命令流文件，詳見詳見14121154

9、14121154命令流命令流.log.logLoading7.小結(jié)n由于模型為自己獨立設(shè)計，無實際工程實例模型，結(jié)構(gòu)由于模型為自己獨立設(shè)計，無實際工程實例模型，結(jié)構(gòu)固有的這種設(shè)計不合理性導(dǎo)致了求解結(jié)果的不合理性，比固有的這種設(shè)計不合理性導(dǎo)致了求解結(jié)果的不合理性，比如前如前5050階自振頻率很低，橋梁主體結(jié)構(gòu)振動不明顯。由公階自振頻率很低，橋梁主體結(jié)構(gòu)振動不明顯。由公式式( (式中式中f f為頻率為頻率 為圓頻率為圓頻率 K K為剛度為剛度 M M為質(zhì)量為質(zhì)量) )可知，為增可知，為增加結(jié)構(gòu)頻率，應(yīng)該減少結(jié)構(gòu)質(zhì)量同時增大結(jié)構(gòu)剛度，即盡加結(jié)構(gòu)頻率，應(yīng)該減少結(jié)構(gòu)質(zhì)量同時增大結(jié)構(gòu)剛度，即盡量使用量使用

10、EIEI大的截面又要降低自重，比如使用工字鋼、設(shè)置大的截面又要降低自重，比如使用工字鋼、設(shè)置加勁肋等。加勁肋等。n使用存儲字節(jié)小的單元類型。針對梁單元的使用存儲字節(jié)小的單元類型。針對梁單元的Beam4Beam4與與Beam188Beam188，如果結(jié)構(gòu)無特殊要求，選取，如果結(jié)構(gòu)無特殊要求，選取Beam4Beam4即可，針對橋即可，針對橋面板單元的面板單元的Shell63Shell63與與Shell181Shell181，如果結(jié)構(gòu)無特殊要求，選，如果結(jié)構(gòu)無特殊要求，選取取Shell63Shell63即可，可以減少運算工作量。即可，可以減少運算工作量。n混凝土橋面板、加勁梁與鋼主梁橫梁及各部分的接

11、觸問混凝土橋面板、加勁梁與鋼主梁橫梁及各部分的接觸問題處理的不好，最好要進(jìn)行接觸面、連接點的接觸耦合優(yōu)題處理的不好，最好要進(jìn)行接觸面、連接點的接觸耦合優(yōu)化設(shè)計。化設(shè)計。Loading7.小結(jié)n對大型橋梁的有限元建模，如果單元類型、網(wǎng)格劃分不對大型橋梁的有限元建模，如果單元類型、網(wǎng)格劃分不合理，計算文件會很大，不同單元類型、接觸條件、邊界合理，計算文件會很大，不同單元類型、接觸條件、邊界條件會導(dǎo)致分析結(jié)果誤差很大，尤其要特別注意單元類型條件會導(dǎo)致分析結(jié)果誤差很大，尤其要特別注意單元類型選取，另外可以簡化節(jié)點數(shù)量，減少單元數(shù)量，在誤差允選取，另外可以簡化節(jié)點數(shù)量，減少單元數(shù)量，在誤差允許范圍內(nèi)降低

12、劃分精度，對有限元模型進(jìn)行優(yōu)化。比如，許范圍內(nèi)降低劃分精度，對有限元模型進(jìn)行優(yōu)化。比如，本次建模共本次建模共264264個關(guān)鍵點，個關(guān)鍵點，667667條線，條線，1515個面，個面，0 0個體。進(jìn)行個體。進(jìn)行網(wǎng)格劃分后，共網(wǎng)格劃分后，共5102851028個節(jié)點，個節(jié)點，5160251602個單元；節(jié)點單元過個單元；節(jié)點單元過于密集，影響求解效率，通過對實體模型的線性控制修改，于密集，影響求解效率，通過對實體模型的線性控制修改，使得最后只有使得最后只有14541454個節(jié)點、個節(jié)點、18331833個單元，在不太影響計算個單元，在不太影響計算精度的情況下大大降低了求解運算復(fù)雜性。精度的情況下

13、大大降低了求解運算復(fù)雜性。n在動力分析中，模態(tài)提取方法有多種，比如分塊在動力分析中，模態(tài)提取方法有多種，比如分塊LanczosLanczos法、法、PowerDynamicsPowerDynamics法、縮減法采用法、縮減法采用HBIHBI算法、非對稱法、算法、非對稱法、阻尼法等，要多種途徑求解以便更好分析理論值和計算值阻尼法等，要多種途徑求解以便更好分析理論值和計算值的誤差原因。的誤差原因。Loading7.小結(jié)n在截面修改優(yōu)化內(nèi)力過程中，使用了反復(fù)修改反復(fù)求解在截面修改優(yōu)化內(nèi)力過程中，使用了反復(fù)修改反復(fù)求解查看應(yīng)力的方法，通過過分增大結(jié)構(gòu)某截面部分的尺寸求查看應(yīng)力的方法，通過過分增大結(jié)構(gòu)某

14、截面部分的尺寸求解內(nèi)力和變形情況，來得知各個截面部分的影響因素，從解內(nèi)力和變形情況，來得知各個截面部分的影響因素，從而為修改截面尺寸提供方向。最終發(fā)現(xiàn)橋面橫梁是影響結(jié)而為修改截面尺寸提供方向。最終發(fā)現(xiàn)橋面橫梁是影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力變形的主要因素。通過對截面反復(fù)修改調(diào)整，最終構(gòu)內(nèi)力變形的主要因素。通過對截面反復(fù)修改調(diào)整，最終使主拱圈頂部的豎向撓度小于，并查看應(yīng)力圖，受力性能使主拱圈頂部的豎向撓度小于，并查看應(yīng)力圖，受力性能良好。優(yōu)化原則總結(jié)如下：良好。優(yōu)化原則總結(jié)如下： 1 1、尋找最佳截面尺寸，使結(jié)構(gòu)整體變形，使不發(fā)生局、尋找最佳截面尺寸，使結(jié)構(gòu)整體變形，使不發(fā)生局部變形或盡量減少局部變形。部變形或盡

15、量減少局部變形。( (改截面改截面-求解求解-查看變形圖、查看變形圖、位移矢量圖、位移矢量圖、Y Y向變形圖向變形圖-再改截面再改截面-. -. -直至結(jié)構(gòu)整直至結(jié)構(gòu)整體變形體變形) ) 2 2、尋找最佳截面尺寸，使結(jié)構(gòu)整體受力均勻，使不發(fā)、尋找最佳截面尺寸，使結(jié)構(gòu)整體受力均勻，使不發(fā)生局部受力集中或盡量減少受力集中。生局部受力集中或盡量減少受力集中。( (改截面改截面-求解求解-查查看看von misesvon mises等效應(yīng)力圖等效應(yīng)力圖-再改截面再改截面-. -. -直至結(jié)構(gòu)受直至結(jié)構(gòu)受力均勻力均勻) )Loading7.小結(jié)n還應(yīng)該對結(jié)構(gòu)進(jìn)行譜分析，對主拱圈進(jìn)行穩(wěn)定性分析還應(yīng)該對結(jié)構(gòu)進(jìn)行譜分析，對主拱圈進(jìn)行穩(wěn)定性分析( (屈屈曲分析、非線性分析、失穩(wěn)分析等曲分析、非線性分析、失穩(wěn)分析等) )，具體操作方法如下：，具體操作方法如下： 1 1、主拱施加上吊索施加的豎向力，求得帶有預(yù)應(yīng)力效、主拱施加上吊索施加的豎向力，求得帶有預(yù)應(yīng)力效應(yīng)的靜力解應(yīng)的靜力解( (小變形模式小變形模式) )。 2 2、進(jìn)行線性特征值屈曲分析，求出大致的屈曲荷載。、進(jìn)行線性特征值屈曲分析，求出大致的屈曲荷載。 3 3、獲取屈曲分析中某階載荷因子作為載荷參數(shù)、獲