1、用ANSYS進行橋梁結構分析謝寶來華龍海引言：我院現在進行橋梁結構分析主要用橋梁博士和BSACS,這兩種軟件均以平面桿系為計算內核，多用來解決平面問題。近來偶然接觸到ANSYS ,發現其結構分析功能強大，現將一些研究心得寫出來，并用一個很好的學習例子（空間鋼管拱斜拉橋） 作為引玉之醇，和同事們共同研究討論，共同提高我院的橋梁結構分析水平而努力。【摘 要】本文從有限元的一些基本概念出發，重點介紹了有限元軟件ANSYS平臺的特點、使用方法和利用APDL語言快速進行橋梁的結構分析，最后通過工程實例來更近一步的介紹ANSYS進行結構分析的一般方法，同時進行歸納總結了各種單元類型的適用范圍和橋梁結構分析

2、最合適的單 元類型?！娟P鍵詞】ANSYS有限元 APDL結構橋梁工程 單元類型一、基本概念有限元分析（FEA）是利用數學近似的方法對真實物理系統（幾何和載荷工況）進行模擬。還利用簡單而又相互作用的元素，即單元，就可以用有限數量的未知量去逼近無限未知量的真實系統。有限元模型是真實系統理想化的數學抽象。真實系統有限元模型自由度（DOFs）用于描述一個物理場的響應特性。方向自由度ffx 11 二 JJI- 住溫電壓碳節點和單元節點:空間中的坐標位置，具有一定自由度和 存在相互物理作用。單元:一組節點自由度間相互作用的數值、矩陣描述（稱為剛度或系數矩陣）。單元有線、面或實體以及 二維或三維的單元等種類

3、。有限元模型由一些簡單形狀的 單元組成,單元之間通 過節點連接,并承受一定載荷。1、每個單元的特性是通過一些線性方程式來描述的。2、作為一個整體，單元形成了整體結構的數學模型。3、信息是通過單元之間的公共節點傳遞的。4、節點自由度是隨連接該節點 單元類型 變化的。單元形函數1、FEA僅僅求解節點處的 DOF®。2、單元形函數是一種數學函數,規定了從節點DOF值到單元內所有點處 DOF直的計算方法。3、因此，單元形函數提供出一種描述單元內部結果的“形狀”。4、單元形函數描述的是給定單元的一種假定的特性。5、單元形函數與真實工作特性吻合好壞程度直接影響求解精度。6、DOF值可以精確或不太

4、精確地等于在節點處的真實解，但單元內的平均值與實際情況吻合得很好。8、如果單元形函數不能精確描述單元內部的DOFs就不能很好地得到導出數據，因為這些導出數7、這些平均意義上的典型解是從單元DOFs推導出來的（如，結構應力，熱梯度）據是通過單元形函數推導出來的。9、當選擇了某種單元類型時，也就十分確定地選擇并接受該種單元類型所假定的單元形函數。10、在選定單元類型并隨之確定了形函數的情況下，必須確保分析時有 足夠數量的單元和節點來精確描述所要求解的問題。二、選才i ANSYS進行結構的有限元分析ANSYS是惟一能實現多場及多場耦合分析，惟一實現前處理、求解及多場分析統一數據庫和具有多物理場優化功

5、能的一體化大型FEA分析軟件。同時，ANSYS軟件擁有豐富和完善的單元庫、材料模型庫和求解器，保證了它能高效地求解各類結構的靜力、動力、振動、線性和非線性問題， 穩態和瞬間熱分析及熱-結構耦合問題，壓縮和不可壓縮的流體問題。一個典型的ANSYS分析過程可分為以下三個步驟:1、創建有限元模型(Preprocessor)- 創建或讀入幾何模型.- 定義材料屬性.- 劃分單元(節點及單元).從最低階到最高階，模型圖元的層次關系為：關鍵點(Keypoints) 一線(Lines) 一面(Areas)一體(Volumes),如果低階的圖元連在高階圖元上，則 低階圖元不能刪除。創建順序為關鍵點一線一面一體

6、，刪除順序為體一面一線一點。2、加荷載進行求解(Solution)-施加荷載及荷載選項(有DOF約束、力、面荷載、體荷載、慣性荷載和耦合場荷載六類)-求解.3、看分析結果(General Postproc)-查看分析結果.-檢驗Z果.(分析是否正確)ANSYS的模塊化結構如下:PREP7前處理器SOLUTION求解器POST1: 通用后處理器POST26時間歷程后處理OPT優化設計模塊RUNSTAT估計分析模塊OTHER其他功能三、橋梁工程常用單元有限單元法解題的一般步驟為：結構的離散化，選擇位移模式，建立平衡方程，求解節點位 移，計算單元中的應變和應力。結構分析常用單元類型表類別特性單元名稱

7、適用范圍桿普通LINK1（2-D）LINK8（3-D）構架，較鏈，彈簧雙線性LINK10電纜，較鏈，鋼索梁普通BEAM3（2-D）BEAM4（3-D）螺栓，帶槽的柱2D實體三角形PLANE2（6 節點）二維固體四邊形PLANE42（4 節點）PLANE82（8 節點）二維固體超彈性HYPER84（8 節點）HYPER56（4 節點）粘彈性VISCO88（8 節點）3D實體塊"一SOLID45(8 節點)】三維固體四向體SOLID92（10 節點）三維固體超彈性HYPER86（8 節點）粘彈性VISCO89（20 節點）混凝土SOLID65（8 節點）三維固體管直管PIPE16管彎管P

8、IPE18管專用單元單組彈簧COMBIN14彈簧組合彈簧COMBIN40彈簧較COMBIN7較質里MASS21質里1、LINK1 2-D Spar 單元應用范圍：LINK1單元可以模擬二維構架、較鏈、彈簧等結構。此單元為二位單元，只可以承受單向的拉伸或者壓縮，每個節點上具有兩個自由度。一般假設：在桿單元中，假設材料為均質等直桿，且在軸向上施加荷載。桿的長度不能為零， 所分析的桿件必須處于 X-Y平面內，且面積不能為零。溫度被假設為沿著桿的長度方向線性變化。應用限制：阻尼材料特性不能使用；流體荷載不能使用；只允許適用的特征為應力剛度和大 應變分析。2、LINK8 3-D Spar 單元應用范圍：

9、LINK8單元用在工程結構中模擬三維空間桁架、繩索、錢鏈以及彈簧單元，此單 元可以承受單向的拉伸或者壓縮，每個節點上具有三個自由度。一般假設和應用限制同 LINK1 。3、LINK10 Tension-only or Compression-only Spar 單元其特有的雙線性剛度矩陣導致單元只能承受單向的拉伸或單向壓縮。可以模擬一個松弛的電纜或者松弛的較鏈模型， 這個特征在模擬靜態的鋼索問題是非常有用的，特別是在整個鋼索使用一個單元來分析時。4、BEAM3 2-D Elastic Beam 單元BEAM3單元只能承受單向的拉伸、壓縮和彎曲。此單元在每一個節點上有三個自由度，即沿 著坐標X軸

10、和Y軸方向的自由度和繞著 Z軸的旋轉自由度?？梢阅M螺釘、帶槽的圓筒等。一般假設：在梁BEAM3單元中，對于轉動慣量的計算， 橫截面可以為任意形狀。 單元的高度 僅在彎曲計算和溫度應力分析時才有用。溫度梯度一般被認為是線性分布。本單元必須位于X-Y平面內，且長度不能為零，在不使用大撓度的情況，慣性矩可以為零。應用限制：阻尼材料特性不能使用；只允許指定的特征為應力剛度和大應變形分析。5、BEAM4 3-D Elastic Beam 單元BEAM4單元可以承受單向的拉伸、壓縮、扭轉和彎曲。此單元在每一個節點上有六個自由度。即沿著坐標X軸、Y軸和Z軸方向的自由度和分別繞著三軸的旋轉自由度。一般假設：

11、同 BEAM3應用限制：阻尼材料特性不能使用；旋轉實常數(R11)不可以使用；KEYOPT(2)不能設置為0;KEYOPT(7)不能設置為0;只允許指定的特征為應力剛度和大應變形分析。6、 PLANE42 2-D Structural Solid 單元PLANE42 單元一般使用于二維固體結構中，此單元可以作為平面單元，既可以用于平面應變，也可以用于平面應力分析，或者用于軸對稱分析，此單元在每一個節點上有兩個自由度，即沿著X軸和 Y 軸方向的自由度。一般假設：單元面積不能為零，單元必須位于平面X-Y 內。應用限制：阻尼材料特性不能使用；能量密度荷載不可以使用；KEYOPT(6)=3 無效；僅僅

12、應力剛度為指定的有效特征。7、 SOLID45 3-D Structural Solid 單元SOLID45 單元為 3-D 固體結構單元，由八個節點組成。在單元每一個節點上有三個自由度，即分別沿著三個坐標軸方向。此單元可以進行塑性、蠕變、應力硬化、大變形以及大應變分析。在 SOLID45 單元中不允許使用零體積，并且單元不可以扭曲，例如單元不可以有兩個分離的體積。在ANSYS/Lnear Plus 程序中應該注意：阻尼材料特性不能使用；只允許指定的特征為應力剛度和大變形分析；能量密度荷載無效；KEYOPT(6)=3 不可以使用。四、 橋梁工程單元類型匹配1在橋梁用ANSYS 建立模型時，可參

13、照以下建議用的單元進行橋梁模型的建立：(1) 梁(配筋)單元：橋墩、箱梁、縱橫梁。(2) 板殼(配筋)單元：橋面系統。(3) 實體(配筋)單元：橋墩系統、基礎結構。(4) 拉桿單元：拱橋的系桿、吊桿。(5) 拉索單元：斜拉橋的索、懸索橋的鋼絲繩。(6) 預緊單元：索力控制、螺栓鉚釘連接。(7) 連接單元：支座、地基。2在建立模型時要準確模擬邊界條件，因此要準確分析連接部位的固有特性(1) 橋梁常見的連接部位：a 固定支座、鉸支、可滑移支座等空間支座系統。b 帶減振和隔振措施的減振支座系統。c 地基-主體之間樁-基系統。d 剛構之間的螺栓連接、鉚接等。e 梁管之間的球接和鉸接等。(2) 連接部分

14、解決方法ANSYS 在解決橋梁不同的連接部位時可選用如下的方法：a COMBIN7 、 COMBIN40 、 LINK11 、 CONTACT52 、 COMBINE38 彈簧 (阻尼、間隙元) ：可用來模擬支座、繩索、拉桿等橋梁部件。b 預緊單元可解決螺栓、鉚釘等橋梁部件。c 二力桿拉桿、索可解決拉索問題。d 耦合與約束方程可解決梁與塔橫梁的邊界約束關系。e 接觸單元如CONTACT52 可模擬滑動支座、銷接等部件的真實情況。(3) 常見橋梁接觸問題橋梁各個部分之間可能存在如下三種接觸方式。a 滑動連接：點點接觸。b 綁定連接：點面接觸。c 轉動連接：面面接觸。用接觸單元可模擬如：滑動支座接

15、觸、擋塊與其它部件的接觸、振動時不同構件的碰撞等問題，這里不再一一贅述。(4) 橋梁基礎的處理方式為了真實的模擬橋梁的真實的實際情況，需要真實模擬橋梁的基礎受力、變形及約束情況，建議建立模型時采用如下方案。a 基礎承臺與樁基：用實體模型、預應力配筋。b 基礎與巖石系統：有限區域實體模型、預應力配筋。(2) 橋梁常見模型處理(3) 橋梁中常用的模型可以用相應的單元a 剛構橋、拱橋：梁與桿單元組合模型。b 鋼管混凝土：復合截面梁模型。c 連續梁：梁模型。d 斜拉橋/懸索橋：梁、板殼、索或桿單元組合模型。e 立交橋：實體墩、板殼橋面和加強梁混合模型。f 局部詳細計算：實體(考慮配筋)或板模型，以便考

16、慮模型細節特征，如結構尺寸構造倒角、厚薄或粗細過渡、凹凸部分以及配筋等。(4) 橋梁建模要綜合運用各種合適的單元對橋梁進行總體分析應該遵循如下原則：a 支座系統采用彈簧-阻尼系統；b 連接部位采用耦合與約束方程；c 橋墩系統采用截面梁、配筋梁；d 橋面系統采用截面梁、配筋梁、板殼、梁板組合。對橋梁進行局部分析應該遵循如下原則：a 支座系統采用實體模型：（粘塑、超塑、塑性）大變形（位移）；b 連接部位采用接觸模型：實體、板殼、梁或組合模型；c 橋墩系統采用實體模型：配筋與混凝土破壞；d 橋面系統采用實體或板殼：配筋與混凝土破壞，組合梁之間的耦合與約束方程。(5) 選用合適的分析方法在對橋梁進行建

17、模計算時對不同的計算目的要采取不同的計算步驟。靜態計算a 根據分析類型承載特點建立合理梁、板、實體、拉桿（模擬索）模型；b 材料與幾何非線性效應；c 連接部位與支座的正確處理。動力分析a 盡量采用梁、板殼與二者組合模型；b 附屬結構簡化為質點，建立與總體結構耦合關系；c 連接部位與支座自由度協調合理；d 應當考慮大變形、初應力以及預張力的動力影響；e 必須正確考慮阻尼效應；c 材料與幾何非線性效應。六、 工程實例分析工程概況：本工程為橋寬5 米、 鋼管拱斜拉人行橋。橋面體系為橢圓的一半，并設有縱坡，采用鋼箱梁結構，梁高1.4 米，內弧側設有半橢圓鋼管拱一坐，拱外徑1.6 米，橋面體系兩側設有橋

18、臺，采用滑板支座支撐，橋面與拱在距離最近處采用剛臂進行連接，其它部位采用拉索連接，拉索直徑5cm,拉索吊點作用在橋面系內弧側，因此必須考慮扭矩的影響，每個單元重心到吊點距離為1.6 米。設計恒載（自重自動計入）： 38KN/m ，設計活載：20KN/m ，設計扭矩：93KN/m 。橋面體系和剛臂：梁單元， Beam44;拱和拱腳加厚段：管單元，Pipe16,拉索：索單元,Link8單位：均采用國際單位，N， m， s， Kg， Pa（ ANSYS 沒有自己的單位標準，只要單位一致就可以了）（“! ”為ANSYS 命令流注解）/PREP7et,1,Beam44et,2,Pipe16 et,3,B

19、eam44 et,4,Pipe16et,5,Link8 mp,dens,1,7850 mp,prxy,1,1/3 mp,ex,1,2.07e11 acel,9.8r,1,0.1523,0.1979,0.0599,0.70,1.61 r,2,1.6,0.02r,3,0.1546,0.0543,0.0543,0.70,0.75 r,4,1.6,0.04r,5,1.963e-3! 生成橋面體系節點n,1,0.00,-33.82,1.40 n,2,1.76,-33.11,1.53 n,3,5.37,-31.34,1.78 n,4,8.74,-29.18,2.01 n,5,11.84,-26.66,2.

20、23 n,6,14.65,-23.81,2.43 n,7,17.13,-20.67,2.60 n,8,19.78,-16.23,2.73 n,9,20.96,-13.66,2.84 n,10,22.27,-9.88,2.96 n,11,23.15,-5.98,3.02 n,12,23.59,-2.00,3.05 n,13,23.65,0.00,3.06 n,14,23.59,2.00,3.05進入前處理定義梁單元（ 橋面系 ）定義管單元（ 拱）定義梁單元（ 剛臂）定義管單元（ 拱腳加厚段）定義索單元（ 拉索）定義質量密度定義泊桑比定義彈性模量定義加速度, Z 正方向 , 大小為 9.8定義梁單

21、元（ 橋面系 ） 實常數定義管單元（ 拱 ） 實常數定義梁單元（ 剛臂 ）實常數定義管單元（ 拱腳加厚段） 實常數定義索單元實常數（ 直徑5cm）n,15,23.15,5.98,3.02 n,16,22.27,9.88,2.96 n,17,20.96,13.66,2.84 n,18,19.78,16.23,2.73 n,19,17.13,20.67,2.60 n,20,14.65,23.81,2.43 n,21,11.84,26.66,2.23 n,22,8.74,29.18,2.01 n,23,5.37,31.34,1.78 n,24,1.76,33.11,1.53 n,25,0.00,33

22、.82,1.40! 生成拱節點N,26,17.32,-16.64,-2.08N,27,16.82,-16.60,-0.26N,28,16.07,-16.23,2.53N,29,13.51,-13.06,11.88N,30,12.78,-11.51,14.62N,31,12.11,-9.59,17.12N,32,11.54,-7.28,19.25N,33,11.11,-4.58,20.85N,34,10.88,-1.57,21.74N,35,10.84,0.00,21.74N,36,10.88,1.57,21.74N,37,11.11,4.58,20.85N,38,11.54,7.28,19.2

23、5N,39,12.11,9.59,17.12N,40,12.78,11.51,14.62N,41,13.51,13.06,11.88N,42,16.07,16.23,2.53N,43,16.82,16.60,-0.26N,44,17.32,16.64,-2.08! 對稱點allsel! 全部選擇! 生成梁單元( 橋面系)type,1! 單元代號為1( 前面定義梁單元mat,1! 材料特性代號為1real,1! 實常數代號為1*do,i,1,24,1! 進行循環操作開始e,i,i+1根據節點生成單元*enddo! 進行循環操作結束! 生成拱單元type,2! 單元代號為2( 前面定義管單元mat

24、,1! 材料特性代號為1real,2! 實常數代號為2*do,i,29,40,1! 進行循環操作開始e,i,i+1根據節點生成單元*enddo! 進行循環操作結束! 生成剛臂單元type,3! 單元代號為3( 前面定義梁單元mat,1! 材料特性代號為1real,3! 實常數代號為3e,8,28根據節點生成單元e,18,42根據節點生成單元! 生成拱( 加厚段) 單元type,4! 單元代號為4( 前面定義管單元mat,1! 材料特性代號為1real,4! 實常數代號為4e,26,27! 根據節點生成單元e,27,28! 根據節點生成單元e,28,29! 根據節點生成單元e,41,42! 根據

25、節點生成單元e,42,43! 根據節點生成單元e,43,44 ! 生成拉索單元! 根據節點生成單元)type,5mat,1real,5e,3,33e,4,32e,5,31e,6,30e,7,29e,9,31e,10,32e,11,33e,12,34e,14,36e,15,37e,16,38e,19,41e,20,40e,21,39e,22,38e,23,37allsel/eshape,1.0eplotd,26,alld,44,alld,1,uzd,25,uz! 加載*do,i,1,25,1f,i,fz,-58000*4*enddo*do,i,1,7,1f,i,mx, 58000*4*1.6*0

26、.707f,i,my, 58000*4*1.6*0.707*enddo*do,i,8,18,1f,i,my, 58000*4*1.6*enddo*do,i,19,25,1f,i,mx, -58000*4*1.6*0.707f,i,my, 58000*4*1.6*0.707*enddoallsel/solusolve/post1Plnsol,s, eqv,0,1Plnsol,s, 1,0,1Plnsol,u, sum,0,1Plnsol,rot, sum,0,1! 單元代號為5（ 前面定義索單元）! 材料特性代號為1! 實常數代號為5! 約束拱腳（ 固定）! 約束拱腳（ 固定）! 約束橋面體系（ 水平滑動）! 約束橋面體系（ 水平滑動）!Z 負方向 58000N/m!X 正方向的扭矩!Y 正方向的扭矩!Y 正方向的扭矩!X 負方向的扭矩!Y 正方向的扭矩! 全選! 進入求解器! 求解! 進入后處理! 顯示節點應力! 顯示第一主應力（ 參數 :1,2,3）! 顯示節點位移（ 參數：sum,x,y,z）!