基于ANSYS的桥梁分析.docx

1、基于ANSYS的桥梁分析基于ANSYS的桥梁分析钢桁架桥静力受力分析对一架钢桁架桥进行具体静力受力分析，分别采用GUI方式和命令流方式。A问题描述 图6-15 钢桁架桥简图已知下承式简支钢桁架桥桥长72米，每个节段12米，桥宽10米，高16米。设桥面板为0.3米厚的混凝土板，当车辆行驶于桥梁上面时，轴重简化为一组集中力作用于梁上，来计算梁的受力情况。桁架杆件规格有三种，见下表：表6-2 钢桁架桥杆件规格杆件截面号形状规格端斜杆1工字形4004001616上下弦2工字形4004001212横向连接梁2工字形4004001212其他腹杆3工字形4003001212所用材料属性如下表：表6-3 材料

2、属性参数钢材混凝土弹性模量EX2.110113.51010泊松比PRXY0.30.1667密度DENS78502500BGUI操作方法1.创建物理环境1）过滤图形界面：GUI：Main Menu Preferences，弹出“Preferences for GUI Filtering”对话框，选中“Structural”来对后面的分析进行菜单及相应的图形界面过滤。2）定义工作标题：GUI：Utility Menu File Change Title，在弹出的对话框中输入“Truss Bridge Static Analysis”，单击“OK”。如图6-16（a）。指定工作名：GUI：Utili

3、ty Menu File Change Jobname，弹出一个对话框，在“Enter new Name”后面输入“Structural”，“New log and error files”选择yes，单击“OK”。如图6-16（b）。图6-16（a） 定义工作标题图6-16（b） 指定工作名3）定义单元类型和选项：GUI：Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete，弹出“Element Types”单元类型对话框，单击“Add”按钮，弹出“Library of Element Types”单元类型库对话框。在该对话框左面滚动栏中选择

4、“Structural Beam”，在右边的滚动栏中选择“3D 188”，单击“Ok”，定义了“BEAM188”单元，如图6-17。继续单击“Add”按钮，弹出“Library of Element Types”单元类型库对话框。在该对话框左面滚动栏中选择“Structural Shell”，在右边的滚动栏中选择“Elastic 4node 181”，单击“OK”，定义了“SHELL181”单元。得到如图6-18所示的结果。最后单击“Close”，关闭单元类型对话框。 图6-17 单元类型库对话框图6-18 单元类型对话框4）定义梁单元截面：GUI：Main Menu Preprocessor

5、 SectionsBeam Common Sections，弹出“Beam Tool”工具条，如图6-19填写。然后单击“Apply”，如图6-19填写；然后单击“Apply”，如图6-19填写，最后单击“OK”。 图6-19 定义三种截面每次定义好截面之后，点击“Preview”可以观察截面特性。在本模型中三种工字钢截面特性如下图6-20：图6-20 三种截面图及截面特性5）定义材料属性：GUI：Main Menu Preprocessor Material Props Material Models，弹出“Define Material Model Behavior”对话框，在右边的栏中连

6、续双击“Structural Linear Elastic Isotropic”后，弹出“Linear Isotropic Properties for Material Number 1”对话框，如图6-23所示，在该对话框中“EX”后面的输入栏输入“2.1e11”，“PRXY”后面的输入栏输入“0.3”，单击“OK”。 图6-23 设置弹性模量和泊松比 图6-24 设置密度继续在“Define Material Model Behavior”对话框，在右边的栏中连续双击“Structural Density”，弹出“Density for Material Number 1”对话框，如图6

7、-24所示，在该对话框中“DENS”后面的输入栏输入“7850”，单击“OK”。设置好第一种钢材材料之后，还要设置第二种混凝土桥面板材料。“Define Material Model Behavior”对话框的Material菜单中选择“New model”，按照默认的材料编号，点击“OK”。这时“Define Material Model Behavior”对话框左边出现“Material Model Number 2”，同第一种材料的设置方法一样，“Linear Isotropic”中“EX”输入“3.5e10”，“PRXY”输入 “0.1667”，“DENS”输入“2500”，单击“OK

8、”结束。如图6-25。最后关闭“Define Material Model Behavior”对话框。图6-25 定义材料属性2.建立有限元模型1）生成半跨桥的节点：GUI：Utility Menu Modeling Create Nodes In Active CS，弹出“Create Nodes in Active CS”对话框，在“X，Y，Z”输入行输入：“0，0，-5”，单击“OK”。如图6-26（a）然后GUI：Utility Menu Modeling Copy Nodes Cop，在“Copy nodes”对话框中单击“Pick All”，在弹出的对话框中，如图6-26（b）填写

9、。继续执行GUI：Utility Menu Modeling Copy Nodes Cop，在“Copy nodes”对话框中单击“Pick All”，在弹出的对话框中，如图6-26（c）填写。 图6-26（a） 建立节点 图6-26（b） 复制节点 图6-26（c） 复制节点 图6-27 半桥模型的节点继续执行GUI：Utility Menu Modeling Copy Nodes Cop，弹出“Copy nodes”对话框，在ANSYS主窗口中用箭头选择2、6、10号节点，单击“OK”，在弹出的对话框中，“ITIME”输入“2”，“DY”输入“16”，“INC”输入“1”， “RATIO”

10、输入“1”，其他项不填写。单击“OK”。继续执行GUI：Utility Menu Modeling Copy Nodes Cop，弹出“Copy nodes”对话框，在ANSYS主窗口拾取3、7、11号节点，单击“OK”，在弹出的对话框中，“ITIME”输入“2”，“DZ”输入“-10”，“INC”输入“1”， “RATIO”输入“1”，其他项不填写。单击“OK”。最终ANSYS主窗口中出现画面如图6-27。2）生成半桥跨单元：选择第一种单元属性：GUI：Utility Menu Modeling Create Elements Elem Attributes，弹出“Element Attri

11、butes”对话框，如图6-28所示。单击“OK”关闭窗口。 图6-28 选择单元属性 图6-29建立端斜杆梁单元建立端斜杆梁单元：GUI：Utility Menu Modeling Create Elements Auto Numbered Thru Nodes，弹出“Elem from Nodes”拾取节点对话框，分别拾取11和14号节点，单击“apply”。再选择12和13号节点。单击“OK”。如图6-29。选择第二种单元属性：GUI：Utility Menu Modeling Create Elements Elem Attributes，弹出“Element Attributes”对

12、话框，“SECNUM”项中选择“2 XIANHENG”，其他选项不变。单击“OK”关闭窗口。建立上下弦杆和横梁杆梁单元：GUI：Utility Menu Modeling Create Elements Auto Numbered Thru Nodes，弹出“Elem from Nodes”选择对话框，分别在2和6号节点、6和10号节点、10和14号节点、1和5号节点、5和9号节点、9和13号节点、3和7号节点、7和11号节点、4和8号节点、8和12号节点、1和2号节点、3和4号节点、5和6号节点、7和8号节点、9和10号节点、11和12号节点、13和14号节点建立单元。单击“OK”关闭窗口。

13、选择第三种单元属性：GUI：Utility Menu Modeling Create Elements Elem Attributes，弹出“Element Attributes”对话框，“SECNUM”项中选择“3 FU”，其他选项不变。单击“OK”关闭窗口。建立上下弦杆和横梁杆梁单元：Utility Menu Modeling Create Elements Auto Numbered Thru Nodes，弹出“Elem from Nodes”选择对话框，分别在3和6号节点、6和11号节点、4和5号节点、5和12号节点、2和3号节点、1和4号节点、6和7号节点、5和8号节点、10和11号

14、节点、9和12号节点建立单元。单击“OK”关闭窗口。3）定义梁单元截面：GUI：Main Menu Preprocessor SectionsShell Lay-upAdd/Edit，弹出Create and Modify Shell Sections”工具条,在“name”后输入“ban”，“ID”后输入“4”，“Thickness”后输入“0.3”，单击“OK”。4）选择第四种单元属性：GUI：Utility Menu Modeling Create Elements Elem Attributes，弹出“Element Attributes”对话框，“TYPE”项选择“2 SHELL18

15、1”，“MAT”项选择“2”，“SECNUM”项中选择“No Section”，“TSHAP”项选择“4 node quad”，其他选项不变。单击“OK”关闭窗口。建立桥面板单元：GUI：Utility Menu Modeling Create Elements Auto Numbered Thru Nodes，弹出“Elem from Nodes”选择对话框，依次选择1、2、6、5号节点、5、6、10、9号节点、9、10、14、13号节点建立三个壳单元。单击“OK”关闭窗口。如图6-30。图6-30 半桥单元5）生成全桥有限元模型：生成对称节点：GUI：Main Menu Preproces

16、sor Modeling Reflect Nodes，弹出“Reflect Nodes”选择对话框，单击“Pick All”。在第二个对话框中，选择“Y-Z plane”，“INC”项填写“14”。单击“OK”关闭对话框。图6-31桥单元生成对称单元：GUI：Main Menu Preprocessor Modeling Reflect Elements Auto Numbered，弹出“Reflect Elems”选择对话框，单击“Pick All”。在第二个对话框中， “NINC”项填写“14”。单击“OK”。如图6-31。6）合并重合节点、单元：GUI：Main Menu Preproc

17、essor Numbering Ctrls Merge Items，弹出“Merge Coincident or Equivalently Defined Items”对话框，“Label”项选择“All”，单击“OK”关闭窗口。如图6-32。 图6-32 合并重合节点和单元 图6-33 压缩编号压缩编号：GUI：Main Menu Preprocessor Numbering Ctrls Compress Number，弹出“Compress Numbers”对话框，“Label”项选择“All”，单击“OK”关闭窗口。如图6-33。7）保存模型文件；Utility Menu File Sa

18、ve as，弹出一个“Save Database”对话框，在“Save Database to”下面输入栏中输入文件名“Structural_model.db”，单击“OK”。3. 加边界条件和载荷1）施加位移约束：在简支梁的支座处要约束节点的自由度，以达到模拟铰支座的目的。假定梁左端为固定支座，右边为滑动支座。GUI：Main Menu Solution Define Losads Apply Structural Displacement On Nodes，弹出节点选取对话框，用箭头选择23和24号节点，单击“OK”弹出“Apply U，ROT Nodes”对话框，“DOFs to be

19、constrained”项中，选择“UX，UY，UZ”，单击“OK”关闭窗口。如图6-34。以同样的方法，在13和14号节点施加位移约束，选择13、14号节点之后，在“DOFs to be constrained”项中选择“UY，UZ”，单击“OK”关闭窗口。结果如图6-35。 图6-34 设置节点位移约束 图6-35 施加位移约束后的模型 图6-36 设置集中力荷载 图6-37 施加所有荷载后的模型2）施加集中力：在跨中两节点处施加集中力荷载。GUI：Main Menu Solution Define Losads Apply Structural Force/Moment On Nodes

20、，弹出节点选取对话框，用箭头选择1和2号节点，单击“OK”弹出“Apply F/MNodes”对话框，“Lab”项选择“FY”，“VALUE”项填写“-100000”。如图6-36。单击“OK”关闭窗口。3）施加重力：GUI：Main Menu Solution Define Losads Apply Structural Inertia Gravity Global，弹出“Apply Acceleration”对话框，在“ACELY”项填写“10”，单击“OK”。施加所有荷载之后的模型如图6-37。4. 求解1）选择分析类型：GUI：GUI：Main Menu Solution Analys

21、is Type New Analysis，在弹出的“New Analysis”对话框中选择static选项，点击“OK”关闭对话框。2）开始求解：GUI：Main Menu Solution Solve Current LS，弹出一个名为“/STATUS Command”的文本框，如图6-38，检查无误后，单击“Close”。在弹出的另一个“Solve Current Load Step”对话框中单击“OK”。求解结束后，关闭“Solution is done”对话框。 图6-38 求解信息5. 查看计算结果1）查看结构变形图：GUI：Main MenuGeneral PostprocPlot

22、 Results Deformed Shape，弹出一个如图6-39(a)所示的对话框，单击“OK”，结果显示如图6-39(b) 图6-39(a) 设置变形显示 图6-39(b) 结构变形结果2）云图显示位移：GUI：Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu，弹出如图6-40的对话框，选择“Nodal Solution-DOF Solution-”后面的选项，其中包括X、Y、Z各个方向的位移及总体位移，和X、Y、Z各个方向的转角及总体转角。下面的选项分别是：是否显示未变形的模型；变形比例。单击“OK”显示云图

23、。各节点总体位移结果云图如图6-41。图6-40 选择云图显示数据图6-41 总位移云图显示3）矢量显示节点位移：GUI：Main Menu General Postproc Plot Results Vector Plot Predefined，弹出一个“Vector Plot of Predefined Vectors”矢量画图对话框,在“PLVECT”项中选取“DOF solution”和“Translation U”，单击“OK”，其结果如图6-42所示。图6-42 节点位移矢量显示4）显示结构内力图： 定义单元表：GUI：Main Menu General Postproc Elem

24、ent Table Define Table，弹出一个“Element Table Data”对话框，单击“Add”，弹出“Define Additional Element Table Items”对话框，在“Lab”项中填写“zhou_i”（定义单元i节点轴力名称），左边框中选择最后一项“By sequence num”，右边框中选择“SMISC”，下边填写“SMISC，1”，如图6-43。单击“Apply”，继续定义单元j节点轴力，在“Lab”项中填写“zhou_j”，下边填写“SMISC，7”。单击“Apply”，继续定义单元i节点剪力，在“Lab”项中填写“jian_i”，下边填写“

25、SMISC，2”。单击“Apply”，继续定义单元j节点剪力，在“Lab”项中填写“jian_j”，下边填写“SMISC，8”。单击“Apply”，继续定义单元i节点弯矩，在“Lab”项中填写“wan_i”，下边填写“SMISC，6”。单击“Apply”，继续定义单元j节点轴力，在“Lab”项中填写“wan_j”，下边填写“SMISC，12”。单击“OK”关闭对话框。继续单击“Close”关闭“Element Table Data”对话框。图6-43 定义单元表在定义单元表的时候，需要查看帮助文件查找所用单元的单元表项目与序号。图6-44为本例题中所选用的BEAM188单元的单元坐标系图，表6

26、-4列出了BEAM4单元表输出量的条目与序号，定义单元表的时候，根据需要输出的量查找对应的序号进行输入。图6-44 BEAM4单元表6-4 BEAM4单元表条目与序号输出量项目I节点序号J节点序号MFORX(X方向力)SMISC17MFORY(Y方向力)SMISC28MFORZ(Z方向力)SMISC39MMOMX(X方向力矩)SMISC410MMOMY(Y方向力矩)SMISC511MMOMZ(Z方向力矩)SMISC612 列表单元表结果GUI：Main Menu General Postproc Element Table List Elem Table，弹出一个“List Element T

27、able Data”对话框，选择刚才定义的内力名称“ZHOU_I，ZHOU_J，JIAN_I,JIAN_J，WAN_I，WAN_J”,单击“OK”，弹出文本列表“PRETAB Command”，显示了每个单元的节点内力。如图6-45。图6-45 单元表数据列表的最后还列出了每项最大值和最小值，以及它们所在的单元。 显示线单元结果GUI：Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Line Elem Res，弹出“Plot Line-Element Results”对话框，“LabI、LabJ”项分别选择“ZHOU_I”和“ZHOU_

28、J”，“Fact”项设置显示比例（默认值是1），“KUND”项选择是否显示变形。单击“OK”。显示轴力图，如图6-46。重新执行显示线单元结果操作，“LabI、LabJ”项分别选择“JIAN_I”和“JIAN_J”，显示剪力图。重新执行显示线单元结果操作，“LabI、LabJ”项分别选择“WAN_I”和“WAN_J”，显示剪力图。由于本算例中的结构属于桁架杆系结构，杆件的剪力很小，结果不做重点考虑。图6-47 轴力图5）列表节点结果：GUI：Main Menu General Postproc List Results Nodal Solution，弹出一个“List Nodal Soluti

29、on”对话框，选择“Nodal Solution-DOF Solution-Displacement vector sum”，单击“OK”。弹出每个节点的位移列表文本，其中包括每个节点的X、Y、Z方向位移和总位移，最后还列有每项最大值及出现最大值的节点。6. 退出程序单击工具条上的“Quit”弹出一个如图6-47所示的“Exit from ANSYS”对话框，选取一种保存方式，单击“OK”，则退出ANSYS软件。图6-47 退出ANSYS对话框C 命令流实现/TITLE,Truss Bridge Static Analysis /PREP7/COM, Structural !* /PREP7

30、!* ET,1,BEAM188!* ET,2,SHELL181 !* SECTYPE, 1, BEAM, I, duan, 0 !*定义1号工字形截面*SECOFFSET, CENT !*截面质心不偏移*SECDATA,0.4,0.4,0.4,0.016,0.016,0.016,0,0,0,0 !*1号截面参数*SECTYPE, 2, BEAM, I, XIANHENG, 0 SECOFFSET, CENT SECDATA,0.4,0.4,0.4,0.012,0.012,0.012,0,0,0,0 SECTYPE, 3, BEAM, I, FU, 0 SECOFFSET, CENT SECDATA,0.3,0.3,0.4,0.012,0.012,0.012,0,0,0,0 R,4,0.3, , , , , , *MP,EX,1,2.1E11 !*定义1号材料弹性模量*MP,PRXY,1,0.3 !*定义1号材料泊松比*MP,DENS,1,7850 !*定义1号材料密度*MP,EX,2,3.5E10 !*定义2号材料弹性模量*MP,PRXY,2,0.1667 !*定义2号材料泊松比*MP,DENS,2,2500 !*定义2号材料密度*N, ,0,0,-5, , , , !*建立节点*NGEN,4,4,ALL, , ,12, , ,1, !*复制节点*