1、基于有限元理論的鋼桁加勁鋼拱橋力學分析0引言 張哲南 141211541設計概況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0引言1設計概況1設計概況2前處理n建模方案及單位設置建模方案及單位設置方法方法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，先建立結構實體模型，再進行網格建模，先建立結構實體模型，再進行網格劃分生成有限元模型，單位除長度單位設置為劃分生成有限元模型，單位除長度單位設置為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對實體模型網格劃分生成有限元模型對實體模型網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，故只設計由于其對稱性，故只設計了四分之一單元，為等效為整了四分之一單元，為等效為整體模型，需進行對稱約束和對稱顯示設置體模型，需進行對稱約束和對稱顯示設置3設置邊界

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)進行求解進行求解4靜力分析n求解后可以得到整體變形圖、節點位移矢量圖、節點豎求解后可以得到整體變形圖、節點位移矢量圖、節點豎向位移向位移(y(y向向) )、節點、節點Von MisesVon Mises等效應力圖、節點彈性應變等效應力圖、節點彈性應變圖、節點剪應力圖、節點變形方向、單元圖、節點剪應力圖、節點變形方向、單元Von misesVon mises等效應等效應力圖

5、，進而分析其內力情況力圖，進而分析其內力情況n也可以列表顯示特定位置的特定量值，以便應用于工程也可以列表顯示特定位置的特定量值，以便應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，結構的最大縱向位移發生在跨中整體變形圖可得，結構的最大縱向位移發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節點位移矢量圖可見主要位移偏大位置在橋面板跨節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。需要加大跨中位置的豎向剛度。范圍內。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節點豎向位移節點豎向位移(y(y向向) )，由于新規范未規定拱橋撓，由于新規范未規定拱橋撓度限值，由舊規范度限值，由舊規范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，小于規范規定限值，故結構，小于規范規定限值，故結構安全。安全。n圖圖2 2為單元的單元為單元的單元Von misesVon mises等效應力圖等

7、效應力圖4靜力分析n也可以列表顯示特定位置的特定量值，以便應用于工程也可以列表顯示特定位置的特定量值，以便應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.基于命令流的參數化設計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）。交互模式是初學者和大多數使用者所采用，包括建模、保存文件、是初學者和大多數使用者所采用，包括建模、保存文件、打印圖形及結果分析等，一般無特別原因皆用交互模式。打印圖形及結果分析等，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行分析。命令做成文件，利用它的非交互模式進行分析。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n由于模型為自己獨立設計，無實際工程實例模型，結構由于模型為自己獨立設計，無實際工程實例模型，結構固有的這種設計不合理性導致了求解結果的不合理性，比固有的這種設計不合理性導致了求解結果的不合理性，比如前如前5050階自振頻率很低，橋梁主體結構振動不明顯。由公階自振頻率很低，橋梁主體結構振動不明顯。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為質量為質量) )可知，為增可知，為增加結構頻率，應該減少結構質量同時增大結構剛度，即盡加結構頻率，應該減少結構質量同時增大結構剛度，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、設置大的截面又要降低自重，比如使用工字鋼、設置加勁肋等。加勁肋等。n使用存儲字節小的單元類型。針對梁單元的使用存儲字節小的單元類型。針對梁單元的Beam4Beam4與與Beam188Beam188，如果結構無特殊要求，選取，如果結構無特殊要求，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，如果結構無特殊要求，選，如果結構無特殊要求，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，最好要進行接觸面、連接點的接觸耦合優題處理的不好，最好要進行接觸面、連接點的接觸耦合優化設計。化設計。Loading7.小結n對大型橋梁的有限元建模，如果單元類型、網格劃分不對大型橋梁的有限元建模，如果單元類型、網格劃分不合理，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、邊界條件會導致分析結果誤差很大，尤其要特別注意單元類型條件會導致分析結果誤差很大，尤其要特別注意單元類型選取，另外可以簡化節點數量，減少單元數量，在誤差允選取，另外可以簡化節點數量，減少單元數量，在誤差允許范圍內降低

12、劃分精度，對有限元模型進行優化。比如，許范圍內降低劃分精度，對有限元模型進行優化。比如，本次建模共本次建模共264264個關鍵點，個關鍵點，667667條線，條線，1515個面，個面，0 0個體。進行個體。進行網格劃分后，共網格劃分后，共5102851028個節點，個節點，5160251602個單元；節點單元過個單元；節點單元過于密集，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個節點、個節點、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雜性。精度的情況下

13、大大降低了求解運算復雜性。n在動力分析中，模態提取方法有多種，比如分塊在動力分析中，模態提取方法有多種，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n在截面修改優化內力過程中，使用了反復修改反復求解在截面修改優化內力過程中，使用了反復修改反復求解查看應力的方法，通過過分增大結構某截面部分的尺寸求查看應力的方法，通過過分增大結構某

14、截面部分的尺寸求解內力和變形情況，來得知各個截面部分的影響因素，從解內力和變形情況，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。最終發現橋面橫梁是影響結而為修改截面尺寸提供方向。最終發現橋面橫梁是影響結構內力變形的主要因素。通過對截面反復修改調整，最終構內力變形的主要因素。通過對截面反復修改調整，最終使主拱圈頂部的豎向撓度小于，并查看應力圖，受力性能使主拱圈頂部的豎向撓度小于，并查看應力圖，受力性能良好。優化原則總結如下：良好。優化原則總結如下： 1 1、尋找最佳截面尺寸，使結構整體變形，使不發生局、尋找最佳截面尺寸，使結構整體變形，使不發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-. -. -直至結構整直至結構整體變形體變形) ) 2 2、尋找最佳截面尺寸，使結構整體受力均勻，使不發、尋找最佳截面尺寸，使結構整體受力均勻，使不發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等效應力圖等效應力圖-再改截面再改截面-. -. -直至結構受直至結構受力均勻力均勻) )Loading7.小結n還應該對結構進行譜分析，對主拱圈進行穩定性分析還應該對結構進行譜分析，對主拱圈進行穩定性分析( (屈屈曲分析、非線性分析、失穩分析等曲分析、非線性分析、失穩分析等) )，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，求得帶有預應力效、主拱施加上吊索施加的豎向力，求得帶有預應力效應的靜力解應的靜力解( (小變形模式小變形模式) )。 2 2、進行線性特征值屈曲分析，求出大致的屈曲荷載。、進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、獲