基于ANSYS的桥梁分析

1、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400 X 400 X 16X 16上下弦2工字形400 X 400 X 12X 12横向连接梁2工字形400 X 400 X 12X 12其他腹杆3工字形400 X 300 X 12X 12所用材料属性如下表:参数

2、弹性模量EX泊松比PRXY密度DENS表6-3材料属性 钢材2.1 X 10110.37850混凝土3.5 X 10100.16672500B GUI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 StaticA

3、nalysis”,单击 “ OK”。如图 6-16 (a)。指定工作名：GUI: Utility 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> PreprocessorElement Type>

4、 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" 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 ElementStructural Shell”,在右边的滚Types”单元类型库对话框。在该对话框左面滚动栏中选择“动栏中选择&qu

5、ot;曰astic 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6-18单元类型对话框4）定义梁单元截面:GUI : Main Menu> PreprocessorSections>Beam> 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”。fitEuir r出血yP47i qun玛r*

6、.dL»mbTFT3A3ai-.1-71Z-Q3 叱肆1崎国由4M« .uez-DS-.Ji5£Z-QSCtUIMA I遍divu Cntvi YEhe«E CeLtei 告 CEliu直e CeUii TTShwu Cciex- TI <34W-JJ Stiana Celex. ZI .M4I3I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 :-IU，LZ hr 41X4J3I l¥i-Ell-1ZBE-433IVfeEp wiQ- nq -TBEJ-h

7、«H. '而一皿-.7D1E-OS .2-UE-.L7 >-3XhvM. dantvE flb em C-He 2 9 .JShirac dffEi:. Tf J9金用 liiftii Cm匚.TZ Sha as Edxc. ZZ 上!:叫b " IJLtUI nrH/2«-gS¥"» fl1VD-.!-4L£-a4Z%MTiQ C«n«1Hihf-，也一骨T«E«IMh (ifMIU，-5-口6 ttnfitld T-> -.KBE-lfiCfinupid I二n

8、evi: taxtei 寸 丁蚪¥-L1ziiHu,£ .工Njeh Coo. TT .KkHI11HU Dsxx. T£ J4PK 一工Uxeti Ccxii ZZ 吸J图6-20三种截面图及截面特性5）定义材料属性：GUI : Main Menu> PreprocessorMaterial PropsMaterial Models ,弹出"Define Material Model Behavior ”对话框，在右边的栏中连续双击“StructuralLinear日astic> Isotropic ”后，UifiLtlty lUtcri

9、si Kuili er 3DEKS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 ”

10、对话框，如图 6-24 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 MaterialModel 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，" Lin

11、ea门sotropic ”中“ EX”输入“ 3.5e10"，“PRXY ”输入“0.1667”，“DENS” 输入 “2500”，单击 “OK” 结束。如图 6-25。最后关闭 “De巾ne 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> ModelingCreateNodesIn Active CS ,弹出"Create Nodes in ActiveCS”对话框，在“ X, Y, Z”输入行输入：“0, 0,-5"，单击“ OK”。如图6-

12、26 (a) 然后 GUI : Utility MenuModelingCopyNodes> 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。继续执行 GUI : Utility Menu> ModelingCopy> 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&

13、gt; 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”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，

14、“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> ModelingCreateElementsElem Attributes ,弹出"Element Attributes”对话框，如图6-28所示。单击“ OK”关闭窗口。里工口图6-29建立端斜杆梁单元图6-28 选择单元属性建立端斜杆梁单元：GUI : Utility MenuModelingCreate> Ele

15、mentsAuto NumberedThru 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> ModelingCreate> Elements> Elem Attributes ,弹出"Element Attributes "对话框，"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：G

16、UI : 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。选择第三种单元属性：GUI : Utility Menu>

17、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> AutoNumbered> 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

18、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> SectionsShellLay-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：G

19、UI : Utility Menu> Modeling> Create> Elements> Elem Attributes ,弹出"Element Attributes "对话框，“TYPE” 项选择 “ 2 SHELL181 "，“ MAT ” 项选择 “ 2”，“SECNUM ” 项中选择"No SectionTSHAP”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> ModelingCreateElements

20、Auto NumberedThru 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。一AN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 MenuPreprocessorModelingReflectNodes ,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

21、-31桥单元生成对称单元：GUI : Main Menu> PreprocessorModeling> 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> Preprocessor> Numbering Ctrls> Merge Items ,弹出"Merge Coincident or Equivalently Defined

22、 Items”对话框，"Label”项选择"All ",单击"OK”关闭窗口。如 图 6-32。Cfl-itl iuil tl"Ji>Lhf irl Rtt U Ie eisd图6-33压缩编号图6-32合并重合节点和单元压缩编号：GUI : Main Menu> PreprocessorNumbering 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 MenuFi

23、le> Save as ,弹出一个"Save Database'对话框，在“Save Database to”下面输入栏中入文件名" 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，以达到模拟较支座的目的。假定梁左端为固 定支座，右边为滑动支座。GUI : Main MenuSolutionDefine Losads> Apply> StructuralDisplacementOn Nodes , 弹出节点选取对话框，用箭头选择23和

24、24号节点，单击“OK”弹出“Apply U , ROT Nodes”对话框，"DOFs to be 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。ANPZ 14 iMl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

25、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> SolutionDefine Losads> ApplyStructuralForce/Moment> On Nodes,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 MenuSolutionDefine LosadsApply> StructuralIne

26、rtiaGravityGlobal , 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> Analysis 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“/

27、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。SOLUIION O P T 1 N tWUU*1 N MIME WALI TV r »1 dDECREES W FHEEDOH+.* UY IE 时IK BOH ftOI'ZHMLtEIC TVPE . 一 .ClftTIC (tIEPlW SIWTE7HOILTNEAR GFO

28、HFTHIG HFFECTS 曾1, HNN£WfM-R瓶Pa£M dFTIdN.PnOQRAN 事醯EMCLOMLLV ffl££E»LED MIREX -.* .* .SVWCEIRICLOAD STEP O F T 1 O N KLC«1> STIF I4UIWEN 1THME RT FH* OP TN唱 LMh tTEP.电. IpHmw MinnEH CPF林胫1印k ,，/1NAFIHUtl hUKBER OF EQ0IILEBRIHI-I ITERATIDIC. + .曰 15 STEP GHANCIE BOHWA

29、WV C0HP1TI0W . HQ TEJflHLNftrE AhHALV£IS IP HDI NULROZB _ _ _ _ _<EHJT> CQHUEJKLHICE COHIROU. .* .V&E >EFAULr£ IKEIOIA LM1 序归曾工flCEL .4工. 1 H.MUMH ItlLldM H.WHFTUKT OUtriWT 0WTHM4 ”对PHI KT MTMT A Mill WTHJ7 CQMB0L3 .*LL »TA URI HEMFOR THE URT SURRTEP v图6-38求解信息5 .查看计算结果1)

30、查看结构变形图：GUI : Main Menu>General Postproc>Plot ResultsDeformed 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 MenuGeneral Postproc> Plot ResultsContour PlotNodal 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

31、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。各节点总体位移Z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 ResultsVector 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“

32、 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> Element TableDefine 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”，

33、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“ 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

34、_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6-4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-

35、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（XT向力）SMISC17MFORY（YT向力）SMISC28MFORZ（ZT向力）SMISC39MMOMX（X向力矩）SMISC410MMOMY（Y向力矩）SMISC511MMOMZ（Z向力矩）SMISC612列表单兀表结果GUI : Main Menu> General Postproc> Element TableList Elem Table ,弹出一个"List Element Table Data” 对话框，选择刚才定义的内力名称“ZHOU_I , ZHOU_J ,

36、 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。El上电I'lHJNl LiLimiJKI LAULk 11 UK FlLIH AiLHimJTOSIL £L&ieNl LI£口桥SIAICUEIRENrCURRENTCURKEHTCURREMTOJRREWLiLmKWOl.JJU AHJJrflH.JWH1 1M9的聿，*矗，7-414».2事,1制稀外>箝W"心4H.3*.1版4】&quo

37、t;第卜 HdR?r+Mi4fc+4t .«TH,臼4&b729-54729 ,.174口9.1T14M.?-J8t77.5K775.55775,T ?幅工TE433f12fli78r日盟04M百/Ll通7“江外155775.K?75,r打亏通例GM11423 B12«7V.QH1圻喉册如片ThdS巾鹤鼻门IB-n0.1 &7M F*P7-F B1 STM Ifif 盟4 fl8757.4-73671iiY.i&79r加 -71 匕即tll3_7-13VS1.-7*52-313HS7.4T13S*S-sjfral.111HI JU-BUJ4.II图6

38、-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 MenuGeneral Postproc> Plot ResultsContour PlotLine Elem Res ,弹出 “Plot Line-Element Results ” 对话框，“Labi、LabJ” 项分别选择 “ ZHOU_I ” 和 “ZHOU_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 '

39、;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 ResultsNodal Solution ,弹出一个 "List Nodal Solution”对话框，选择"Nodal Solution-DOF Solution-Displacement vec

40、tor 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!*ET,1,BEAM188!*ET,2,SHELL181SECTYPE,

41、 1, BEAM, I, duan, 0SECOFFSET, CENTSECDATA,0.4,0.4,0.4,0.016,0.016,0.016,0,0,0,0SECTYPE, 2, BEAM, I, XIANHENG, 0SECOFFSET, CENTSECDATA,0.4,0.4,0.4,0.012,0.012,0.012,0,0,0,0SECTYPE, 3, BEAM, I, FU, 0SECOFFSET, CENTSECDATA,0.3,0.3,0.4,0.012,0.012,0.012,0,0,0,0R,4,0.3, , , , , ,MP,EX,1,2.1E11MP,PRXY,1,0.3MP,DENS,1,7850MP,EX,2,3.5E10MP,PRXY,2,0.1667MP,DENS,2,2500!* 定义 1 号工字形截面*!*截面质心不偏移*!*1 号截面参数 *!* 定义 1 号材料弹性模量*!*定义 1 号材料泊松比 *!* 定义 1 号材料密度 *!*定义 2 号材料弹性模量*!*定义 2 号材料泊松比 *!* 定义 2号材料密度 *N, ,0,0,-5, , ,