基于有限元理论的钢桁加劲钢拱桥力学分析

1、基于有限元理论的钢桁加劲钢拱桥力学分析0引言 张哲南 141211541设计概况2前处理3加载求解4静力分析5动力分析6命令流7小结0引言1设计概况1设计概况2前处理n建模方案及单位设置建模方案及单位设置方法方法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本处使用方

3、法本处使用方法1 1建模，先建立结构实体模型，再进行网格建模，先建立结构实体模型，再进行网格划分生成有限元模型，单位除长度单位设置为划分生成有限元模型，单位除长度单位设置为mmmm外，其它外，其它接轨国际单位制。接轨国际单位制。2前处理n通过点线面的方式生成实体模型通过点线面的方式生成实体模型2前处理n对实体模型网格划分生成有限元模型对实体模型网格划分生成有限元模型2前处理n施加对称约束施加对称约束 对称显示对称显示n由于其对称性，故只设计由于其对称性，故只设计了四分之一单元，为等效为整了四分之一单元，为等效为整体模型，需进行对称约束和对称显示设置体模型，需进行对称约束和对称显示设置3设置边界

4、条件 加载 求解n加载分为施加重力、由均布荷载换算而来的桥面压加载分为施加重力、由均布荷载换算而来的桥面压力、车辆集中荷载力、车辆集中荷载3设置边界条件 加载 求解n使用通用后处理器使用通用后处理器(Post1)(Post1)进行求解进行求解4静力分析n求解后可以得到整体变形图、节点位移矢量图、节点竖求解后可以得到整体变形图、节点位移矢量图、节点竖向位移向位移(y(y向向) )、节点、节点Von MisesVon Mises等效应力图、节点弹性应变等效应力图、节点弹性应变图、节点剪应力图、节点变形方向、单元图、节点剪应力图、节点变形方向、单元Von misesVon mises等效应等效应力图

5、，进而分析其内力情况力图，进而分析其内力情况n也可以列表显示特定位置的特定量值，以便应用于工程也可以列表显示特定位置的特定量值，以便应用于工程实际验算实际验算4静力分析n由由4.14.1整体变形图可得，结构的最大纵向位移发生在跨中整体变形图可得，结构的最大纵向位移发生在跨中的桥面板附近，位移值的桥面板附近，位移值37.5cm37.5cm。n由由4.24.2节点位移矢量图可见主要位移偏大位置在桥面板跨节点位移矢量图可见主要位移偏大位置在桥面板跨中位置，而主副拱圈、桥面横梁、立柱等位置在正常位移中位置，而主副拱圈、桥面横梁、立柱等位置在正常位移范围内。需要加大跨中位置的竖向刚度。范围内。需要加大跨

6、中位置的竖向刚度。4静力分析n查看查看4.34.3节点竖向位移节点竖向位移(y(y向向) )，由于新规范未规定拱桥挠，由于新规范未规定拱桥挠度限值，由旧规范度限值，由旧规范JTJ023-85JTJ023-85得到拱桥最大挠度限值得到拱桥最大挠度限值L/800=135000/800=168mmL/800=135000/800=168mm。通过查询得到，跨中主拱圈顶。通过查询得到，跨中主拱圈顶点位置竖向最大挠度为点位置竖向最大挠度为162mm162mm，小于规范规定限值，故结构，小于规范规定限值，故结构安全。安全。n图图2 2为单元的单元为单元的单元Von misesVon mises等效应力图等

7、效应力图4静力分析n也可以列表显示特定位置的特定量值，以便应用于工程也可以列表显示特定位置的特定量值，以便应用于工程实际验算实际验算n主要通过定义单元表的方式来列表指定位置主要通过定义单元表的方式来列表指定位置( (拱脚、桥台拱脚、桥台处处) )支座反力、弯矩。支座反力、弯矩。5动力分析5动力分析5动力分析5动力分析5动力分析5动力分析5动力分析Loading6.基于命令流的参数化设计nANSYSANSYS有两种模式：一种是交互模式（有两种模式：一种是交互模式（Interactive Interactive ModeMode），另一个是非交互模式（），另一个是非交互模式（Batch ModeB

8、atch Mode）。交互模式）。交互模式是初学者和大多数使用者所采用，包括建模、保存文件、是初学者和大多数使用者所采用，包括建模、保存文件、打印图形及结果分析等，一般无特别原因皆用交互模式。打印图形及结果分析等，一般无特别原因皆用交互模式。但若分析的问题要很长时间，如但若分析的问题要很长时间，如1-21-2天等，可把分析问题的天等，可把分析问题的命令做成文件，利用它的非交互模式进行分析。命令做成文件，利用它的非交互模式进行分析。n通过通过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，详见详见14121154

9、14121154命令流命令流.log.logLoading7.小结n由于模型为自己独立设计，无实际工程实例模型，结构由于模型为自己独立设计，无实际工程实例模型，结构固有的这种设计不合理性导致了求解结果的不合理性，比固有的这种设计不合理性导致了求解结果的不合理性，比如前如前5050阶自振频率很低，桥梁主体结构振动不明显。由公阶自振频率很低，桥梁主体结构振动不明显。由公式式( (式中式中f f为频率为频率 为圆频率为圆频率 K K为刚度为刚度 M M为质量为质量) )可知，为增可知，为增加结构频率，应该减少结构质量同时增大结构刚度，即尽加结构频率，应该减少结构质量同时增大结构刚度，即尽量使用量使用

10、EIEI大的截面又要降低自重，比如使用工字钢、设置大的截面又要降低自重，比如使用工字钢、设置加劲肋等。加劲肋等。n使用存储字节小的单元类型。针对梁单元的使用存储字节小的单元类型。针对梁单元的Beam4Beam4与与Beam188Beam188，如果结构无特殊要求，选取，如果结构无特殊要求，选取Beam4Beam4即可，针对桥即可，针对桥面板单元的面板单元的Shell63Shell63与与Shell181Shell181，如果结构无特殊要求，选，如果结构无特殊要求，选取取Shell63Shell63即可，可以减少运算工作量。即可，可以减少运算工作量。n混凝土桥面板、加劲梁与钢主梁横梁及各部分的接

11、触问混凝土桥面板、加劲梁与钢主梁横梁及各部分的接触问题处理的不好，最好要进行接触面、连接点的接触耦合优题处理的不好，最好要进行接触面、连接点的接触耦合优化设计。化设计。Loading7.小结n对大型桥梁的有限元建模，如果单元类型、网格划分不对大型桥梁的有限元建模，如果单元类型、网格划分不合理，计算文件会很大，不同单元类型、接触条件、边界合理，计算文件会很大，不同单元类型、接触条件、边界条件会导致分析结果误差很大，尤其要特别注意单元类型条件会导致分析结果误差很大，尤其要特别注意单元类型选取，另外可以简化节点数量，减少单元数量，在误差允选取，另外可以简化节点数量，减少单元数量，在误差允许范围内降低

12、划分精度，对有限元模型进行优化。比如，许范围内降低划分精度，对有限元模型进行优化。比如，本次建模共本次建模共264264个关键点，个关键点，667667条线，条线，1515个面，个面，0 0个体。进行个体。进行网格划分后，共网格划分后，共5102851028个节点，个节点，5160251602个单元；节点单元过个单元；节点单元过于密集，影响求解效率，通过对实体模型的线性控制修改，于密集，影响求解效率，通过对实体模型的线性控制修改，使得最后只有使得最后只有14541454个节点、个节点、18331833个单元，在不太影响计算个单元，在不太影响计算精度的情况下大大降低了求解运算复杂性。精度的情况下

13、大大降低了求解运算复杂性。n在动力分析中，模态提取方法有多种，比如分块在动力分析中，模态提取方法有多种，比如分块LanczosLanczos法、法、PowerDynamicsPowerDynamics法、缩减法采用法、缩减法采用HBIHBI算法、非对称法、算法、非对称法、阻尼法等，要多种途径求解以便更好分析理论值和计算值阻尼法等，要多种途径求解以便更好分析理论值和计算值的误差原因。的误差原因。Loading7.小结n在截面修改优化内力过程中，使用了反复修改反复求解在截面修改优化内力过程中，使用了反复修改反复求解查看应力的方法，通过过分增大结构某截面部分的尺寸求查看应力的方法，通过过分增大结构某

14、截面部分的尺寸求解内力和变形情况，来得知各个截面部分的影响因素，从解内力和变形情况，来得知各个截面部分的影响因素，从而为修改截面尺寸提供方向。最终发现桥面横梁是影响结而为修改截面尺寸提供方向。最终发现桥面横梁是影响结构内力变形的主要因素。通过对截面反复修改调整，最终构内力变形的主要因素。通过对截面反复修改调整，最终使主拱圈顶部的竖向挠度小于，并查看应力图，受力性能使主拱圈顶部的竖向挠度小于，并查看应力图，受力性能良好。优化原则总结如下：良好。优化原则总结如下： 1 1、寻找最佳截面尺寸，使结构整体变形，使不发生局、寻找最佳截面尺寸，使结构整体变形，使不发生局部变形或尽量减少局部变形。部变形或尽

15、量减少局部变形。( (改截面改截面-求解求解-查看变形图、查看变形图、位移矢量图、位移矢量图、Y Y向变形图向变形图-再改截面再改截面-. -. -直至结构整直至结构整体变形体变形) ) 2 2、寻找最佳截面尺寸，使结构整体受力均匀，使不发、寻找最佳截面尺寸，使结构整体受力均匀，使不发生局部受力集中或尽量减少受力集中。生局部受力集中或尽量减少受力集中。( (改截面改截面-求解求解-查查看看von misesvon mises等效应力图等效应力图-再改截面再改截面-. -. -直至结构受直至结构受力均匀力均匀) )Loading7.小结n还应该对结构进行谱分析，对主拱圈进行稳定性分析还应该对结构进行谱分析，对主拱圈进行稳定性分析( (屈屈曲分析、非线性分析、失稳分析等曲分析、非线性分析、失稳分析等) )，具体操作方法如下：，具体操作方法如下： 1 1、主拱施加上吊索施加的竖向力，求得带有预应力效、主拱施加上吊索施加的竖向力，求得带有预应力效应的静力解应的静力解( (小变形模式小变形模式) )。 2 2、进行线性特征值屈曲分析，求出大致的屈曲荷载。、进行线性特征值屈曲分析，求出大致的屈曲荷载。 3 3、获取屈曲分析中某阶载荷因子作为载荷参数、获