渠風(fēng)英

（山西省晉中路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，山西 太原 030600）

近幾年來(lái)，我國(guó)在不斷建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)最高、技術(shù)最復(fù)雜、科技含量最高的超大型橋梁工程。依靠科技創(chuàng)新，攻克了橋梁領(lǐng)域的諸多難題，并保持了世界先進(jìn)水平。我國(guó)橋梁工程的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、計(jì)算理論、結(jié)構(gòu)分析、模型試驗(yàn)、材料科學(xué)、施工工藝、施工設(shè)備、施工控制、檢測(cè)技術(shù)、專(zhuān)用設(shè)備等方面的綜合技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，同時(shí)也使得橋梁的計(jì)算方法和結(jié)構(gòu)分析方法等也變得越來(lái)越復(fù)雜，目前常用的分析方法有有限元分析方法。

有限單元法，又稱(chēng)有限元法，是一種求解數(shù)學(xué)物理問(wèn)題的數(shù)值方法。它最早起源于固體力學(xué)，后來(lái)又迅速擴(kuò)展到流體力學(xué)、傳熱學(xué)、電磁學(xué)、聲學(xué)等與場(chǎng)問(wèn)題有關(guān)的物理學(xué)領(lǐng)域。有限元法運(yùn)用于橋梁工程，對(duì)梁和板結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析。

ANSYS是以有限元為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)軟件，由于其具有結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁和耦合場(chǎng)分析功能，并且功能體系完整強(qiáng)大，得到非常成功的應(yīng)用和推廣，應(yīng)用于航天航空、軍工、能源動(dòng)力、船舶、車(chē)輛、通用機(jī)械等各個(gè)行業(yè)。

1 ANSYS有限元求解的基本步驟

1.1 分析準(zhǔn)備

（1）建立新的分析：Utility Menu→File→Clear Database and Start New→OK。

（2）建立新的工作名：Utility Menu→File→Change Jobname→OK。

（3）建立新的標(biāo)題：Utility Menu→File→Change Title→OK。

（4）建立新的工作目錄：Utility Menu→File→Change Directory→OK。

1.2 建立有限元模型

ANSYS系統(tǒng)中的建模包括實(shí)體模型、有限元模型和荷載與邊界條件，建模的目的是為了獲得正確的有限元網(wǎng)格模型，同時(shí)要保證網(wǎng)格具有正確的形狀，單元大小密度分布合理，適用于施加邊界條件和荷載，保證變形后仍然具有合理的單元形狀，場(chǎng)量分布描述清晰，好的建模是計(jì)算機(jī)成功的保證。建立模型步驟如下：

（1）選擇并定義單元類(lèi)型與實(shí)常數(shù)：常用的單元類(lèi)型有l(wèi)ink1（2D）和link8（3D）用來(lái)模擬珩架，一根桿劃一個(gè)單元；link10用來(lái)模擬拉索，注意要加初應(yīng)變，一根索可多分單元；link180是link10 的加強(qiáng)版，一般用來(lái)模擬拉索。beam3（2D）和 beam4（3D）是經(jīng)典歐拉梁?jiǎn)卧?，用?lái)模擬框架中的梁柱，雖然一根梁只劃一個(gè)單元在單元兩端也能得到正確的彎矩圖，但是要得到和結(jié)構(gòu)力學(xué)書(shū)上的彎據(jù)圖差不多的結(jié)果還需多分幾段；beam44適合模擬薄壁的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件或者變截面的構(gòu)件；beam188和beam189號(hào)稱(chēng)超級(jí)梁?jiǎn)卧?，基于鐵木辛科梁理論，有諸多優(yōu)點(diǎn)：考慮剪切變形的影響，截面可設(shè)置多種材料，可用“/eshape，1”顯示形狀，截面慣性矩不用自己計(jì)算而只需輸入截面特征，可以考慮扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，可以變截面（8.0以后）；shell41一般用來(lái)模擬膜；shell63可針對(duì)一般的板殼，注意僅限彈性分析；加強(qiáng)版是shell181（注意18*系列單元都是ansys后開(kāi)發(fā)的單元，考慮了以前單元的優(yōu)點(diǎn)和缺陷，因而更完善；常用的就solid45、46、65、95等，solid46可以容忍單元的長(zhǎng)厚比達(dá)到20∶1，可以用來(lái)模擬鋼板碳纖維板鋼管等；solid65是專(zhuān)門(mén)的混凝土單元。另外還有combin（彈簧）系列和contact（接觸）系列等。

定義單元類(lèi)型見(jiàn)圖1。

圖1

定義實(shí)常數(shù)見(jiàn)圖2。

圖2

圖3

（2）定義材料屬性數(shù)據(jù)：對(duì)于彈性部分一般用MP命令輸入，非線(xiàn)性部分用TB命令輸入；TB，CONCR用來(lái)模擬混凝土，采用w-w五參數(shù)破壞準(zhǔn)則，只能和solid65配合使用；TB，DP即Drucker-Prager模型，ansys中唯一用來(lái)模擬土的模型?？梢院蛶缀跛袉卧?lèi)型（2維和3維）配合使用；TB，BKIN（BISO，MKIN，MISO）一般用來(lái)模擬鋼材。雙線(xiàn)形隨動(dòng)強(qiáng)化（雙線(xiàn)形等向強(qiáng)化、多線(xiàn)形隨動(dòng)強(qiáng)化、多線(xiàn)形等向強(qiáng)化）模型。

（3）創(chuàng)建或讀入幾何模型：ANSYS的建模功能很強(qiáng)，建模有兩種方法即，在CAD實(shí)體建模和網(wǎng)格建模。前者是直接利用CAD模型進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分，后者是直接生成節(jié)點(diǎn)并利用節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建單元，從而獲得單元網(wǎng)格的有限元模型。

本文以橋梁工程當(dāng)中常用的工字型截面曲梁為例，創(chuàng)建實(shí)體模型。

首先，創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)：菜單路徑Main Menu→Preprocessor→Mo deling→Create→Keypoints→In Active CS，彈出以下菜單，見(jiàn)圖 4。

圖4

文本框中的1即為創(chuàng)建1號(hào)關(guān)鍵點(diǎn)，（0，0，0）即為坐標(biāo)，單擊Apply依次創(chuàng)建出其余9個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

其次，創(chuàng)建樣條曲線(xiàn)：菜單路徑Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Splines→With Options→Spline thru KPs，依次拾取關(guān)鍵點(diǎn)1，2和3，單擊OK，彈出設(shè)置方向矢量的對(duì)話(huà)框，設(shè)置如下選項(xiàng)：

文本框中-1，0，0表示起始端的方向矢量；0,-1,0表示終止端的方向矢量最后，創(chuàng)建1/2工字截面：菜單路徑Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Areas→Arbitrary→Through KPs，拾取關(guān)鍵點(diǎn) 1、4、5、6、7、8、9 和 10。

圖5

（4）劃分單元獲得網(wǎng)模型：在劃分單元網(wǎng)格之前，必須給每個(gè)幾何模型的點(diǎn)、線(xiàn)、面、體分配適當(dāng)?shù)膯卧獙傩?，包括單元?lèi)型號(hào)、單元實(shí)常數(shù)號(hào)、材料號(hào)、單元坐標(biāo)系、方向關(guān)鍵點(diǎn)。

（5）模型檢查和儲(chǔ)存模型。

1.3 加荷求解

（1）選擇分析類(lèi)型并設(shè)置分析選項(xiàng)。（2）施加荷載。

（3）設(shè)置荷載步選項(xiàng)。

（4）執(zhí)行求解。

1.4 查看分析結(jié)果

（1）查看分析結(jié)果。

（2）分析處理并評(píng)估結(jié)果。

2 注意事項(xiàng)

（1）建模時(shí)一定要充分查閱有關(guān)資料，掌握荷載的作用點(diǎn)在那里、邊界條件的設(shè)置原則與方法。

（2）單元的劃分一定要注意有預(yù)劃分和真劃分兩個(gè)過(guò)程，當(dāng)你給所選的線(xiàn)或面或體選擇了劃分單元數(shù)后，窗口會(huì)出現(xiàn)一個(gè)劃分后的效果圖，注意，這個(gè)預(yù)劃分階段，還要再打開(kāi)mesh tool工具欄，選擇后面的條件，直到選擇了mesh按鍵后，才真正出現(xiàn)劃分單元的模型。實(shí)際上你的網(wǎng)格劃分成功與否，直接選擇list命令中的node命令就可以查看了，有了node列表就證明劃分成功，反之則沒(méi)有。

（3）局部坐標(biāo)系創(chuàng)建完成后，馬上自動(dòng)成為激活坐標(biāo)系，即自動(dòng)成為當(dāng)前坐標(biāo)系。

（4）在進(jìn)行分析時(shí)，所有荷載必須預(yù)留好施加位置，比如要在一個(gè)面上施加一個(gè)點(diǎn)荷載，在劃分網(wǎng)格是必須在集中力位置預(yù)留一個(gè)節(jié)點(diǎn)，位置恰好就在荷載作用點(diǎn)。

（5）對(duì)于大跨度結(jié)構(gòu)，恒載會(huì)產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，因此在進(jìn)行靜態(tài)分析時(shí)，將“預(yù)應(yīng)力”開(kāi)關(guān)打開(kāi)，然后以靜力分析問(wèn)題為基礎(chǔ)，進(jìn)行模態(tài)或動(dòng)力分析。

[1]孫勇、岑成賢.ANSYS在橋梁工程中的應(yīng)用[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（3）：104-105.

[2]侯新錄.結(jié)構(gòu)分析中的有限元法于程序設(shè)計(jì)[M].中國(guó)建材工業(yè)出版社，2004.

[3]博弈創(chuàng)作室.ANSYS9.0經(jīng)典產(chǎn)品基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解[M].中國(guó)水利水電出版社，2006.