桥梁结构ANSYS建模原则及常见问题

  桥梁结构ANSYS建模原则及常见问题王东绪，周昱，王士刚，李永乐西南交通大学桥梁工程系李永乐研学团队二O一二年九月  目录1桥梁结构ANSYS模拟方法及原则.................................11.1模拟方法..........................................................11.1.1梁格法......................................................11.1.2实体元法和板壳元法.........................................11.1.3空间梁单元.................................................1 1.2各种构件模拟......................................................2 1.2.1主梁模拟原则...............................................21.2.2刚臂问题....................................................31.2.3质量及质量惯性矩............................................31.2.4索结构模拟.................................................41.2.5常用单元特性...............................................41.3命令流编写注意事项................................................5 2 建模过程中常见问题...........................................7 2.1集中质量阵和一致质量阵的选取问题..................................72.2钢桥面板翼缘有效宽度..............................................82.3板桁桥面系简化...................................................102.4两节点间采用耦合与刚臂连接的区别.................................132.5节点、单元编号注意事项及减小带宽.................................152.6多片主梁的简支梁桥建模要点.......................................172.7阻尼矩阵及模态分析方法问题.......................................182.8非线性问题.......................................................192.9接触问题.........................................................213 数据的提取与输入............................................24 3.1刚度矩阵的提取...................................................24 3.1.1单元刚度矩阵...............................................243.1.2整体刚度矩阵..............................................243.1.3提取简例...................................................253.2振型图的输出.....................................................29  4 基于APDL的编程及ANSYS新模块的实现.........................34 4.1APDL的特点......................................................34 4.2APDL的编程......................................................34 4.2.1APDL的参数化变量及函数...................................344.2.3宏命令...................................................374.2.4APDL常用命令详解.........................................384.3ANSYS新功能.....................................................39 5 实用技巧....................................................43 5.1动力特性分析.....................................................43 5.1.1动力特性分析的一般步骤.....................................435.1.2BANSYS计算动力特性........................................435.1.3车—桥耦合振动分析（BANSYS）对ANSYS建模的要求.............445.2ANSYS图形的输出.................................................44 5.2.1ANSYS图形输出的几种方法...................................445.2.2ANSYS的美化输出...........................................455.2.3绘制应力～应变关系曲线.....................................465.2.4.ANSYS结果等值线输出......................................466 ANSYS建模最易出错的地方....................................48 工程应用七：桥梁结构ANSYS建模原则及常见问题EngApp-007，20120921，SWJTU-11桥梁结构ANSYS模拟方法及原则1.1模拟方法用有限元方法对桥梁结构进行分析时，首先要将连续的结构离散为由节点和单元组成的有限元模型。常见桥梁结构的离散模型有梁格法、三维实体元法、板壳元法及三维空间梁单元法。不同的结构形式和设计深度对应不同的分析模型。几种模拟方法见图1-1。1.1.1梁格法梁格法是一种用等效的梁格来代替桥梁上部结构的简化计算方法，纵、横梁格分别集中了实际结构的纵向、横向刚度。梁格法的优势在于，既能兼顾总体计算精度又可以直接输出各主梁的内力，便于利用规范进行强度验算。因此该方法特别适用于计算曲线梁桥和其它平面形状特殊的梁式桥。1.1.2实体元法和板壳元法理论上，实体元和板壳元模型可以真实的模拟任何复杂的结构的各种受力行为，如弯曲、扭转及局部变形等。但除运算成本过大之外，板壳元、实体元模型在应用于大跨桥梁结构时，需要整理大量的输入输出数据，不便于对计算结果及结构受力行为作出正确评价，且难以给出与现行规范有直接联系的内力结果。此外，过于复杂的模型在进行结构动力特性计算时会得出许多结构局部的振动模态，这是十分没有必要的。因此，板壳元、实体元模型多用于分析受力复杂的局部结构，以进行结构合理的配筋设计，如承台、牛腿、斜拉桥塔柱及主梁锚固段等。1.1.3空间梁单元空间梁单元根据受载后截面是否保持平面，可分为自由扭转和翘曲扭转两种模型。在ANSYS中BEAM188/189（KEYOPT（1）=1）在每个节点处增加了翘曲自由度，可考虑梁的翘曲扭转。已有研究表明，对于混凝土桥，两种模型计算所得应力值差别不大，按自由扭转梁单元进行离散即可满足计算精度要求。对于宽跨比较大的钢箱梁，则需用翘曲扭转模型。空间梁单元模型在分析宽梁结构时有一定局限性，但是对于有抗风要求的大跨桥梁，其宽跨比一般较小，采用空间杆系法模型即可满足其计算精度；而且空间杆系模型可以直接给出计算截面的内力和变形，因而是目前大跨桥梁分析昀常用的离散方式。各种离散方法见图1-1.综上所述，采用何种离散方式要根据不同的结构形式及分析精度要求来确定。基本上除了分析局部结构、配筋、接触等需要采用实体、板壳元模拟，或者分析斜桥分析1.2量点件一措施1.2持力保证等）总体元、考节当θ体坐李桥、弯桥可采析时，基本2各种构建立空间点单元。对一般用空间施而轻易改2.1主梁模主梁单元力的作用点证梁的线性并节点统一体坐标系的杆单元其节点或θ确θ和参考点坐标系y轴李永乐@西南采用梁格模本上都采用空构件模拟杆系模型时于桥的主梁梁单元模拟改变梁的形心模拟原则元的模拟常采，节点应当性为直线，可一建立在桥关系。所有x轴由i节定；参考节都缺省时，相同（当单南交通大学桥模型之外，而空间杆系模图1-1时，昀常用梁、桥塔、桥拟。值得注心位置，因采用BEAM当尽量取在可采用支持节桥面标高处有单元坐标节点指向j节节点k和单元单元默认为单元x轴平桥梁工程系而本团队在模型以满足专桥梁结构的的单元类型桥墩、桩基意的是，建因为这样会导M4单元。采截面的形心节点偏心功。在建立单系都遵循右节点，而其元的i、j节点为其y轴平平行于总体坐系，四川成都EngApp在进行车—桥专业软件B的离散方法型有空间杆单基础、桁架等建模中应保持导致计算扭采用BEAM心处。而当截功能的单元（单元之前应首右手法则。单元截面点共同确定平行于总体坐坐标系z轴都（610031p-007，2012桥及风—车BANSYS兼法单元、空间等各种需要持力的作用扭转模态时引M4单元模拟截面形式为（BEAM44、首先确定该如图1-2所（即单元y、单元坐标系坐标系的X轴时）。1）20921，SWJT车—桥耦合振兼容性的要求间梁单元以及要承受弯矩的用点，不应构引入误差。拟主梁时，为为变截面时BEAM188该单元坐标系所示，对于梁、z轴）可由系的XZ平面XY平面或与TU-2振动求。及质的构构造为保，为/189系与梁单由参面。与总工程应用七：桥梁结构ANSYS建模原则及常见问题EngApp-007，20120921，SWJTU-3图1-2典型梁单元坐标系示意图1.2.2刚臂问题.在模拟连接时（如墩梁连接、索梁连接），除了通过设置主从节点耦合之外，还可用刚臂单元模拟。例如在主梁为单梁时，吊点与主梁节点间可用刚臂连接。在定义刚臂材料特性时，材料密度取为0，弹性模量赋大值以体现其不可弯曲变形的特性。一般情况下刚臂弹性模量取为钢材弹性模量的1000倍。但是取值不可太大，因为刚臂弹模太大时，可能导致刚度矩阵出现畸形，影响计算结果。1.2.3质量及质量惯性矩对于杆系模型，采用集中质量矩阵进行动力特性分析时，忽略了单元质量阵中的转动项即主梁位于对称轴上所以程序自动计算时主梁质量惯性矩为0，此外于主桁梁上的道渣槽、栏杆等二期恒载的质量和质量惯性矩也并未考虑。这些因素都需通过质量点的形式加到主梁的节点上。常用的质量单元有MASS21、MASS166等。MASS21为具有昀多6个自由度的点单元，节点自由度可为Ux、Uy、Uz、Rotx、Roty、Rotz，通过不同设置可仅考虑2D或3D内的平动自由度及其组合，每个坐标方向可以具有不同的质量和转动惯量。该单元定义在节点上，无面荷载和体