基于-Ansys-的钢桁架桥静力和模态分析

土木结构分析专题陈晨20104336基于Ansys的钢桁架桥静力和模态分析陈晨20104336（西南交通大学力学与工程学院结构2010-01班，四川成都）摘要：本文应用Ansys软件，采用有限元分析技术及其优化技术，分别采用GUI方式和命令流方式，对给定的一架钢桁架简支梁桥进行了静力学分析和模态分析，对强度、内力分布及前六届振型状况进行了查看。关键词：力学；土木工程；桥梁工程；结构分析1设计概况图1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。桁架杆件规格有三种，见下表：表1钢桁架桥杆件规格杆件截面号形状规格端斜杆1工字形400×400×16×16上下弦2工字形400×400×12×12横向连接梁2工字形400×400×12×12其他腹杆3工字形400×300×12×12所用材料属性如下表：表2材料属性参数钢材混凝土弹性模量EX2.1×10113.5×1010泊松比PRXY0.30.1667密度DENS785025002建立有限元模型2.1定义单元类型和选项MainMenuPreprocessorElementTypeAdd/Edit/Delete，弹出“ElementTypes”选择“StructuralBeam—3Delastic4”，单击“Ok”，定义“BEAM4”单元，如图6-17。继续单击“Add”按钮，选择“StructuralShell—Elastic4node63”，定义“SHELL63”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2单元类型对话框2.2定义梁单元截面MainMenuPreprocessorSectionsBeamCommonSections，弹出“BeamTool”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”。1图3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。以第一种工字钢为例：图4截面特性2.3定义实常数MainMenuPreprocessorRealConstantsAdd/Edit/Delete，弹出“RealConstants”对话框，单击“Add”按钮，在：“ElementTypeforR…”对话框中选择“Type1BEAM4”，在“RealConstantsSetNumber1，”对话框中，如图6-22填写。继续单击“Add”设置2号实常数，在ElementTypeforR…对话框中选择“Type2BEAM4”，在“RealConstantsSetNumber2，”对话框中，依次填写“2、0.0141、0.128e-3、0.415e-3、0.4、0.4”。继续单击“Add”设置3号实常数，在ElementTypeforR…对话框中选择“Type1BEAM4”，在“RealConstantsSetNumber3，”对话框中，依次填写“3、0.0117、0.541e-4、0.324e-3、0.3、0.4”。继续单击“Add”设置4号实常数，在ElementTypeforR…对话框中选择“Type2SHELL63”，在“RealConstantsSetNumber3，”对话框中，“TK(I)”项中填写“0.3”，其他项不写。单击“Close”关闭“RealConstants”对话框。图5定义壳单元实常数2.4定义材料属性1MainMenuPreprocessorMaterialPropsMaterialModels，弹出“DefineMaterialModelBehavior”对话框，在右边的栏中连续双击“StructuralLinearElasticIsotropic”后，弹出“LinearIsotropicPropertiesforMaterialNumber1”对话框，如图6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设置弹性模量、泊松比和密度继续在“DefineMaterialModelBehavior”对话框，双击“StructuralDensity”，弹出“DensityforMaterialNumber1”对话框，如图6所示，在“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。“DefineMaterialModelBehavior”对话框的Material菜单中选择“Newmodel”，按照默认的材料编号，点击“OK”。这时“DefineMaterialModelBehavior”对话框左边出现“MaterialModelNumber2”，同第一种材料的设置方法一样，“LinearIsotropic”中“EX”输入“3.5e10”，“PRXY”输入“0.1667”，“DENS”输入“2500”，单击“OK”结束。如图7。最后关闭“DefineMaterialModelBehavior”对话框。图7定义材料属性2.5建立有限元模型2.5.1生成半跨桥的节点：UtilityMenuModelingCreateNodesInActiveCS，弹出“CreateNodesinActiveCS”对话框，在“X，Y，Z”输入行输入：“0，0，-5”，单击“OK”。然后UtilityMenuModelingCopyNodesCopy，通过“Copynodes”复制节点，生成半跨桥节点，如图8。图8半桥模型的节点2.5.2生成半桥跨单元：选择第一种单元属性：UtilityMenuModelingCreateElementsElemAttributes，弹出“ElementAttributes”对话框。单击“OK”关闭窗口，点选节点建立端斜杆梁单元：依次选择第二、三种单元属性，建立上下弦杆和横梁杆梁单元。1图9半桥杆单元选择第四种单元属性：UtilityMenuModelingCreateElementsElemAttributes，弹出“ElementAttributes”对话框，“TYPE”项选择“2SHELL63”，“MAT”项选择“2”，“SECNUM”项中选择“NoSection”，“TSHAP”项选择“4nodequad”，其他选项不变。单击“OK”关闭窗口。建立桥面板单元：UtilityMenuModelingCreateElementsAutoNumberedThruNodes，弹出“ElemfromNodes”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。图10建立桥面板单元12.5.3生成全桥有限元模型：通过Reflect方法，生成对称的另半跨。全桥模型如图11所示。图11全桥模型2.6加边界条件和载荷2.6.1施加位移约束：在简支梁的支座处要约束节点的自由度，以达到模拟铰支座的目的。假定梁左端为固定支座，右边为滑动支座。选择23和24号节点，约束“UX，UY，UZ”，选择13和14号节点，约束“UY，UZ”。结果如图12。图12施加位移约束后的模型1图12施加所有荷载后的模型2.6.2施加集中力：在跨中两节点处施加集中力荷载。MainMenuSolutionDefineLoadsApplyStructuralForce/MomentOnNodes，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“ApplyF/MNodes”对话框，“Lab”项选择“FY”，“VALUE”项填写“-100000”。2.6.3施加重力：MainMenuSolutionDefineLoadsApplyStructuralInertiaGravityGlobal，弹出“ApplyAcceleration”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12。3求解1）选择分析类型：static。2）开始求解：MainMenuSolutionSolveCurrentLS，弹出一个名为“/STATUSCommand”的文本框，检查无误后，单击“Close”。在弹出的另一个“SolveCurrentLoadStep”对话框中单击“OK”。求解结束后，关闭“Solutionisdone”对话框。5查看计算结果1）查看结构变形图：GUI：MainMenuGeneralPostprocPlotResultsDeformedShape，结果显示如图13。图13结构变形结果2）云图显示位移：MainMenuGeneralPostprocPlotResultsContourPlotNodalSolu，选择“NodalSolution-DOFSolution-”后面的选项，其中包括X、Y、Z各个方向的位移及总体位移，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。各节点总体位移结果云图如图14。1图14总位移云图显示3）矢量显示节点位移：MainMenuGeneralPostprocPlotResultsVectorPlotPredefined，弹出一个“VectorPlotofPredefinedVectors”矢量画图对话框,在“PLVECT”项中选取“DOFsolution”和“TranslationU”，单击“OK”，其结果如图15所示。图15节点位移矢量显示4）显示结构内力图：定义单元表：MainMenuGeneralPostprocElementTableDefineTable，弹出一个“ElementTableData”对话框，单击“Add”，弹出“DefineAdditionalElementTableItems”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“Bysequencenum”，右边框中选择“SMISC”，下边填写“SMISC，1”。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_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“ElementTableData”对话框。1图16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17为本例题中所选用的BEAM4单元的单元坐标系图，表3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17BEAM4单元表3BEAM4单元表条目与序号输出量项目I节点序号J节点序号MFORX(X方向力)SMISC17MFORY(Y方向力)SMISC28MFORZ(Z方向力)SMISC39MMOMX(X方向力矩)SMISC410MMOMY(Y方向力矩)SMISC511MMOMZ(Z方向力矩)SMISC612列表单元表结果MainMenuGeneralPostprocElementTableListElemTable，弹出一个“ListElementTableData”对话框，选择刚才定义的内力名称“ZHOU_I，ZHOU_J，JIAN_I