结构设计大赛软件指导.doc

Midas软件指导结构模型设计大学生结构设计竞赛经验漫谈之二崔苗苗 全国大学生结构设计竞赛是国家教育部批准的九个大学生竞赛资助项目之一，大赛旨在培养大学生的创新意识与合作精神，提高大学生的创新设计能力和动手实践能力。大赛自举办以来，得到了全国各大高校相关专业师生的广泛关注。笔者有幸参加了两届校级结构设计竞赛，并代表学校参加了第二届全国大学生结构设计竞赛。作为比赛的参与者，我现将结合自己第二届结构设计大赛中的参赛作品，对在比赛中如何正确使用软件来指导设计这一点的相关认识和经验略作总结，供各位参考。一、结构设计大赛的特点在实际桥梁设计中，应遵循安全、适用、经济、美观的基本原则。作为桥梁模型设计竞赛，则是基于竞赛条件，对这四个准则的体现和灵活运用。安全，即要求桥梁模型能承受足够的小车荷载，包括静载和动载；适用，即要求模型的挠度变形得到控制，包括结构跨中挠度及桥面变形；经济，即要求模型的自重轻，承载能力大，达到较大的“荷重比”；美观，即要求模型造型简洁，受力合理，制作精细。比较而言，对“荷重比”的追求和对结构变形的控制成为决定模型优劣的关键。作为结构竞赛模型，由于所使用材料的原因，其与现实桥梁的最大不同点在于：活载的比重非常大，恒载几乎可以忽略，实桥都有着足够的自重（恒载），而模型设计中几乎无法考虑恒载的作用。正是由于这个差别，导致模型设计与实桥设计之间存在着“大相径庭”之处。这也是在结构设计过程中应重点考虑的方面。二、结构有限元分析概述对静定结构和简单超静定结构，可采用结构力学方法计算分析。由于结构模型一般为超静定结构，采用对模型简化后进行手算的方法，不仅费时，而且计算结果也会存在很大的误差，这就要求我们学会用有限元软件来对结果进行受力分析。桥梁模型结构分析和实际桥梁结构分析的主要内容主要在计算深度上存在一定的差别，计算内容基本相同，主要包括：1) 内力分析与强度验算：主要是活载作用下结构的内力、位移、反力等的计算，各构件强度的验算。2) 结构稳定性计算：包括整体稳定和局部稳定；桥梁模型结构分析和实际桥梁结构分析的基本步骤基本相同，大致为：1) 确定已知条件：一般在结构设计大赛竞赛细则中给出；2) 建立分析模型：单元编号、节点编号、确定边界条件、单元的材料和几何特性、荷载简化；3) 选择求解方法：有限单元法；4) 分析计算：单元的轴力、剪力和弯矩；5) 演算计算结果（结果不正确修改模型重新设计）：计算结果是否符合常规要求；6) 计算结果正确判断其是否满足指标要求（不满足修改设计重新计算）：在满载情况下是否超出结构设计大赛竞赛细则中规定的限制；7) 计算结果满足指标要求，分析计算结果。三、实例分析以下结合自己在第二届结构设计大赛中的参赛作品，来阐述如何正确运用Midas分析结果来指导模型设计。1. 模型概述：综合考虑本次比赛规定的材料以及加载条件，并结合桥梁专业知识分析，认为空腹式的桁架是各种桥式的首选结构。经过一个月的模型试验，我们最终采用的方案结构体系为两跨简支鱼腹式桁梁桥，为无竖杆的三角形桁架，模型按1005mm1005mm等跨布置，全长2010mm，宽200mm。两纵梁中心距为130mm，桥面板自纵梁外缘向外各悬挑30mm，实际通车桥面宽200mm。纵梁采用单箱截面，梁高10mm,箱宽9mm；横梁也采用单箱截面，不等间距布置，梁高10mm，宽9mm；腹杆为不等节间布置，截面采用6mm10mm矩形空心管；下弦杆采用纸带，尺寸高1.2mm，宽8mm；下弦跨中横联采用正三角形截面，边长为8mm；桥面采用经厚薄处理的整块纸张连续铺设。图12分别为最终设计的立面、平面及各杆件截面示意图。图1 立面布置示意（不包括桥面和局部加劲构造 单位：mm）图2 平面布置示意（不包括桥面和局部加劲构造 单位：mm）2. 模型简化由于计算机模拟分析纸质桥梁模型的局限性，我们对计算模型进行了下列简化和假定：1. 采用空间梁单元模拟桁架结构；2. 车轮荷载按横向线集度荷载在两片主桁间进行分配，等效为作用在纵梁上的集中荷载；3. 不考虑桥面板参与受力；4. 忽略桥面及桥面系局部加劲构造的作用；5. 两跨受力模式一样，仅取一跨进行计算分析。应该承认，上述简化和假定会带来一定的计算误差。考虑到理论分析用于纸质模型的指导性作用，这样的简化和假定是可以接受的。3. 荷载简化采用简化计算模型，考虑将小车荷载转化为加载在左右两根纵梁上的移动点荷载来计算，将总重为100N的小车荷载简化为加载在两根纵梁上的竖向点荷载，即左右两个纵梁分别加载40N和10N的力，简化后的等价小车荷载模式如图3所示。图3 简化后的小车荷载（单位：mm）4. 计算模型单元编号桁梁模型单元的编号见图3、图4。鉴于纵梁的重要性，每节间的纵梁划分为35个单元；为使计算便捷，将其余杆件均视作一个单元。图4 纵梁单元编号图5 腹杆单元编号5. 结构优化分析：在结构设计大赛中，结构设计仍然是按常规设计这种半理论半经验的设计方法，常常带有一定的盲目性和偶然性。由于设计过程中设计人员片面追求结构的承载力和安全性往往造成材料不必要的浪费，另外设计过程中简化掉的部分对结构受力也存在这一定的影响，因此在设计过程中不能良好的反应结构的真实受力状态。比如桁架桥在设计过程中假定节点为铰接，这种假设与实际结构必然存在这一定的误差，因此运用计算机手段，对桥梁结构模型进行设计和优化是必要的。在结构模型施工中不像实际桥梁施工那样要考虑很多施工方便的要求，我们可以尽可能的去充分利用材料的性能，使用任何截面形式，任何尺寸的杆件。在此仅对纵梁中心距的优化和47号纸带单元截面尺寸的选取进行阐述。5.1 纵梁中心距的优化根据第二届全国结构设计大赛的规则可知，在满足小车通行的前提下，两根纵梁的间距可以任意选择，这里仅对纵梁中心距为150mm和200mm两个模型进行内力对比分析，以确定纵梁中心距。腹杆单元可近似按轴心受压构件计算，根据Midas软件的桁架单元内力分析结果可知53号腹杆单元为控制单元；纵梁单元同时受轴向应力、弯曲应力和剪应力的作用，根据软件的应力分析结果可知68号梁单元为控制截面；跨中挠度的大小也为本次模型设计成功与否的关键因素。两个模型的53号、68号单元内力和跨中挠度计算结果如表1所示：表1： 单元内力和跨中挠度计算结果中心距53号腹杆轴力(N)68号纵梁轴向应力(MPa)68号纵梁弯曲应力(MPa)68号纵梁剪应力(MPa)跨中挠度（mm）150mm61.62913.616.72.611.03200mm64.44253.8716.12.611.85两个模型对比分析：1、两种模型的腹杆轴应力分别为：，故两种模型的腹杆单元均满足强度要求。纵梁中心距为150mm时轴应力较小。（容许应力通过试验获得）2、采用第四强度理论计算两种模型68号纵梁单元的相当应力： ，故两种模型的纵梁单元强度均满足要求。纵梁中心距为200mm时相当应力较小。3、，故两种模型的刚度均满足要求。纵梁中心距为150mm时跨中挠度较小。4、两种模型的成桥质量估算分别为： ，； 荷重比分别为： ，,故纵梁中心距为150mm时荷重比较大。综上所述，当纵梁中心距为150mm时，53号腹杆轴力，跨中挠度均较小，且荷重比较大；尽管当纵梁中心为200mm时68号纵梁单元的相当应力较小，但二者相差不大；故由以上分析可知当纵梁中心距为150mm，模型设计比较合理。5.2 47号纸带单元截面尺寸的选取这里取纵梁中心距为150mm模型的47号纸带单元来展开分析，以介绍用软件分析结果来指导材料使用的方法，其它单元分析方法类似。基于我校参加第二次结构设计大赛的材料试验结果和补充试验数据，并参考有关资料，拟定8mm宽的纸带的性能参数如表2所示。表 2 材料性能参数名称层数面积弹性模量极限拉压应力（N/mm2）白卡纸110.38=2.4mm2113022.2/7.0白卡纸220.68=4.8mm2114544.0/14.0白卡纸330.98=7.2mm2160066.0/21.0白卡纸441.28=9.6mm2196088.0/28.0桥梁模型结构的各杆件单元采用不同层数的白卡纸制成，软件分析计算中采用表3中所列参数。表 3 单元几何参数表（单位：mm）项目材料截面形状宽高厚纵梁白卡纸3矩形9100.9横梁白卡纸2矩形9100.6腹杆白卡纸1矩形1060.3下弦横联白卡纸1三角形边长为80.3纸带四层纸带白卡纸4矩形81.21.2三层纸带白卡纸4矩形80.90.947号纸带单元为桁架单元，主要承受拉力，由Midas分析结果得其轴力为126.87N。1) 选取一层白卡纸： ，不满足要求；2) 选取二层白卡纸：，满足要求；综上可知，两层8mm的白卡纸可以满足要求，但处于结构的构造要求和47号纸带单元对结构的重要性，最终我们选定47号纸带单元采用三层8mm的纸带。四、结语本文对结构模型有限元分析进行了概述