Midas软件指导结构模型设计——大学生结构设计竞赛经验漫谈

1、midas软件指导结构模型设计一一大学生结构设计竞赛经验漫谈midas软件指导结构模型设计一一大学生结构设计竞赛经验漫谈z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冃2，大赛旨在 培养人学生的创新意识与合作精神，提高人学生的创新设计能力和动手实践能力。人赛自 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竟赛，并代表学校参加了第二届全国人学生结构设计 竞赛。作为比赛的参与者，我现将结合自c第二届结构设计大赛中的参赛作胡，对在比赛 中如何1e确使用软件來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、结构设计人赛的特点在实际桥

2、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川。安全，即耍求桥梁模型能承受 足够的小车荷载，包扌舌静载和动载；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，即耍求模型的口重轻，承载能力大，达到较大的“荷重比”； 美观，即耍求模型造型简洁，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 构竟赛模型，由于所使用材料的原因，其与现实桥梁的最人不同点在于：活载的比重非常 大，恒载儿乎可以忽略，实桥都有着足够的自重（恒载），而模型设计中儿乎无法考

3、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z间存在着“大相径庭” z处。 这也是在结构设计过程中应重点考虑的方面。二、结构冇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人的 误差，这就要求我们学会用有限元软件來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）结构稳上性计算：包括整体稳泄和局部

4、稳;e;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，人致为:1）确定已知条件：一般在结构设计人赛竟赛细则屮给出；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）计算结果止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人赛竞赛细则屮规定的限制；7）计算结果满足指标要求，分析计算结杲。三、实例分析以下结合自己在第二届结构设让大赛中的参赛作品，来阐述如何正确运用midas分

5、析结 果来指导模型设计。1. 模型概述：综合考虑木次比赛规左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 跨简支角腹式桁梁桥，为无竖杆的三角形桁架，模型按1005mm+1005mm等跨布一置，全长 2010mm,宽200mm。两纵梁中心跖为130mm,桥面板自纵梁外缘向外各悬挑30mm,实际通 车桥面宽200mmo纵梁采用单箱截而，梁高10mm,箱宽9mm；横梁也采用单箱截而，不等间 距布置，梁高1 omni,宽9imn；腹杆为不等节间布置，截面采用6mn）x 10mm矩形空心管；下 弦杆采用纸带，尺寸

6、髙1 加m,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曲、平囱及各杆件 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屮荷载;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川；5.两跨受力模式一样，仅取-跨进行计算分析。应该承认，上述

7、简化和假泄会带來一定的计算误差。考虑到理论分析用丁纸质模型的指 导性作用，这样的简化和假定是对以接受的。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來计 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 分別加载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

8、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。曲于设计过程中设计人员片而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屮假定节 点为饺接，这种假设与实际结构必然存在这一定的谋差，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耍的。在结构模型施工屮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号纸带单元截而尺寸的选取进行阐述

9、。5.1纵梁中心跖的优化根据第二届全国结构设计人赛的规则町知，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150晰和200血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号梁单元为控制截而；跨中挠度的大小也为木次模型设计成功与 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：两个模型对比分析：1、两种模型的腹杆轴m力分别为：1 n161.62915.90

10、n/mm2 fc 14n/mm2a10.442 n264.44256. 17n/mm2 fc 14n/mm2 a10.4412 fc 14n/mm2,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fc 14n/mm2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：rl20.8n/mm2 fc 21n/mm2r220.5n/mm2 fc 21n/mm2r2rl fc 21n/mm2,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、di d2 dmax 20mm,故两种模型的刚度均满足要求。纵梁屮心距为150

11、mm时跨中 挠度较小。4、两种模型的成桥质量估算分别为：ml 320g, m2 380g；荷重比分别为：f1100001000031.25, f2 26.32 320380fl f2,故纵梁中心距为150mm时荷重比较人。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,且荷重比较人；尽管当纵梁屮心为200mm时68号纵梁单元的相当应力较小，但二者相差不人；故 由以上分析可知当纵梁中心距为150mm,模型设计比校合理。5.2 47号纸带单元截面尺 寸的选取这里取纵梁中心距为150rmn模型的47号纸带单元来展开分析，以介绍用软件分析结果 來指导材料使用的方法，其它单元分析方

12、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8mni宽的纸带的性能参数如表2所示。表2材料性能参数桥梁模型结构的各杆件单元采川不同层数的白卡纸制成，软件分析计算中采川表3中所 列参数。47号纸带单元为桁架单元，主要承受拉力，由midas分析结果得具轴力为126. 87n。1) 选取一层白卡纸：f126.8752.86n/mm222.2n/mm2,不满足要求；a2.42)选取二层白卡纸：f126.8726.43n/mm2 44n/mm2,满足要求；a4.8综上可知，两层弘山的白卡纸可以满足要求，但处丁结构的构造要求和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8nim的纸带。四、结语本文对结构模型有限元分析进行了概述，并结合自己