利用ANSYS计算复杂薄壁杆件的截面特性

1、2004 ANSYS中国用户论文集中国CAE联盟 www CAE net cn利用ANSYS计算复杂薄壁杆件的截面特性胡晓伦杨鸿波同济大学桥梁工程系，上海 200092摘 要利用有限元通用软件 ANSYS中用户自定义截面的功能， 计算薄壁杆件复杂截面的几何特性，文中给岀了详细的实施步骤和技巧，并计算了开闭口、分离式和组合薄壁截面三种 典型情况，可供工程技术人员参考。关键词 薄壁杆件；几何特性；自定义截面；ANSYSDetermining Geometrical Properties of ComplexThin-walled Beams with ANSYSXiaolun HU Hongbo

2、YANGDepartment of Bridge Engineering,Tongji University,Shanghai,200092Abstract ANSYS can create custom cross sections with a user-defined mesh and multiple materials. It can determine the geometrical properties of complex thin-walled beams. This paper presents the detailed operations and skills, and

3、 calculates the geometrical properKeyword thin-walled beam; geometrical properties; custom cross section; ANSYS、八、刖言薄壁杆件在建筑、型钢、船体、桥梁等工程结构中应用极为广泛。对这些结构进行 建模分析时，常将其简化为梁单元，需要计算其截面几何特性，特别是扭转常数和翘曲常数。对于一些简单的等壁厚截面，可以用公式直接求出。若壁厚不等，需要采用符拉 索夫开口截面薄壁杆件理论和乌曼斯基闭口截面薄壁杆件理论，逐段积分运算；若带有U肋或是开闭口组合截面，需要按照乌曼斯基第二理论计算，首先求得主

4、扇形极点和主 扇形面积，再得到其它截面常数，较为繁琐。文献1根据箱形薄壁梁约束扭转计算的乌曼斯基第二理论， 得出了梯形截面薄壁箱梁扭心位置的显式表达式，可考虑壁厚、形状不同，但该表达式经过了简化，得到的是近似结果，且只适用于单箱室截面。文献2 根据势能驻值原理导出截面单元扇形坐标控制方程，采用有限元比拟的方法，建立了计2004 ANSYS中国用户论文集算薄壁截面几何特性的算法， 并编制了相应程序。 该法优点是概念明确， 适用于任意形 状的薄壁截面几何特性的计算机运算，但不能考虑带U肋、T肋等情况。Prokic,A3、4根据“图形理论”编制了能计算任意开闭口薄壁梁截面的程序，能自动识别闭合环和U

5、肋,但需要准备详细的节点描述数据。对于工程技术人员而言， 他们希望快速地求得截面的几何特性，而对计算原理和方法并不关心。因此，运用现有软件计算截面几何特性是工程技术人员的首选。AutoCAD应用最为广泛，能得到面积、惯性矩等结果，但不能求出扭转常数和剪切中心等，计算 精度较低，不适用于复杂薄壁截面的计算。第二类是计算截面特性的工具软件，如Staad、FlexPDE等，能对各种截面进行计算，可以得到扭转常数和翘曲常数，但截面不能太复 杂，原因在于不能人工进行网格划分。ANSYS是通用有限元软件，通过了 IS09001质量体系认证。它具有网格划分和自定义截面的功能，利用ANSYS计算截面几何特性正

6、成为一种趋势。BEAM24梁单元是一种三维薄壁单元，它通过一系列的矩形节段来描述断 面的几何形状，每个矩形节段由节段点坐标和厚度来表示。利用BEAM24单元，可以自定义任意形状的截面5，但节段点数不能超过20,功能有限。文献6给出了 ANSYS中 自定义截面的方法，但步骤过于繁琐，没有讨论复杂薄壁截面的计算。作者通过实践摸索，找到了一种在ANSYS中计算薄壁截面几何特性的方法，可适用于任何复杂程度的 薄壁截面。实施步骤和技巧ANSYS提供了两种梁横截面的定义方式，普通截面和用户 自定义截面7。工字型、T型、H型等11种常用截面属于普通 截面，存储在ANSYS截面库中。实际工程中的梁横截面多为普

7、 通截面的组合形式，或更为复杂，需要采取用户自定义截面的 方法求解截面的几何特性。ANSYS将需要计算的截面视为面域 采用PLANE82 （缺省）或 MESH200单元对面域进行网格划分 （图1），每个网格视为一个 cell，含9个节点和4个积分点。integration pointANSYS将截面视为多区格（multi-cellular ）的有限元模型，迭代求解几何特性。区格cell的网格尺寸可以人工控制。每个图1 ANSYS将截面划分为多区格cell可以赋予各自独立的材料属性。2.1创建截面的几何模型描述截面几何形状的面域可以在ANSYS中通过点-线-面的方式直接生成，也可以从外部文件导入

8、。 常用的建模软件有 AutoCAD、UG、SAP2000、Staad等，AutoCAD 是绘图的常用工具，应用最为普遍，本文即以AutoCAD为工具创建截面的几何模型。从几何角度来看，复杂薄壁截面通常由外框线、内框线和U肋（T肋）这三部分组成，拓扑关系为薄壁截面=外框线内框线U肋（T肋），如图2所示。在AutoCAD中可以将三者绘制在不同的图层上，赋予各自的颜色，通过图层开关和颜色来进行标识和编辑。ANSYS限制cell数目不得超过8000个，否则不能求解。因此，控制网格尺寸和 密度是创建面域时最为关键的一步。许多截面计算工具软件因为缺乏用户控制网格的工具，对复杂薄壁截面无能为力。 譬如Fl

9、exPDE ,它通过求解偏微分方程， 反复加密网格, 循环计算，直到精度满足要求。但对于复杂薄壁截面，这种循环求解会导致内存溢出。如图3所示，在U肋（T肋）处，需要将薄壁与肋板对应的线段断开，形成线条一 一对应的关系。这样， ANSYS通过拓扑关系能自动识别这种对应关系，并生成自由四 边形2004 ANSYS中国用户论文集2004 ANSYS中国用户论文集图2薄壁截面的拓扑关系网格。为保持四边形网格的长宽比协调,图3局部位置的网格划分 对其它线段也需要作人工剖分，长宽比不宜大于6。实际薄壁截面的 U肋（T肋）通常等间距布置，绘图时，可以生成一个标准段, 然后阵列复制。在 AutoCAD中可以用

10、Pedit/Joint命令将多段线连成一条多义线（Polyline ），节点保持不变，再定义成面域（Region ）。线条绘制后可以直接形成面域（Region），也可导入 ANSYS后再生成面（Area）。本文推荐后者，AutoCAD对面域的生成要求很严格，点与点若不完全重合就不行，而在ANSYS中可以设置点的容差，先融合（Merge）点再生成面（Area）。2.2 导入 ANSYS对于面域、实体模型，可以在AutoCAD中保存为ACIS （*. sat）文件，用FileImportSat方式导入ANSYS，转换方便，图形不会变形失真，缺点是只能转化面域、实体。 AutoCAD R12自带有I

11、ges格式文件转换工具，但 R14以上版本中取消了这一功能，可 以安装一个插件Iges14，将线存成Iges格式文件；也可将其存成 Dxf文件，导入Algor、Staad、SAP2000等第三方软件中转换为Iges文件，再导入 ANSYS。在模型导入 ANSYS时建议将参数设成不融合点、不删除小面、不变形，因为薄壁截面的壁厚与外部尺寸相 差太大，不容许稍许变形，正确的做法是人工设置容差，融合重复的点线。为避免误操 作，建议分片操作和检验。为了便于标识和操作，建议将外框线、内框线和U肋（T肋）存成各自独立的交换文件，分开导入ANSYS中。在AutoCAD中不宜进行布尔运算（Boolean Ope

12、ration）的减（Subtract）操作，避免文件转换时图形畸变失真。2.3自定义截面若将外框线、内框线和U肋（T肋）围成的面分别称为 Areal、Area2和Area3,在ANSYS中进行布尔运算 Areal Area2 Area3 = AreaO, AreaO即是我们所分析的复 杂薄壁截面，可以为多个。赋予面AreaO的单元属性，包括单元类型 PLANE82或MESH200、材料性质等内容。在Preprocessor MeshTo内设置网格尺寸，首先对线划分，因为在 AutoCAD中已经人工分段，ANSYS中只需要将每条线一、二等分， 不宜过多，否则容易导致网格划分失败；其次对面设置单元

13、尺寸，应远大于线段的长度，这样每一小片区域只生成一个cell，与线段一一对应。在MeshTool中设置线、面的网格划分，然后转入PreprocessorSections中创建用户自定义截面。若要预览网格划分的效果，可以预先分网一遍，观察效果，再清除 之。选择菜单 PreprocessorSectionsBeam Custom Sectns Write From Areas 或命令 SECWRITE，拾起面域，ANSYS自动生成若干个cell，并评估网格质量并优化尺寸。若操作成功，ANSYS生成一个后缀*.sect的截面文件，即用户自定义截面。若未设置网 格尺寸或尺寸过小，ANSYS反复优化网格

14、，可能失败。区格Cells过多，同样不能生成 *.sect 文件。截面文件*.sect生成后，存放在用户截面库中，可以调入（命令SECREAD ） ANSYS中同普通梁截面一样使用；可以图形显示截面网格；可以列表显示截面几何特性；甚至可以重新编辑，允许修改每个cell的尺寸和材料属性。*.sect文件是截面库文件，可以被其它模型调用。截面文件（*.sect）得到的几何特性可以作为实常数赋给所有类型的 梁单元。BEAM188等单元能自定义截面，可以直接调用先前定义的截面文件，也可以将 内力结果转换成截面的应力分布，实现用梁单元得到截面应力真实分布的效果。3 开闭口薄壁截面按照上节的实施步骤，我们

15、尝试对开闭口、多箱室等复杂薄壁截面计算几何特性。 杭州湾跨海大桥包含主跨 448米的钻石型双塔斜拉桥和主跨318米的A字型独塔斜拉桥两座，主梁均采用流线型闭口钢箱梁。图4是ANSYS计算得到的截面几何特性。宁波市甬江庆丰大桥是一座简支单跨280m双塔双主缆地锚式悬索桥，方案设计阶段加劲梁选用开闭口混合截面，内壁设置了许多U形和T形加劲肋，截面特性如图5所示。南京长江三桥的中上塔柱选用了带T形肋的薄壁箱型肋条式断面，截面特性结果见图6。多箱室断面常用于混凝土主梁和塔墩柱，单室箱或分离式多箱室，腹壁相对较厚，可看作复杂薄壁截面的一种特例，网格划分更加自由简单，许多软件都能计算，图7给了在ANSYS

16、得到的截面特性结果。实际横截面图4闭口钢箱形截面图5 开闭口混合截面丿1 1 11 1nJ 1L-U-k-+-TIII1 1 1T卜，|1 L1 1 ZUH M* -a*Trt-i3PM mMi图7多箱室截面4 分离式薄壁截面ANSYS可以将多个面域定义成一个截面文件，操作时完成一个面域的所有工作， 复制、镜像生成其它面域， 再定义成截面文件。 西堠门大桥是浙江省舟山大陆连岛工程 中的一座特大型悬索桥， 主跨1600m。为了改善加劲梁断面的气动性能，设计成分离式钢箱梁断面（图8）,中间开槽6m。借助ANSYS，我们成功求出截面的几何特性，为 动力有限元模型提供数据。h.l J , diUtil

17、* 1 Irqr-jbah* .MY-11PM* LW.VITMil 10中hnia!a+ HLE-UIMHeI r. tf a in-.OO-U aJi41i IH呷i-l-fifrl-13已划分网格、复合材料截面未划分网格、钢混组合结构i MJia-i IT* - 9Au CtadAI f - jtt-t1 WOJ KI TT ortrf?4 *mi tei - IIt nMH/n- WLH5 组合截面ANSYS可以对不同面域赋予不同的材料属性，甚至每个cell的材料属性都可以不同。利用这一功能，我们可以求解组合材料截面的几何特性。首先定义需要的材料，赋 予面的单元属性时，对每个面域分别赋

18、予材料性质，其它步骤同上。广东珠江丫髻沙大桥是一座中承式拱桥，每片拱肋由6750mm钢管混凝土结构组成，由横向平联板、腹杆连接成稳定的空间桁架结构。上面三根钢管通过横向平联板形成共同受力的肋板式结构，下面同此。它的有限元模型通常简化为上下两根梁通过腹杆 连接的平面桁架。利用 ANSYS，我们计算了这种肋板式梁的截面特性。图9显示了截面的形心和剪切中心坐标，其它结果为弹性参数，ANSYS在调用该截面时，自动计入。6 结语薄壁杆件复杂截面几何特性的计算是个难点，利用ANSYS中用户自定义截面的功能，可以较轻松地完成该项工作，易于掌握。综上所述，实施要点如下：将薄壁截面视 为外框线、内框线和 U肋（T肋）线三部分组成，借助 AutoCAD的图层和颜色分开处 理，存成独立的交换文件，依次导入ANSYS ;薄壁与U肋（T肋）对应的位置，线条断开，形成线段一一对应的关系，其它位置的线也要作人工剖分；在ANSY