基于 Ansys 的钢桁架桥静力和模态分析

1、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4

2、004001616上下弦2工字形4004001212横向连接梁2工字形4004001212其他腹杆3工字形4003001212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EX 2.11011 3.51010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Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete,弹出“Element Types”选择“Structural Beam3D elastic4”,单击“Ok”,定义“BEAM4”单元,如图6-17。继续单击“Add”按钮,选择“Stru

3、ctural ShellElastic4node63”,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Main MenuPreprocessorSections BeamCommon Sections,弹出“Beam Tool”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Main MenuP

4、reprocessorReal ConstantsAdd/Edit/Delete,弹出“Real Constants”对话框,单击“Add”按钮,在:“Element Type for R”对话框中选择“Type1BEAM4”,在“Real Constants Set Number1,”对话框中,如图6-22填写。继续单击“Add”设置2号实常数,在Element Type for R对话框中选择“Type2BEAM4”,在“Real Constants Set Number2,”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

5、3号实常数,在Element Type for R对话框中选择“Type1BEAM4”,在“Real Constants Set Number3,”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Element Type for R对话框中选择“Type2SHELL63”,在“Real Constants Set Number3,”对话框中,“TK(I”项中填写“0.3”,其他项不写。单击“Close”关闭“Real Constants”对话框。 图5定义壳单元实常数2.4定义材料属性1 Main MenuPrep

6、rocessorMaterial PropsMaterial Models,弹出“Define Material Model Behavior”对话框,在右边的栏中连续双击“StructuralLinearElasticIsotropic”后,弹出“Linear Isotropic Properties for Material Number1”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“Define Material Model Behavior”对话框,双击“Stru

7、cturalDensity”,弹出“Density for Material Number1”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。“Define Material Model Behavior”对话框的Material菜单中选择“New model”,按照默认的材料编号,点击“OK”。这时“Define Material Model Behavior”对话框左边出现“Material Model Number2”,同第一种材料的设置方法一样,“Linear Isotropic”中“EX”输入“3

8、.5e10”,“PRXY”输入“0.1667”,“DENS”输入“2500”,单击“OK”结束。如图7。最后关闭“Define Material Model Behavior”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:Utility MenuModelingCreateNodesIn Active CS,弹出“Create Nodes in Active CS”对话框,在“X,Y,Z”输入行输入:“0,0,-5”,单击“OK”。然后Utility MenuModelingCopyNodesCopy,通过“Copy nodes”复制节点,生成半跨桥节点,如图8。

9、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:Utility MenuModelingCreateElementsElem Attributes,弹出“Element Attributes”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:Utility MenuModelingCreateElementsElem Attributes,弹出“Element Attributes”对话框,“TYPE”项选择“2SHELL63”,“MAT”项选择“2”,“SECNUM”项中选择“

10、No Section”,“TSHAP”项选择“4node quad”,其他选项不变。单击“OK”关闭窗口。建立桥面板单元:Utility MenuModelingCreateElementsAuto NumberedThru Nodes,弹出“Elem from Nodes”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1 2.5.3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

11、: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。Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructural Force/MomentOn Nodes,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“Apply F/M Nodes”对话框,“Lab”项选择“FY”,“VALUE”项填写“-1

12、00000”。2.6.3施加重力:Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralInertiaGravityGlobal,弹出“Apply Acceleration”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:Main MenuSolutionSolveCurrent LS,弹出一个名为“/STATUS Command”的文本框,检查无误后,单击“Close”。在弹出的另一个“Solve Current Load Step”对话框中单击“OK”。求解结束后,关闭“

13、Solution is done”对话框。5查看计算结果1查看结构变形图:GUI:Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsDeformed Shape,结果显示如图13。 图13结构变形结果2云图显示位移:Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsContour PlotNodal Solu,选择“Nodal Solution-DOF Solution-”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

14、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:Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsVector PlotPredefined,弹出一个“Vector Plot of Predefined Vectors”矢量画图对话框,在“PLVECT”项中选取“DOF solution”和“Translation U”,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:Main MenuGeneral PostprocElement TableDefine Table,弹出一个“Element Table Dat

15、a”对话框,单击“Add”,弹出“Define Additional Element Table Items”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“By sequence num”,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

16、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“Element Table Data”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

17、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Main MenuGeneral PostprocElement TableList Elem Table,弹出一个“List Element Table Data”对话框,选择刚才定义的内力名称“ZHOU_I,ZHOU_J,JIAN_I,JIAN_J,WAN_I,WAN_J”,单击“OK”,弹出文本列表

18、“PRETAB Command”,显示了每个单元的节点内力。如图18。 图18单元表数据1 图19轴力图显示线单元结果Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsContour PlotLine Elem Res,弹出“Plot Line-Element Results”对话框,“LabI、LabJ”项分别选择“ZHOU_I”和“ZHOU_J”,“Fact”项设置显示比例(默认值是1,“KUND”项选择是否显示变形。单击“OK”。显示轴力图,如图19。重新执行显示线单元结果操作,“LabI、LabJ”项分别选择“JIAN_I”和“JIAN_J”,显示剪力图。重新执

19、行显示线单元结果操作,“LabI、LabJ”项分别选择“WAN_I”和“WAN_J”,显示剪力图。由于本算例中的结构属于桁架杆系结构,杆件的剪力与弯矩很小,结果不做重点考虑。6模态分析建模过程相同,施加的位移约束相同,但是不需要施加荷载(除了零位移约束之外的其他类型的的荷载力、压力、加速度等可以在模态分析中指定,但是在模态提取时将被忽略。下面进行模态求解。6.1求解1选择分析类型:Model。2设置分析选项:Main MenuSolutionAnalysis TypeAnalysis Option,弹出“Model Analysis”对话框,。接着弹出“Subspace Modal Analy

20、sis”对话框,在“FREQE”项中填写“100”。3开始求解:SolveCurrent LS,弹出一个名为“/STATUS Command”的文本框,检查无误后,单击“Close”。在弹出的另一个“Solve Current Load Step”对话框,单击“OK”开始求解。求解结束后,关闭“Solution is done”对话框。6.2查看结算结果显示各阶频率振型图:1读取荷载步Main MenuGeneral PostprocRead ResultsFirst Set,菜单中First Set(第一步、Next Set(下一步、Previous Set(前一步、Last Set(最后一

21、步、By Pick(任意选择步数等,可以任意选择读取荷载步,每一步代表一阶模态。2显示振型图每次读取一阶模态之后,就可以显示该阶振型。GUI:Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsContour PlotNodal Solu,选择“Nodal Solution-DOF Solution-Displacement vector sum”,就可以显示振型图。下图依次为前6阶模态的振型图。1 图20第一阶振型 图21第二阶振型 图22第三阶振型 图23第四阶振型1 图24第五阶振型 图25第六阶振型7命令流实现/TITLE,Truss Bridge Static

22、Analysis!*指定标题*/COM,Structural!*选择分析类型为结构分析* /PREP7!*进入前处理器*ET,1,BEAM4!*定义1号单元类型*ET,2,SHELL63!*定义2号单元类型*SECTYPE,1,BEAM,I,duan,0!*定义1号工字形截面* SECOFFSET,CENT!*截面质心不偏移*SECDATA,0.4,0.4,0.4,0.016,0.016,0.016,0,0,0,0!*1号截面参数*SECTYPE,2,BEAM,I,XIANHENG,0!*定义2号工字形截面*SECOFFSET,CENT!*截面质心不偏移*SECDATA,0.4,0.4,0.4

23、,0.012,0.012,0.012,0,0,0,0!*2号截面参数*SECTYPE,3,BEAM,I,FU,0!*定义3号工字形截面* SECOFFSET,CENT!*截面质心不偏移*SECDATA,0.3,0.3,0.4,0.012,0.012,0.012,0,0,0,0!*3号截面参数*R,1,0.0187,0.17e-3,0.54e-3,0.4,0.4,0,!*设置1号实常数*R,2,0.0141,0.128e-3,0.415e-3,0.4,0.4,0,!*设置2号实常数*R,3,0.0117,0.541e-4,0.324e-3,0.3,0.4,0,!*设置3号实常数*R,4,0.3,

24、!*设置4号实常数*MP,EX,1,2.1E11!*定义1号材料弹性模量* MP,PRXY,1,0.3!*定义1号材料泊松比*MP,DENS,1,7850!*定义1号材料密度*MP,EX,2,3.5E10!*定义2号材料弹性模量* MP,PRXY,2,0.1667!*定义2号材料泊松比*MP,DENS,2,2500!*定义2号材料密度*N,0,0,-5,!*建立节点*NGEN,4,4,ALL,12,1,!*复制节点*NGEN,2,1,ALL,10,1,!*复制节点*NGEN,2,1,2,10,4,16,1,!*复制节点*1 NGEN,2,1,3,11,4,-10,1,!*复制节点*TYPE,1

25、!*选择1号单元类型*MAT,1!*选择1号材料*REAL,1!*选择1号实常数*ESYS,0!*单元坐标系*SECNUM,1!*选择1号截面*TSHAP,LINE!*选择线形单元*E,11,14!*建立单元*E,12,13!*建立单元*TYPE,1!*选择1号单元类型*MAT,1!*选择1号材料*REAL,2!*选择2号实常数*ESYS,0!*单元坐标系*SECNUM,2!*选择2号截面*TSHAP,LINE!*选择线形单元*E,2,6!*建立单元*E,6,10E,10,14E,1,5E,5,9E,9,13E,3,7E,7,11E,4,8E,8,12E,1,2E,3,4E,5,6E,7,8E

26、,9,10E,11,12E,13,14TYPE,1!*选择1号单元类型*MAT,1!*选择1号材料*REAL,3!*选择3号实常数*ESYS,0!*单元坐标系*SECNUM,3!*选择3号截面*TSHAP,LINE!*选择线形单元*E,3,6!*建立单元*E,6,11E,4,5E,5,12E,2,3E,1,4E,6,7E,5,8E,10,11E,9,12TYPE,2!*选择2号单元类型*MAT,2!*选择2号材料*REAL,4!*选择4号实常数*ESYS,0!*单元坐标系*TSHAP,QUAD!*选择四边形单元*E,1,2,6,5!*建立单元*E,5,6,10,9E,9,10,14,13NSY

27、M,X,14,ALL!*所有节点以y0z平面对称* ESYM,14,ALL!*所有单元以y0z平面对称* NUMMRG,ALL,LOW!*合并重复节点单元,编号取较小者*1 NUMCMP,ALL!*压缩节点单元等编号* FINISH!*结束前处理器*/SOL!*进入求解器*NSEL,S,23,24!*选择节点*D,ALL,0,UX,UY,UZ,!*约束3个自由度*NSEL,S,13,14!*选择节点*D,ALL,0,UY,UZ,!*约束两个自由度*NSEL,S,1,2!*选择节点*F,ALL,FY,-10000!*施加竖向集中力荷载* ALLSEL,ALL!*选择所有项目*ACEL,0,10,

28、0,!*施加重力*ANTYPE,0!*选择分析类型,静力分析* SOLVE!*开始求解*FINISH!*结束求解器*/POST1!*进入普通后处理器* PLDISP,2!*显示结构变形图* PLNSOL,U,SUM,0,1.0!*显示总位移云图* PLVECT,U,VECT,ELEM,ON,0!*显示节点总位移矢量图*ETABLE,ZHOU_I,SMISC,1!*定义单元表,轴力* ETABLE,ZHOU_J,SMISC,7!*定义单元表,轴力* ETABLE,JIAN_I,SMISC,2!*定义单元表,剪力* ETABLE,JIAN_J,SMISC,8!*定义单元表,剪力* ETABLE,W

29、AN_I,SMISC,6!*定义单元表,弯矩* ETABLE,WAN_J,SMISC,12!*定义单元表,弯矩* PRETAB,ZHOU_I,ZHOU_J,JIAN_I,JIAN_J,WAN_I,WAN_J!*列表显示单元结果表* PLLS,ZHOU_I,ZHOU_J,1,0!*显示轴力图*PLLS,JIAN_I,JIAN_J,1,0!*显示剪力图*PLLS,WAN_I,WAN_J,1,0!*显示弯矩图*PRNSOL,U,COMP!*列表显示节点位移*FINISH!*结束后处理器*!/EXIT,ALL!*退出AVSYS并保存所有信息*/TITLE,Truss Bridge Static Ana

30、lysis!*指定标题*/COM,Structural!*选择分析类型为结构分析*/PREP7!*进入前处理器*ET,1,BEAM4!*定义1号单元类型*ET,2,SHELL63!*定义2号单元类型* SECTYPE,1,BEAM,I,duan,0!*定义1号工字形截面* SECOFFSET,CENT!*截面质心不偏移* SECDATA,0.4,0.4,0.4,0.016,0.016,0.016,0,0,0,0!*1号截面参数*SECTYPE,2,BEAM,I,XIANHENG,0!*定义2号工字形截面* SECOFFSET,CENT!*截面质心不偏移* SECDATA,0.4,0.4,0.4

31、,0.012,0.012,0.012,0,0,0,0!*2号截面参数*SECTYPE,3,BEAM,I,FU,0!*定义3号工字形截面* SECOFFSET,CENT!*截面质心不偏移* SECDATA,0.3,0.3,0.4,0.012,0.012,0.012,0,0,0,0!*3号截面参数*R,1,0.0187,0.17e-3,0.54e-3,0.4,0.4,0,!*设置1号实常数*R,2,0.0141,0.128e-3,0.415e-3,0.4,0.4,0,!*设置2号实常数*R,3,0.0117,0.541e-4,0.324e-3,0.3,0.4,0,!*设置3号实常数*R,4,0.3

32、,!*设置4号实常数*MP,EX,1,2.1E11!*定义1号材料弹性模量*MP,PRXY,1,0.3!*定义1号材料泊松比*MP,DENS,1,7850!*定义1号材料密度*MP,EX,2,3.5E10!*定义2号材料弹性模量*MP,PRXY,2,0.1667!*定义2号材料泊松比*MP,DENS,2,2500!*定义2号材料密度*1N,0,0,-5,!*建立节点*NGEN,4,4,ALL,12,1,!*复制节点*NGEN,2,1,ALL,10,1,!*复制节点*NGEN,2,1,2,10,4,16,1,!*复制节点*NGEN,2,1,3,11,4,-10,1,!*复制节点*TYPE,1!*选择1号单元类型*MAT,1!*选择1号材料*REAL,1!*选择1号实常数*ESYS,0!*单元坐标系*SECNUM,1!*选择1号截面*TSHAP,LINE!*选择线形单元*E,11,14!*建立单元*E,12,13!*建立单元*TYPE,1!*选择1号单元类型*MAT,1!*选择1号材料*REAL,2!*选择2号实常数*ESYS,0!*单元坐标系*SECNUM,2!*选择2号截面*TSHAP,LINE!*选择线形单元*E,2,6!*建立