基于ANSYS的桥梁有限元分析

1、基于ANSYS的桥梁有限元分析摘要：本文中采用有限元分析法，在大型有限元分析软件ANSYS平台上分析桥梁工程结构，很好地模拟桥梁的受力、应力情况等。在静力分析中，通过加载各种载荷，得出其位移、应力等云图，找出桥梁的危险区域。关键词：有限元分析；桥梁；静力分析；桁架。Abstract: The finite element analysis method is adopted in this paper. At this platform of the large finite element analysis software ANSYS, the analysis of structure

2、in bridge project can simulate well stress, stress conditions, etc of bridge. In static analysis, we can find the danger zone of the bridge with the displacement and stress nephogram obtained through the load of all kinds of load.Key Words: finite element analysis; bridge; static analysis; truss.1.引

3、言桁架常用来增加结构的强度，许多人都熟悉用于桥梁非常精巧的叉支撑系统。桁架撑杆增强吊桥塔使其不致失稳的作用是不易被忽视的，但在大部分这类桥梁上，垂直的桁架缀板对桥面抗弯曲和扭转变形能力的增强作用，却不是每个人都会注意到的。被昵称为“飞驰的格蒂（Galloping Gertie）”的桥梁在风中的快速倒塌，是对振动中桥梁的倒塌很好的一个案例。因为桥梁的刚度不够，忽略了桁架在桥梁设计中的重要作用。桁架桥指的是以桁架作为上部结构主要承重构件的桥梁。结构本身受力明确、易于分析，对于土质较差地区的地基的要求也不是十分苛刻等诸多优点。对静力分析进行研究，通过ANSYS软件的模拟，可以得到一些受力情况。2.

4、ANSYS的特点这里要介绍一下特点。作为功能强大，应用广泛的有限元分析软件，它有以下的特点：（1）数据统一：ANSYS使用统一的数据库来存储几何模型、有限元模型、材料参数、外载及结果数据，从而保证了前后处理、分析求解及多场耦合分析的数据统一。（2）强大的求解功能：ANSYS提供了多种求解器，用户可以根据具体的分析问题选择合适的求解器。（3）强大的非线性分析功能：ANSYS具有强大的非线性分析功能，可进行几何非线性、材料非线性及接触非线性分析等。（4）多种网格划分方式：ANSYS提供了Free网格划分、Map网格划分、Sweep网格划分等多种网格划分方式，可根据模型的特点选择合适的网格划分方式。

5、（5）独特的优化功能：ANSYS利用ANSYS的优化设计模块，对结构的拓扑、外貌、材料进行优化，确定最优的设计方案。（6）多场耦合功能：ANSYS可以实现多场的耦合分析，研究各物理场间的相互影响。（7）友好的程序接口：ANSYS提供了与主流CAD软件及其他有限元分析软件的接口程序，可实现数据的导入和导出，如Pro/Engineer、NASTRAN、UniGraphics、I-DEAS、AutoCAD、SolidWorks等。（8）良好的用户开发环境：ANSYS提供了便利的二次开发平台，用户可以利用APDL、UIDL和UPFS等对其进行二次开发。3. 钢桁架桥梁结构的ANSYS分析3.1问题描述

6、先介绍一下要模拟的问题。自选结构，尺寸等等。例如：已知下承式简支钢桁架桥长72米，每个节段为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，见表3-1。见图图3-1钢桁架桥简图杆件 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 3 工字形400×400×12×12 其他腹杆 4 工字形400×300×12×12表3-1 钢桁架桥杆件规格所用材料属性如表3-2所示参数

7、钢材混凝土弹性模量EX（Pa）2.1×103.5×10泊松比PRXY 0.3 0.1667密度DENS(kg/m3) 7850 2500表3-2 材料属性3.2模型建立在有限元分析过程中，对于不同的问题，需要应用不同特性的单元，同时每一种单元也是专门为有限元问题而设计的。因此，在进行有限元分析之前，选择和定义适合的单元类型是非常必要的。单元选择不当，直接影响到计算能否进行和结果的精度。在桥梁结构模拟分析中，最常用的是梁单元和壳单元、杆单元，所以选择“BEAM4”和“SHELL63”这两种单元。定义截面：图3-2 三种截面图及截面特性建立有限元模型1 生成半跨桥的节点图3-3

8、 半桥模型的节点2 生成半跨桥单元（1）选择第一种单元属性，建立端斜杆梁单元。 图3-4 建立端斜杆梁单元 （2）选择第二种单元属性，建立上下弦杆和横梁杆梁单元。图3-5 建立上下弦杆和横梁杆梁单元（3）选择第三种单元属性，建立上下弦杆和横梁杆梁单元。图3-6 建立上下弦杆和横梁杆梁单元（4）选择第四种单元属性，建立桥面板单元。图3-7 半桥单元3生成全桥有限元模型。先生成对称节点，再生成对称单元，得到全桥单元。 图3-8 全桥单元 3 合并重合节点、单元。施加边界条件和荷载（1） 施加位移约束假定梁左端为固定支座，右边为滑动支座。图3-9 施加位移约束后的模型（2）在跨中两点处施加集中力荷载

9、。（3）施加重力。图3-10 施加所有荷载后的模型静力分析的计算结果1查看结构变形图变形最大区域图3-11 结构变形结果2云图显示位移图3-12 总位移云图显示从加载后的图3-11结构变形图和图3-12各节点总体位移结果云图中可以出，在载荷作用下桁架桥中间位置的桥面板向下发生弯曲变形最为明显而两侧的端斜腹梁的变形最小，载荷引起的位移最大在桥中央位置，随跨中向两侧递减。3矢量显示节点位移位移最大区域图3-13 节点位移矢量显示由节点位移矢量图可知，节点位移由中间向两边递减。 4显示结构内力图图3-14 剪力图弯矩最大处弯矩最大处 图3-15 弯矩图 由于在本例中的桥梁结构属于桁架杆系结构，而杆件

10、的剪力和弯矩都很小，所以在分析结果中不做重点考虑。轴力最小处轴力最大处图3-16 轴力图总结本文采用有限元分析法，在大型通用有限元分析软件ANSYS平台上，对钢桁架桥梁结构进行了静力分析。在静力分析中，给桁架桥的有限元模型施加了位移约束，并施加了集中力和重力，然后求解得到桥梁结构变形图、总位移云图、节点位移矢量显示图和轴力、剪力、弯矩图，通过对各图的分析，我们得到桥梁的中间位置为它的危险区域。因此，在桥梁设计建设中，中间位置应该得到更多地考虑。在模拟过程中，遇到很多问题，看了不少教程，可以说，是不断写入和模拟别人的代码，才可以得到的。所以，桥梁的这一部分就这样了。存在的不足：由于时间关系，对于有限元法和ANSYS软件的学习不是很到位，除文中所用到的，ANSYS其他功能如非线性结构分析、热力学分析等都没有进行研究。并且，涉及到模态分析和优化的部分，却没有时间模拟了。这是能够解决实际问题的有效手段，希望，后面有时间可以解除到。总的说来，需要多练习，不然，就会做不出来。参考文献1 张亚欧，谷志飞，宋勇.ANSYS有限元分析实用教程M.北京：清华大学出版社，2004：151-1742 张朝晖，李树奎.ANSYS有限元分析理论与工程应用M.北京：电子工业出