连续刚构桥固支梁受集中载荷工况的有限元分析

连续刚构桥固支梁受集中载荷工况的有限元分析

梁结构是设计中最常见的结构，尤其是在道路桥梁和建筑设计中。随着材料科学和桥梁施工工艺的发展,现代桥梁结构向大跨径、轻型化和柔性化方向发展,这就对桥梁的结构设计提出了更高的要求,需要对桥梁结构的各种力学性能进行计算与分析,如静力特性、强度、刚度与变形等。随着计算机技术和计算方法的发展,用数值分析的方法进行此类问题的计算,可以节省大量的时间。目前最为有效的数值方法是有限元法。ANSYS是大型通用有限元软件,被广泛地应用于房屋、桥梁、大坝、隧道以及地下建筑物等工程,它具有强大的前后处理及计算分析能力。文中运用ANSYS10.0对固支梁受集中载荷工况时进行有限元分析,得到了固支梁在受到集中载荷时,梁的变形情况及应力分布。在分析过程中,比较相同截面面积,不同截面形状的梁在受到相同载荷时的强度和刚度变化。在对梁结构设计的过程中,如何在满足使用要求的情况下,使得梁的体积最小、材料最省和最有重要的经济意义。1有限模型1.1截面积、梁长度分析模型中悬臂梁两端固支,梁中间受竖向集中载荷作用,其示意图如图1所示,集中截荷大小为500N,梁长度为2m。梁的截面积为1225mm2。在分析过程中,比较矩形截面梁与工字形截面梁受集中力作用下的变形量。其中矩形截面梁的截面尺寸由宽高比决定,工字形截面梁的几何形状如图2所示,具体参数见表1。1.2维单元结构在此次分析过程中,单元类型选用solid45实体单元。solid45单元用于构造三维实体结构,单元通过8个节点来定义,每个节点有3个沿着X、Y、Z方向平移的自由度。此单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力强化、大变形和大应变能力,适合此次分析。对于材料模型,梁单元采用线弹性结构材料模型,其模型参数见表2。2关于有限分析和结果讨论2.1有限元网格划分此次分析,矩形截面梁的宽为40mm,高为30.625mm,即宽高约比为4∶3。有限元网格的大小直接影响了计算结果的精度。从理论上来说,网格划分得越密,越符合实际,计算精度越高,结果越可靠。但是网格划分过密,不可避免地增加了运算量,增加了运算时间。为了综合考虑计算精度和计算时间,在分析时,在梁的的横截面划分为48个单元,长度方向划分为100个单元。分析模型中共有4800个单元,节点数为6363个。图3为梁端面的网格图,图4为有限元离散后梁的局部放大图。2.1.1集中力消除后变形的过程在梁的中间施加500N的集中载荷后,梁的变形过程及最终变形情况如图5所示。由分析结果可以看出,施加集中力后,梁开始发生缓慢变形,集中力处开始向下凸,随着时间变化,变形从中间向两端传递。当分析终了时,梁竖直方向上的变形量从中间向两端递减,最大变形量出现在中间集中载荷处,最大变形为9.299mm。2.1.2梁的中性面及其受拉方向图6显示了集中力作用过程后,梁的X方向(长度方向)应力情况。图6(a)为轴侧图,图6(b)为俯视图,图6(c)为仰视图。由图6中可以看出,X方向上最大拉应力出现在梁的上表面的梁端和下表面的中间。X方向上最大压应力出现在梁的上表面的中间集中载荷处和下表面的梁端。这与假设情况相符,即在变形过程中,梁的中性面以上受压,中性面以下受拉。由分析得到的最大拉应力和最大压应力的绝对值均为186MPa。2.1.3对比分析结果当梁的横截面积不变,而宽高比改变时,梁的变形过程及应力传播过程相似。只是梁竖直方向的最大变形量及应力不同。不同宽高比时所得到的分析结果见表3。由表3中对比结果可以得出,缩小宽高比,可以使梁在竖直方向上具有更好的刚度及强度。但是在优化过程中,也应该结合工程实际,考虑梁的侧向刚度和强度,选取最优比例。2.2截面梁变形情况分析图7是工字形截面梁的模型,图8是划分网格后的模型。长度方向划分为100份。此模型一共4800个单元,节点9898个。工字形截面梁在受到中间集中载荷后,变形情况与矩形截面梁相似,只是分析结果有差异。工字形截面梁在受集中载荷作用后的有限元分析结果,如图9所示。由分析结果可知,梁的变形呈反拱形,与实际情况符合。其竖直方向的变形位移量从两端向中间线性递增,在梁中间集中力处得到最大值。与矩形截面梁相比,工字形截面梁的竖直方向上的变形量更小,只有0.0778mm,沿长度方向上的应力更小,最大拉应力出现在底面中间,大小为6.06MPa。最大压应力出现在上表面施加集中载荷处,大小为10.5MPa。3截面梁与矩形截面梁的对比通过文中分析结果,可以得出结论:线