基于ANSYS的橋梁有限元分析摘要本文中采用有限元分析法，在大型有限元分析軟件ANSYS平臺(tái)上分析橋梁工程結(jié)構(gòu)，很好地模擬橋梁的受力、應(yīng)力情況等。在靜力分析中，通過(guò)加載各種載荷，得出其位移、應(yīng)力等云圖，找出橋梁的危險(xiǎn)區(qū)域。關(guān)鍵詞有限元分析；橋梁；靜力分析；桁架。ABSTRACTTHEFINITEELEMENTANALYSISMETHODISADOPTEDINTHISPAPERATTHISPLATFORMOFTHELARGEFINITEELEMENTANALYSISSOFTWAREANSYS,THEANALYSISOFSTRUCTUREINBRIDGEPROJECTCANSIMULATEWELLSTRESS,STRESSCONDITIONS,ETCOFBRIDGEINSTATICANALYSIS,WECANFINDTHEDANGERZONEOFTHEBRIDGEWITHTHEDISPLACEMENTANDSTRESSNEPHOGRAMOBTAINEDTHROUGHTHELOADOFALLKINDSOFLOADKEYWORDSFINITEELEMENTANALYSISBRIDGESTATICANALYSISTRUSS1引言桁架常用來(lái)增加結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，許多人都熟悉用于橋梁非常精巧的叉支撐系統(tǒng)。桁架撐桿增強(qiáng)吊橋塔使其不致失穩(wěn)的作用是不易被忽視的，但在大部分這類(lèi)橋梁上，垂直的桁架綴板對(duì)橋面抗彎曲和扭轉(zhuǎn)變形能力的增強(qiáng)作用，卻不是每個(gè)人都會(huì)注意到的。被昵稱(chēng)為“飛馳的格蒂（GALLOPINGGERTIE）”的橋梁在風(fēng)中的快速倒塌，是對(duì)振動(dòng)中橋梁的倒塌很好的一個(gè)案例。因?yàn)闃蛄旱膭偠炔粔?，忽略了桁架在橋梁設(shè)計(jì)中的重要作用。桁架橋指的是以桁架作為上部結(jié)構(gòu)主要承重構(gòu)件的橋梁。結(jié)構(gòu)本身受力明確、易于分析，對(duì)于土質(zhì)較差地區(qū)的地基的要求也不是十分苛刻等諸多優(yōu)點(diǎn)。對(duì)靜力分析進(jìn)行研究，通過(guò)ANSYS軟件的模擬，可以得到一些受力情況。2ANSYS的特點(diǎn)這里要介紹一下特點(diǎn)。作為功能強(qiáng)大，應(yīng)用廣泛的有限元分析軟件，它有以下的特點(diǎn)（1）數(shù)據(jù)統(tǒng)一ANSYS使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)幾何模型、有限元模型、材料參數(shù)、外載及結(jié)果數(shù)據(jù)，從而保證了前后處理、分析求解及多場(chǎng)耦合分析的數(shù)據(jù)統(tǒng)一。（2）強(qiáng)大的求解功能ANSYS提供了多種求解器，用戶(hù)可以根據(jù)具體的分析問(wèn)題選擇合適的求解器。（3）強(qiáng)大的非線性分析功能ANSYS具有強(qiáng)大的非線性分析功能，可進(jìn)行幾何非線性、材料非線性及接觸非線性分析等。（4）多種網(wǎng)格劃分方式ANSYS提供了FREE網(wǎng)格劃分、MAP網(wǎng)格劃分、SWEEP網(wǎng)格劃分等多種網(wǎng)格劃分方式，可根據(jù)模型的特點(diǎn)選擇合適的網(wǎng)格劃分方式。（5）獨(dú)特的優(yōu)化功能ANSYS利用ANSYS的優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，對(duì)結(jié)構(gòu)的拓?fù)?、外貌、材料進(jìn)行優(yōu)化，確定最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。（6）多場(chǎng)耦合功能ANSYS可以實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)的耦合分析，研究各物理場(chǎng)間的相互影響。（7）友好的程序接口ANSYS提供了與主流CAD軟件及其他有限元分析軟件的接口程序，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和導(dǎo)出，如PRO/ENGINEER、NASTRAN、UNIGRAPHICS、IDEAS、AUTOCAD、SOLIDWORKS等。（8）良好的用戶(hù)開(kāi)發(fā)環(huán)境ANSYS提供了便利的二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)，用戶(hù)可以利用APDL、UIDL和UPFS等對(duì)其進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。3鋼桁架橋梁結(jié)構(gòu)的ANSYS分析31問(wèn)題描述先介紹一下要模擬的問(wèn)題。自選結(jié)構(gòu)，尺寸等等。例如已知下承式簡(jiǎn)支鋼桁架橋長(zhǎng)72米，每個(gè)節(jié)段為12米，橋?qū)?0米，高16米。設(shè)橋面板為03米厚的混凝土板。桁架桿件規(guī)格有三種，見(jiàn)表31。見(jiàn)圖圖31鋼桁架橋簡(jiǎn)圖桿件截面號(hào)形狀規(guī)格端斜桿1工字形4004001616上下弦2工字形4004001212橫向連接梁3工字形4004001212其他腹桿4工字形4003001212表31鋼桁架橋桿件規(guī)格所用材料屬性如表32所示參數(shù)鋼材混凝土彈性模量EX（PA）21101351010泊松比PRXY0301667密度DENSKG/M378502500表32材料屬性32模型建立在有限元分析過(guò)程中，對(duì)于不同的問(wèn)題，需要應(yīng)用不同特性的單元，同時(shí)每一種單元也是專(zhuān)門(mén)為有限元問(wèn)題而設(shè)計(jì)的。因此，在進(jìn)行有限元分析之前，選擇和定義適合的單元類(lèi)型是非常必要的。單元選擇不當(dāng)，直接影響到計(jì)算能否進(jìn)行和結(jié)果的精度。在橋梁結(jié)構(gòu)模擬分析中，最常用的是梁?jiǎn)卧蜌卧?、桿單元，所以選擇“BEAM4”和“SHELL63”這兩種單元。定義截面圖32三種截面圖及截面特性建立有限元模型1生成半跨橋的節(jié)點(diǎn)圖33半橋模型的節(jié)點(diǎn)2生成半跨橋單元（1）選擇第一種單元屬性，建立端斜桿梁?jiǎn)卧?。圖34建立端斜桿梁?jiǎn)卧?）選擇第二種單元屬性，建立上下弦桿和橫梁桿梁?jiǎn)卧?。圖35建立上下弦桿和橫梁桿梁?jiǎn)卧?）選擇第三種單元屬性，建立上下弦桿和橫梁桿梁?jiǎn)卧D36建立上下弦桿和橫梁桿梁?jiǎn)卧?）選擇第四種單元屬性，建立橋面板單元。圖37半橋單元3生成全橋有限元模型。先生成對(duì)稱(chēng)節(jié)點(diǎn)，再生成對(duì)稱(chēng)單元，得到全橋單元。圖38全橋單元3合并重合節(jié)點(diǎn)、單元。施加邊界條件和荷載（1）施加位移約束假定梁左端為固定支座，右邊為滑動(dòng)支座。圖39施加位移約束后的模型（2）在跨中兩點(diǎn)處施加集中力荷載。（3）施加重力。圖310施加所有荷載后的模型靜力分析的計(jì)算結(jié)果1查看結(jié)構(gòu)變形圖圖311結(jié)構(gòu)變形結(jié)果2云圖顯示位移圖312總位移云圖顯示從加載后的圖311結(jié)構(gòu)變形圖和圖312各節(jié)點(diǎn)總體位移結(jié)果云圖中可以出，在載荷作用下桁架橋中間位置的橋面板向下發(fā)生彎曲變形最為明顯而兩側(cè)的端斜腹梁的變形最小，載荷引起的位移最大在橋中央位置，隨跨中向兩側(cè)遞減。3矢量顯示節(jié)點(diǎn)位移變形最大區(qū)域圖313節(jié)點(diǎn)位移矢量顯示由節(jié)點(diǎn)位移矢量圖可知，節(jié)點(diǎn)位移由中間向兩邊遞減。4顯示結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖圖314剪力圖位移最大區(qū)域圖315彎矩圖由于在本例中的橋梁結(jié)構(gòu)屬于桁架桿系結(jié)構(gòu)，而桿件的剪力和彎矩都很小，所以在分析結(jié)果中不做重點(diǎn)考慮。圖316軸力圖軸力最大處軸力最小處彎矩最大處彎矩最大處總結(jié)本文采用有限元分析法，在大型通用有限元分析軟件ANSYS平臺(tái)上，對(duì)鋼桁架橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力分析。在靜力分析中，給桁架橋的有限元模型施加了位移約束，并施加了集中力和重力，然后求解得到橋梁結(jié)構(gòu)變形圖、總位移云圖、節(jié)點(diǎn)位移矢量顯示圖和軸力、剪力、彎矩圖，通過(guò)對(duì)各圖的分析，我們得到橋梁的中間位置為它的危險(xiǎn)區(qū)域。因此，在橋梁設(shè)計(jì)建設(shè)中，中間位置應(yīng)該得到更多地考慮。在模擬過(guò)程中，遇到很多問(wèn)題，看了不少教程，可以說(shuō)，是不斷寫(xiě)入和模擬別人的代碼，才可以得到的。所以，橋梁的這一部分就這樣了。存在的不足由于時(shí)間關(guān)系，對(duì)于有限元法和ANSYS軟件的學(xué)習(xí)不是很到位，除文中所用到的，ANSYS其他功能如非線性結(jié)構(gòu)分析、熱力學(xué)分析等都沒(méi)有進(jìn)行研究。并且，涉及到模態(tài)分析和優(yōu)化的部分，卻沒(méi)有時(shí)間模擬了。這是能夠解決實(shí)際問(wèn)題的有效手段，希望，后面有時(shí)間可以解除到。總的說(shuō)來(lái)，需要多練習(xí)，不然，就會(huì)做不出來(lái)。參考文獻(xiàn)1張亞歐，谷志飛，宋勇ANSYS有限元分析實(shí)用教程M北京清華大學(xué)出版社，20041511742張朝暉，李樹(shù)奎ANSYS有限元分析理論與工程應(yīng)用M北