有限元分析在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用第一頁，共九十九頁，2022年，8月28日內(nèi)容一、有限元及軟件概述二、平面有限元軟件三、無應(yīng)力狀態(tài)控制法的應(yīng)用四、ANSYS軟件2023/2/252第二頁，共九十九頁，2022年，8月28日1.有限元分析（FEA）定義實(shí)際中應(yīng)用很多，但較少談定義。因?yàn)槊嫣珡V泛了，定義太抽象了。FEA（FiniteElementAnalysis)的基本概念：用較簡單的問題代替復(fù)雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的(較簡單的)近似解，然后推導(dǎo)求解這個域總的滿足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件)，從而得到問題的解。2023/2/253第三頁，共九十九頁，2022年，8月28日這個解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因?yàn)閷?shí)際問題被較簡單的問題所代替。由于大多數(shù)實(shí)際問題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。2023/2/254注意：1）錯誤與誤差的把握。2）當(dāng)?shù)玫接邢拊慕獯穑氂脩岩傻难酃馊ヌ籼奕ソ邮?。第四頁，共九十九頁?022年，8月28日幾個術(shù)語：FEA(FiniteElementAnalysis)有限元分析CAD(ComputerAidedDesign)計算機(jī)輔助設(shè)計CAM(ComputerAidedManufacturing)計算機(jī)輔助制造CAE(ComputerAidedEngineering)計算機(jī)輔助工程FEM(FiniteElementMethods)有限單元法

2023/2/255DRAW?第五頁，共九十九頁，2022年，8月28日2.有限元的發(fā)展歷史有限元方法思想的萌芽可以追溯到18世紀(jì)末，歐拉在創(chuàng)立變分法的同時就曾用與現(xiàn)代有限元相似的方法求解軸力桿的平衡問題，但那個時代缺乏強(qiáng)大的運(yùn)算工具解決其計算量大的困難。波音飛機(jī)工程師Turner，Clough等人在1956年首次將有限元法用于飛機(jī)機(jī)翼的結(jié)構(gòu)分析，吹響了有限元的號角，有限元這一名稱在1960年正式提出。有限元方法的理論和程序主要來自高校和實(shí)驗(yàn)室，早期有限元的主要貢獻(xiàn)來自于Berkeley大學(xué)。EdWilson發(fā)布了第一個程序，第一代的程序沒有名字，第二代線性程序就是著名的SAP(structuralanalysisprogram)，非線性程序就是NONSAP。

2023/2/256第六頁，共九十九頁，2022年，8月28日3、有限元的應(yīng)用領(lǐng)域醫(yī)學(xué)中的生物力學(xué)

有限元法在牙體修復(fù)研究領(lǐng)域航天航空領(lǐng)域機(jī)械制造和設(shè)計環(huán)境能源氣象土建（道橋隧、工民建、水利）……2023/2/257第七頁，共九十九頁，2022年，8月28日4、有限元的學(xué)術(shù)領(lǐng)域結(jié)構(gòu)（靜力、動力學(xué)、運(yùn)動力學(xué)、沖擊動力學(xué)）流體力學(xué)電和磁溫度熱傳導(dǎo)質(zhì)量擴(kuò)散聲學(xué)分析巖土力學(xué)分析（流體滲透/應(yīng)力耦合分析）2023/2/258機(jī)械軍工航天航空第八頁，共九十九頁，2022年，8月28日5、國際大型通用軟件ANSYS:ANSYS公司成立于1970年，總部位于美國賓夕法尼亞洲的匹茲堡。Fluent:原美國Fluent公司是全球最大的CFD――流體力學(xué)仿真分析軟件及咨詢公司。ANSYS收購Fluent后成為名副其實(shí)的全球最大的CAE軟件公司，在三大洲擁有40多個全資機(jī)構(gòu)，17個研發(fā)中心，近1,400名員工。

ABAQUS:2005年5月，前美國ABAQUS軟件公司（1978年成立）與世界知名的在產(chǎn)品生命周期管理軟件方面擁有先進(jìn)技術(shù)的法國達(dá)索集團(tuán)合并，共同開發(fā)新一代的模擬真實(shí)世界的仿真技術(shù)平臺SIMULIA。在我國的高校和巖土方面應(yīng)用比較多。世界上最著名的非線性有限元分析軟件。2023/2/259第九頁，共九十九頁，2022年，8月28日MARC：MSC.MARC，MSC（MSC.SoftwareCorporation）公司位于洛杉磯，63創(chuàng)立，66年參與了Nastran的開發(fā)。MSC對原始的Nastran做了大量的改進(jìn)并于71年推出自己的專利版本MSC.Nastran，83年股票上市并開始了一系列并購重組的活動。美國國家宇航局（NASA）的資助

NASTRAN：MSC.Nastran軟件獲得美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）認(rèn)證，成為領(lǐng)取飛行器適航證指定的唯一驗(yàn)證軟件。2023/2/2510第十頁，共九十九頁，2022年，8月28日Adina:在計算理論和求解問題的廣泛性方面處于全球領(lǐng)先的地位，尤其針對結(jié)構(gòu)非線性、流/固耦合等復(fù)雜問題的求解具有強(qiáng)大優(yōu)勢。近20年的商業(yè)化，被廣泛應(yīng)用于各個工業(yè)領(lǐng)域的工程仿真計算，包括土木建筑、交通運(yùn)輸、石油化工、機(jī)械制造、航空航天、汽車、國防軍工、船舶、以及科學(xué)研究等各個領(lǐng)域。ADINA的最早版本出現(xiàn)于1975，在K.J.Bathe博士的帶領(lǐng)下，由其研究小組共同開發(fā)。86年Bathe博士在美國馬薩諸塞州成立ADINAR&D公司。2023/2/2511第十一頁，共九十九頁，2022年，8月28日不得不說的一個軟件SAPSAP：美國CSI（美國計算機(jī)和結(jié)構(gòu)）公司（1975）的產(chǎn)品，SAP程序是歷史最悠久、也是最負(fù)盛名的結(jié)構(gòu)分析軟件，已經(jīng)有40年的歷史。SAP程序最早源于加州大學(xué)Berkeley分校的Wilson教授的開發(fā)工作。1970他們第一次發(fā)布了具有革命意義的SAP程序。此后，Wilson博士被國際工程界認(rèn)為是計算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域中的卓越的研究者。SAP4、SAP5、SAP91、SAP93、SAP2000改革開放后不久，由張之勇教授帶回到國內(nèi)的SAP源程序使得我國的工程設(shè)計人員和教學(xué)科研人員有機(jī)會接觸到世界一流的有限元分析軟件。2023/2/2512第十二頁，共九十九頁，2022年，8月28日這些軟件誕生在上世紀(jì)70年代左右，也就是世界商第一臺計算誕生后的20年左右。這幾個軟件都是美國人開發(fā)研制的。都有一定重大的發(fā)展背景，如航天、軍工等。起源于高校和實(shí)驗(yàn)室。后期都以公司方式運(yùn)作，大多經(jīng)歷了收購、合并、重組。

軟件是一個國家科技實(shí)力的重要標(biāo)志之一。2023/2/2513第十三頁，共九十九頁，2022年，8月28日6、橋梁工程常用的計算軟件韓國：MIDAS（空間梁、板）正式成立于2000年9月1日，它隸屬于世界最大的鋼鐵公司之一

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浦項(xiàng)制鐵(POSCO)集團(tuán)。

TDV：梁元非常經(jīng)典，剛推出板單元，奧地利，已經(jīng)被奔特力收購?fù)瑵?jì)同豪周宗澤老師橋梁博士（平面上部）公路科研所GQJS（平面上部）公規(guī)院QJX（平面上部）西南交大BSAS（平面上部）西南交大BNLAS（懸索橋）大橋院PRBP、BCSA、COMA、SCDS（平面上部）NSAP（鋼梁）3DBRIDE（空間上部）PFDS（空間樁）2023/2/2514第十四頁，共九十九頁，2022年，8月28日7、大型通用軟件與橋梁專用軟件大型通用軟件，功能強(qiáng)大，精度可靠。但是用在橋梁設(shè)計計算中有局限性。表現(xiàn)為：1、無法實(shí)現(xiàn)專用軟件的“一氣呵成”，從施工到運(yùn)營，從單項(xiàng)到到組合，從荷載到檢算。2、土木結(jié)構(gòu)所用到的功能，僅僅是大型軟件的很小很小的部分，有一種“殺雞用牛刀的感覺”。3、對于橋梁結(jié)構(gòu)中的一些特殊荷載處理起來很麻煩。比如張拉預(yù)應(yīng)力、斜拉索、收縮徐變、活載的影響線加載。以至于：設(shè)計中以專用軟件為主，對于一些特殊問題再用大型軟件分析，最普遍的就是局部應(yīng)力分析。2023/2/2515第十五頁，共九十九頁，2022年，8月28日8、MIDAS的FEA——土木高端對于在專用軟件之外的空白區(qū)。很多業(yè)內(nèi)人士都認(rèn)識到了。MIDASFEA就是瞄準(zhǔn)了這個需求?！魧?shí)體單元施加預(yù)應(yīng)力，（局部應(yīng)力分析時都會遇到）◆CFD（大型軟件，一般人不易掌握，流體、流固耦合）◆船撞計算（沖擊動力學(xué)、應(yīng)力波理論）◆波浪力計算（流體力學(xué)）◆鋼筋混凝土裂縫計算（局部應(yīng)力分析也非常困難）◆焊縫疲勞2023/2/2516？第十六頁，共九十九頁，2022年，8月28日二、橋梁用平面有限元軟件1.直接剛度法2.節(jié)間荷載的處理3.幾種特殊荷載的處理方式4.編程思路5.軟件演示2023/2/2517第十七頁，共九十九頁，2022年，8月28日1、直接剛度法橋梁用軟件計算核心都是直接剛度法——矩陣位移法以位移為未知數(shù)，求解位移。靜力基本方程：{F}=[K]{δ}{F}:節(jié)點(diǎn)荷載，必須作用于節(jié)點(diǎn)。[K]：總體剛度矩陣，由單元剛度矩陣轉(zhuǎn)置到總體坐標(biāo)系下，并組集而成。{δ}：待求的節(jié)點(diǎn)位移。2023/2/2518第十八頁，共九十九頁，2022年，8月28日單元剛度矩陣元素Kij的物理含義是：當(dāng)其所在j列對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)位移分量等于1（其余節(jié)點(diǎn)位移分量均為零）時，其所在i行對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)外力分量所應(yīng)有的數(shù)值。2023/2/2519UiViθiUjVjθjNiQiMiNjQjMj局部坐標(biāo)系下第十九頁，共九十九頁，2022年，8月28日轉(zhuǎn)置矩陣123xyxxx單剛組集總剛——對號入座2023/2/2520xyiLjEA第二十頁，共九十九頁，2022年，8月28日123456654123456007700456123000000123123xyxxx2023/2/2521第二十一頁，共九十九頁，2022年，8月28日12345676541237123xyxxx縮減后的總剛，實(shí)際上在軟件中一般組集的是原始總剛（沒有引入約束條件）。2023/2/2522第二十二頁，共九十九頁，2022年，8月28日基本方程的求解原始剛度矩陣是奇異的，其逆矩陣不存在，不能求解方程：

{F}=[K]{δ}?！l(fā)生剛體位移引入支承的方法：1）置大數(shù)法：將已知位移的節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的總剛主對角元素置為大數(shù)（如1E20），對應(yīng)荷載列向量置為大數(shù)乘已知位移。2）劃零置一法：

2023/2/2523第二十三頁，共九十九頁，2022年，8月28日求解方程——求解器當(dāng)結(jié)構(gòu)規(guī)模大到一定程度，求解方程便是十分麻煩的問題。其一：速度，其二：容量。

假如有10000節(jié)點(diǎn)的模型，n＝60000。2023/2/2524AX＝b第二十四頁，共九十九頁，2022年，8月28日高斯消去法：原理簡單，消元。計算次數(shù)過多，在有限元中速度太慢。2023/2/25252.8GHz

P4浮點(diǎn)大約10億次/秒，6萬自由度，則求解一次方程需3～4天。計算量第二十五頁，共九十九頁，2022年，8月28日平方根法2023/2/2526第二十六頁，共九十九頁，2022年，8月28日改進(jìn)平方根法A=LDLT2023/2/2527第二十七頁，共九十九頁，2022年，8月28日A=LDLT分解，既適合于解對稱正定方程組，也適合求解A為對稱，而各階順序主子式不為零的方程組而對A=LLT只適合于對稱正定方程組突破有限元分析的極限Nastran成功求解超出4億自由度問題求解器在大型軟件中非常重要，在平面橋梁專用軟件中一般不太突出。2023/2/2528第二十八頁，共九十九頁，2022年，8月28日2、節(jié)間荷載的處理1）在B、C結(jié)點(diǎn)加附加約束，使B、C兩點(diǎn)不能發(fā)生任何位移。2）在B、C兩點(diǎn)有附加約束的情況下，求BC單元固端力。3）固端力反向即為等效節(jié)點(diǎn)荷載。4）求解方程的單元位移，由位移求力。并與固端力疊加。2023/2/2529第二十九頁，共九十九頁，2022年，8月28日屬于節(jié)間荷載的荷載節(jié)間集中力勻布力預(yù)應(yīng)力等效荷載溫度荷載收縮徐變2023/2/2530第三十頁，共九十九頁，2022年，8月28日

3、幾種特殊荷載的處理方式預(yù)應(yīng)力等效荷載，一個單元5等分，5對等效荷載，荷載大小按照扣除預(yù)應(yīng)力損失后的應(yīng)力計算。2023/2/2531第三十一頁，共九十九頁，2022年，8月28日溫度荷載溫度模式2023/2/2532第三十二頁，共九十九頁，2022年，8月28日非線性溫度——自應(yīng)力由于縱向纖維之間的相互約束，在進(jìn)行非線性分布溫度的應(yīng)力計算時，仍認(rèn)為材料力學(xué)中的平面假定依然成立（此假定通過有限元分析已獲得證實(shí)），故實(shí)際截面的最終變形仍為直線。2023/2/2533第三十三頁，共九十九頁，2022年，8月28日混凝土的收縮和徐變混凝土的收縮徐變效應(yīng)，在一些簡單情況下可用微分方程求解。但是對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)和施工中體系多次轉(zhuǎn)換，就無法用解析的方式獲得。采用分時段數(shù)值積分的方法具有廣泛的適應(yīng)性，而且精度很高。2023/2/2534第三十四頁，共九十九頁，2022年，8月28日在逐階段形成的結(jié)構(gòu)中，混凝土徐變效應(yīng)與某點(diǎn)的應(yīng)力歷史密切相關(guān)，每階段的應(yīng)力增量由荷載引起的應(yīng)力增量△σi和收縮徐變引起的應(yīng)力增量△σci組成。2023/2/2535第三十五頁，共九十九頁，2022年，8月28日

徐變系數(shù)：徐變應(yīng)變與彈性應(yīng)變的比值。彈性變形：徐變變形：2023/2/2536第三十六頁，共九十九頁，2022年，8月28日徐變系數(shù)的計算：老化理論、先天理論、彈性徐變體理論、CEB－FIP1982年實(shí)用設(shè)計建議、ACI(209)1982年推薦公式、BP－2模式、公橋規(guī)（JTGD62-2004）計算公式收縮：已經(jīng)是應(yīng)變了，直接計算就行。應(yīng)變的范圍1E-4～5E-4，相當(dāng)于降溫10～50度ACI(209)推薦公式公橋規(guī)（JTGD62-2004）計算公式2023/2/2537第三十七頁，共九十九頁，2022年，8月28日斜拉索張拉按照索力張拉按照索長張拉（無應(yīng)力狀態(tài)控制法）——在無應(yīng)力狀態(tài)控制法中講索力張拉原理：將張拉的索從結(jié)構(gòu)中去除，代之以一對大小相等方向沿錨點(diǎn)之間的直線向的集中力。2023/2/2538第三十八頁，共九十九頁，2022年，8月28日具備下述兩條件就可編制橋梁用軟件1）結(jié)構(gòu)、荷載、約束條件，可以用上述方法求出位移、內(nèi)力。2）橋梁特殊荷載的求解方法。2023/2/2539第三十九頁，共九十九頁，2022年，8月28日4、橋梁用軟件的總體思路建模（單元、截面、材料、預(yù)應(yīng)力）形成施工階段（結(jié)構(gòu)、荷載、結(jié)構(gòu)和荷載的繼承性）運(yùn)營階段可變的靜荷載計算（溫度、風(fēng)、沉降等）運(yùn)營階段活載的計算（影響線加載）按照規(guī)范的檢算（強(qiáng)度、抗裂、裂縫等）隨時記錄荷載的效應(yīng)（內(nèi)力、位移、應(yīng)力），并按照組合形成包絡(luò)。2023/2/2540第四十頁，共九十九頁，2022年，8月28日5.軟件演示材料→截面→單元→預(yù)應(yīng)力→階段→運(yùn)營2023/2/2541第四十一頁，共九十九頁，2022年，8月28日三、無應(yīng)力狀態(tài)控制法的應(yīng)用前言：關(guān)于無應(yīng)力狀態(tài)控制法的原理和應(yīng)用，秦總有專著和講座，非常系統(tǒng)和詳細(xì)。我從應(yīng)用層面和快速理解的角度，換一個角度來闡述。2023/2/2542第四十二頁，共九十九頁，2022年，8月28日概述無應(yīng)力狀態(tài)控制法：通過結(jié)構(gòu)的無應(yīng)力狀態(tài)量揭示分階段形成結(jié)構(gòu)的過程與結(jié)果的關(guān)系。尤其針對復(fù)雜過程的斜拉橋施工過程的模擬計算。斜拉橋的設(shè)計計算一般分兩種：其一、成橋整體分析（施工階段少、只模擬關(guān)鍵工況）。其二、施工過程模擬和施工監(jiān)控。在斜拉橋施工過程中施工監(jiān)控是必不可少的環(huán)節(jié)。2023/2/2543第四十三頁，共九十九頁，2022年，8月28日三種結(jié)構(gòu)成橋線形連續(xù)梁、剛構(gòu)：一般地，靠立模標(biāo)高來保證，一旦立模標(biāo)高確定，后期線型將成為永久的不可更改的。鋼結(jié)構(gòu)：靠桿件的制作長度，一旦長度確定，成橋線型也是不可變的。（即無應(yīng)力長度一定成橋線型就是一定）斜拉橋：靠斜索的張拉來保證成橋線型。斜拉橋的超靜定次數(shù)太高，其解不是唯一的。各人有個人的解，一個人兩次調(diào)索的結(jié)果也不是唯一的。2023/2/2544第四十四頁，共九十九頁，2022年，8月28日整體分析成橋索力確定的原則：

使主梁、主塔處于最好的工作狀態(tài)?！诤爿d作用下“塔直梁平”成橋索力確定的方法：先初算再微調(diào)

2023/2/2545第四十五頁，共九十九頁，2022年，8月28日2023/2/2546這個原則是相對的，是可以修正的。比如在活載的作用下主塔左右側(cè)的受力不對稱的情況可使主塔向受力較小一側(cè)偏移一定距離，這樣可以改善主塔的受力，使主塔左右側(cè)受力趨于均勻。對主梁而言，也可以使之在跨中上拋一定高度，在主梁跨中下緣預(yù)存一定的壓應(yīng)力，也可以改善主梁的受力?；钶d主塔彎矩邊跨中跨第四十六頁，共九十九頁，2022年，8月28日成橋索力初算2023/2/2547剛性支撐連續(xù)梁法第四十七頁，共九十九頁，2022年，8月28日施工過程模擬2023/2/2548第四十八頁，共九十九頁，2022年，8月28日2023/2/2549索力的變化施工過程模擬：用計算分析模擬現(xiàn)場的一道道工序。由于斜拉橋?yàn)楦叽纬o定，一步步走向成橋目標(biāo)并非易事。方法：正裝試算、倒拆、無應(yīng)力狀態(tài)控制。施工階段多、現(xiàn)場情況變化頻繁，往往由現(xiàn)場監(jiān)控小組來指導(dǎo)完成斜拉橋的架設(shè)?！┕けO(jiān)控成橋索力掛索初拉二次調(diào)整索力索力到位第四十九頁，共九十九頁，2022年，8月28日施工監(jiān)控目標(biāo)：確保經(jīng)過施工階段最終到達(dá)的成橋狀態(tài)和整體計算的狀態(tài)一致。目標(biāo)是不變的，但是到達(dá)目標(biāo)的過程是可以變化的。斜拉索受力行為：主動受載、被動受載主動：通過張拉使自身主動承受荷載的同時也改變了結(jié)構(gòu)的受力。被動：在自身不張拉的時候因?yàn)檎麄€結(jié)構(gòu)上的荷載改變也可以被動加載。如二期恒載的鋪裝使索力普遍增加。后一種狀況是唯一的。施工監(jiān)控的很大一部分工作就是解決主動張拉的問題。2023/2/2550第五十頁，共九十九頁，2022年，8月28日如何完成施工監(jiān)控？斜拉索安裝時的初拉力是多少？在什么時候在調(diào)整？調(diào)整量是多少？

這些工作就是為了保證成橋的狀態(tài)（線型和受力）。解決這一問題的常規(guī)手段為正裝倒拆法，此法計算耗時大，而且由于收縮徐變的影響當(dāng)拆回來時并不閉合。為了解決以上問題特提出了無應(yīng)力狀態(tài)控制法。2023/2/2551第五十一頁，共九十九頁，2022年，8月28日小例子如圖結(jié)構(gòu)，類似自行車的車輪，要求拆散后復(fù)原，復(fù)原即要求形狀和內(nèi)力與拆以前相同。最簡單的辦法？2023/2/2552第五十二頁，共九十九頁，2022年，8月28日簡單方法：記錄位置、標(biāo)號刻度，拆散。組裝時按照位置對號入座、按照刻度鎖定長度即可。與順序無關(guān)、組裝時的溫度無關(guān)。2023/2/2553應(yīng)用無應(yīng)力狀態(tài)法進(jìn)行斜拉橋得施工監(jiān)控本質(zhì)與此類似。第五十三頁，共九十九頁，2022年，8月28日思考小例題得出結(jié)論不管施工過程如何，只要各構(gòu)件的無應(yīng)力長度與目標(biāo)狀態(tài)時的無應(yīng)力長度一致，最終的狀態(tài)就是我們要求的目標(biāo)狀態(tài)。目標(biāo)狀態(tài)時的無應(yīng)力長度在做成橋計算是由程序已經(jīng)算出來了。我們盡管拿來用就是了。不管施工中初拉力是多少、中間如何調(diào)整、只要每根斜拉索都達(dá)到了目標(biāo)狀態(tài)時的無應(yīng)力長度就足以保證成橋狀態(tài)。也就是無應(yīng)力狀態(tài)控制法的兩個原理：2023/2/2554第五十四頁，共九十九頁，2022年，8月28日無應(yīng)力狀態(tài)法原理一：

一定的外荷載、結(jié)構(gòu)體系、支承邊界條件、單元的無應(yīng)力長度和無應(yīng)力曲率組成的結(jié)構(gòu)，其對應(yīng)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移是唯一的，與結(jié)構(gòu)的形成過程無關(guān)。2023/2/2555第五十五頁，共九十九頁，2022年，8月28日無應(yīng)力狀態(tài)法原理二：

結(jié)構(gòu)單元的內(nèi)力和位移隨著結(jié)構(gòu)的加載、體系轉(zhuǎn)換和斜拉索的張拉而變化，斜拉索的無應(yīng)力長度只有人為地調(diào)整才會發(fā)生變化；當(dāng)荷載和結(jié)構(gòu)體系一定時，斜拉索無應(yīng)力長度的變化必然唯一地對應(yīng)一個單元索力的變化：2023/2/2556第五十六頁，共九十九頁，2022年，8月28日斜索的無應(yīng)力長度的含義：可以理解為兩錨點(diǎn)之間的斜索在無應(yīng)力時的真實(shí)長度。實(shí)際監(jiān)控時不是真的去量斜拉索的實(shí)際長度的。而是通過無應(yīng)力長度的改變量（拔出量或回放量）來控制的。2023/2/2557第五十七頁，共九十九頁，2022年，8月28日控制流程用無應(yīng)力長度控制法計算出結(jié)構(gòu)的受力和變形→用計算的拔出量去張拉斜拉索、實(shí)測標(biāo)高、偏位→理論與實(shí)際的變形比較、平差，讓實(shí)際狀態(tài)接近理論狀態(tài)。如此循環(huán)往復(fù)直至成橋無應(yīng)力狀態(tài)控制是一種方法是一種手段。真正控制的是變形(標(biāo)高、偏位)、索力。2023/2/2558第五十八頁，共九十九頁，2022年，8月28日使用程序?qū)崿F(xiàn)用無應(yīng)力量控制1、成橋計算、確定目標(biāo)狀態(tài)和斜拉索的無應(yīng)力長度（模型一）2、模擬施工（模型二），保證每一根斜拉索在成橋之前達(dá)到與目標(biāo)狀態(tài)相同的無應(yīng)力長度（模型一算出來的）。在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下用最少的張拉次數(shù)完成施工。2023/2/2559第五十九頁，共九十九頁，2022年，8月28日演示一個例題2023/2/2560第六十頁，共九十九頁，2022年，8月28日四、ANSYS2023/2/25611.概述2.常用單元類型3.SOLID65單元4.子模型第六十一頁，共九十九頁，2022年，8月28日1.ANSYS概述功能:結(jié)構(gòu)分析√熱分析電磁分析流體分析(CFD)耦合場分析-多物理場2023/2/2562第六十二頁，共九十九頁，2022年，8月28日結(jié)構(gòu)分析的類型:靜力分析-用于靜態(tài)載荷.可以考慮結(jié)構(gòu)的線性及非線性行為，例如:大變形、大應(yīng)變、應(yīng)力剛化、接觸、塑性、超彈及蠕變等。模態(tài)分析-計算線性結(jié)構(gòu)的自振頻率及振型。譜分析是模態(tài)分析的擴(kuò)展，用于計算由于隨機(jī)振動引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和應(yīng)變(也叫作響應(yīng)譜或

PSD)。2023/2/2563第六十三頁，共九十九頁，2022年，8月28日諧響應(yīng)分析

-確定線性結(jié)構(gòu)對隨時間按正弦曲線變化的載荷的響應(yīng)。瞬態(tài)動力學(xué)分析

-確定結(jié)構(gòu)對隨時間任意變化的載荷的響應(yīng).可以考慮與靜力分析相同的結(jié)構(gòu)非線性行為。特征屈曲分析

-用于計算線性屈曲載荷并確定屈曲模態(tài)形狀.。(結(jié)合瞬態(tài)動力學(xué)分析可以實(shí)現(xiàn)非線性屈曲分析)專項(xiàng)分析:斷裂分析,復(fù)合材料分析，疲勞分析2023/2/2564第六十四頁，共九十九頁，2022年，8月28日ANSYS除了提供標(biāo)準(zhǔn)的隱式動力學(xué)分析以外，還提供了顯式動力學(xué)分析模塊ANSYS/LS-DYNA.用于模擬非常大的變形，慣性力占支配地位，并考慮所有的非線性行為.它的顯式方程求解沖擊、碰撞、快速成型等問題，是目前求解這類問題最有效的方法.2023/2/2565第六十五頁，共九十九頁，2022年，8月28日ANSYS流體分析概述流體分析用于確定流體的流動及熱行為.流體分析分以下幾類:CFD-ANSYS/FLOTRAN提供強(qiáng)大的計算流體動力學(xué)分析功能，包括不可壓縮或可壓縮流體、層流及湍流，以及多組份流等.聲學(xué)分析-考慮流體介質(zhì)與周圍固體的相互作用,進(jìn)行聲波傳遞或水下結(jié)構(gòu)的動力學(xué)分析等.容器內(nèi)流體分析-考慮容器內(nèi)的非流動流體的影響.可以確定由于晃動引起的靜水壓力.流體動力學(xué)耦合分析-在考慮流體約束質(zhì)量的動力響應(yīng)基礎(chǔ)上，在結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析中使用流體耦合單元.2023/2/2566第六十六頁，共九十九頁，2022年，8月28日流體動網(wǎng)格技術(shù)2023/2/2567第六十七頁，共九十九頁，2022年，8月28日流固半耦合速度場2023/2/2568第六十八頁，共九十九頁，2022年，8月28日流固半耦合壓力場2023/2/2569第六十九頁，共九十九頁，2022年，8月28日溫度瞬態(tài)分析——焊接2023/2/2570第七十頁，共九十九頁，2022年，8月28日2.常用單元......點(diǎn)(質(zhì)量)線(彈簧，梁，桿，間隙)面(薄殼,二維實(shí)體,軸對稱實(shí)體)線性二次體(三維實(shí)體)線性...............................2023/2/2571第七十一頁，共九十九頁，2022年，8月28日ANSYS單元庫有100多種單元類型，其中許多單元具有好幾種可選擇特性來勝任不同的功能。在結(jié)構(gòu)分析中，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)決定單元類型的選擇。選擇維數(shù)最低的單元去獲得預(yù)期的結(jié)果(盡量做到能選擇點(diǎn)而不選擇線，能選擇線而不選擇平面，能選擇平面而不選擇殼，能選擇殼而不選擇三維實(shí)體).2023/2/2572第七十二頁，共九十九頁，2022年，8月28日線單元:Beam(梁)單元Beam4是一種可用于承受拉、壓、彎、扭的三維彈性梁單元。這種單元在每個節(jié)點(diǎn)上有六個自由度：x、y、z三個方向的線位移和繞x,y,z三個軸的角位移。是基于結(jié)構(gòu)力學(xué)經(jīng)典梁彎曲理論構(gòu)造的梁單元。2023/2/2573第七十三頁，共九十九頁，2022年，8月28日Beam188與Beam189相對Beam4的第一個突出點(diǎn)是具有更出色的截面數(shù)據(jù)定義功能和可視化特性。第二個突出點(diǎn)是Beam188與Beam189自動考慮了剪切變形。beam188、Beam189基于Timoshenko梁的理論。2023/2/2574beam188beam189第七十四頁，共九十九頁，2022年，8月28日平面應(yīng)力應(yīng)變PLANE2，2-D,6節(jié)點(diǎn)三角形單元2023/2/2575該單元的位移是二次的，很適合于模擬不規(guī)則的網(wǎng)格（由CAD/CAM導(dǎo)入的模型）。六節(jié)點(diǎn)三角形單元，每個節(jié)點(diǎn)有兩個自由度?？梢宰鳛槠矫鎽?yīng)力、平面應(yīng)變和軸對稱單元。第七十五頁，共九十九頁，2022年，8月28日PLANE42（2-D，4節(jié)點(diǎn)四邊形)

PLANE42用于仿真2D實(shí)體結(jié)構(gòu)。該單元可用于平面單元（平面應(yīng)力或平面應(yīng)變）或軸對稱單元。單元有4個節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)具有X，Y位移方向的兩個自由度。單元具有塑性、蠕變、膨脹、應(yīng)力強(qiáng)化、大變形和大應(yīng)變的特點(diǎn)。2023/2/2576第七十六頁，共九十九頁，2022年，8月28日殼單元SHELL43-3D、4N塑性大應(yīng)變殼SHELL43適合模擬線性、彎曲及適當(dāng)厚度的殼體結(jié)構(gòu)。單元中每個節(jié)點(diǎn)具有六個自由度：沿x、y和z方向的平動自由度以及繞x、y和z軸的轉(zhuǎn)動自由度。單元具有塑性、蠕變、應(yīng)力剛化、大變形和大應(yīng)變的特性。如果是薄殼或者塑性和蠕變不需考慮，彈性的四邊性殼單元（SHELL63）就可以了。如果遇到收斂困難或者需要考慮大應(yīng)變時，可選擇SHELL181單元。對于非線性結(jié)構(gòu)分析推薦選擇SHELL181單元。2023/2/2577第七十七頁，共九十九頁，2022年，8月28日SHELL63-3D、4N，彈性殼2023/2/2578shell63是薄殼單元。包含彎曲和薄膜效應(yīng)，但是忽略橫向剪切變形。而shell43屬于厚殼單元。不僅有彎曲、薄膜效應(yīng)，他也包含了橫向剪切效應(yīng)。橫向剪切被表示為整個厚度上的常剪切應(yīng)變。這種一階近似只適用于中等厚度殼體。第七十八頁，共九十九頁，2022年，8月28日實(shí)體單元SOLID185，3D、8N，結(jié)構(gòu)實(shí)體單元2023/2/2579第七十九頁，共九十九頁，2022年，8月28日SOLID186-3D、20N，結(jié)構(gòu)實(shí)體單元2023/2/2580第八十頁，共九十九頁，2022年，8月28日3.SOLID65

（3D、8N，帶筋混凝土單元）2023/2/2581ANSYS里面專門建立了面向混凝土，巖石材料的單元——Solid65單元在三維8節(jié)點(diǎn)等參元Solid45的基礎(chǔ)上，增加了針對于混凝土的材性參數(shù)和整體式鋼筋模型第八十一頁，共九十九頁，2022年，8月28日SOLID65適用于帶鋼筋或不帶鋼筋的三維實(shí)體模型。單元具有受拉開裂和受壓壓碎的性能。在混凝土使用中，單元的實(shí)體部分可以用于模擬混凝土而鋼筋部分用于模擬鋼筋。該單元也可用于其它混合物，如玻璃纖維和巖石。該單元最重要的性質(zhì)是對非線性材料的處理方法?；炷辆哂虚_裂（沿三個正交方向）、壓碎、塑性變形和蠕變性能。鋼筋僅能承受拉力和壓力，但不能承受剪力，具有塑性變形和蠕變性能。2023/2/2582第八十二頁，共九十九頁，2022年，8月28日Solid65基本原理用彈塑性本構(gòu)關(guān)系描述混凝土的受壓行為用斷裂軟化本構(gòu)關(guān)系描述混凝土的受拉軟化行為混凝土滿足某一破壞準(zhǔn)則，則認(rèn)為被壓碎2023/2/2583第八十三頁，共九十九頁，2022年，8月28日Solid65的理論基礎(chǔ)Solid65的破壞準(zhǔn)則Willam&Warnke破壞曲面橢圓組合截面的拋物線曲面,五個參數(shù)Solid65的本構(gòu)關(guān)系彈塑性+斷裂本構(gòu)關(guān)系2023/2/2584最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則以主應(yīng)力（σ1，σ2，σ3）為軸的主應(yīng)力空間，將試驗(yàn)獲得的多軸強(qiáng)度數(shù)據(jù)標(biāo)在其中，相鄰點(diǎn)以光滑曲面相連，得到如圖破壞包絡(luò)面。第八十四頁，共九十九頁，2022年，8月28日Solid65的理論基礎(chǔ)2023/2/2585第八十五頁，共九十九頁，2022年，8月28日Solid65破壞曲面分區(qū)2023/2/2586第八十六頁，共九十九頁，2022年，8月28日Willam-Warnke破壞準(zhǔn)則William-Warnke五參數(shù)準(zhǔn)則具有橢圓型偏截面和拋物線型子午線。這個模型對于所有的應(yīng)力組合符合關(guān)于圓滑、外凸和對稱特征要求，但子午線外凸的要求導(dǎo)致對高靜水壓力應(yīng)力破壞的預(yù)示。2023/2/2587第八十七頁，共九十九頁，2022年，8月28日2023/2/2588第八十八頁，共九十九頁，2022年，8月28日2023/2/2589第八十九頁，共九十九頁，2022年，8月28日2023/2/2590第九十頁，共九十九頁，2022年，8月28日Solid65分析的核心問題：正確設(shè)定參數(shù)！確保計算收斂！2023/2/2591第九十一頁，共九十九頁，2022年，8月28日4.子模型2023/2/2592子模型是得到模型部分區(qū)域中更加精確解的有限單元技術(shù)。在有限元分析中往往出現(xiàn)這種情況，即對于用戶關(guān)心的區(qū)域，