ANSYS在公路橋梁工程中的應用與研究

渠風英

（山西省晉中路橋建設集團有限公司，山西 太原 030600）

近幾年來，我國在不斷建設標準最高、技術最復雜、科技含量最高的超大型橋梁工程。依靠科技創新，攻克了橋梁領域的諸多難題，并保持了世界先進水平。我國橋梁工程的標準規范、計算理論、結構分析、模型試驗、材料科學、施工工藝、施工設備、施工控制、檢測技術、專用設備等方面的綜合技術取得了長足的進步，同時也使得橋梁的計算方法和結構分析方法等也變得越來越復雜，目前常用的分析方法有有限元分析方法。

有限單元法，又稱有限元法，是一種求解數學物理問題的數值方法。它最早起源于固體力學，后來又迅速擴展到流體力學、傳熱學、電磁學、聲學等與場問題有關的物理學領域。有限元法運用于橋梁工程，對梁和板結構進行分析，對結構的穩定性分析。

ANSYS是以有限元為基礎的計算機軟件，由于其具有結構、熱、流體、電磁和耦合場分析功能，并且功能體系完整強大，得到非常成功的應用和推廣，應用于航天航空、軍工、能源動力、船舶、車輛、通用機械等各個行業。

1 ANSYS有限元求解的基本步驟

1.1 分析準備

（1）建立新的分析：Utility Menu→File→Clear Database and Start New→OK。

（2）建立新的工作名：Utility Menu→File→Change Jobname→OK。

（3）建立新的標題：Utility Menu→File→Change Title→OK。

（4）建立新的工作目錄：Utility Menu→File→Change Directory→OK。

1.2 建立有限元模型

ANSYS系統中的建模包括實體模型、有限元模型和荷載與邊界條件，建模的目的是為了獲得正確的有限元網格模型，同時要保證網格具有正確的形狀，單元大小密度分布合理，適用于施加邊界條件和荷載，保證變形后仍然具有合理的單元形狀，場量分布描述清晰，好的建模是計算機成功的保證。建立模型步驟如下：

（1）選擇并定義單元類型與實常數：常用的單元類型有link1（2D）和link8（3D）用來模擬珩架，一根桿劃一個單元；link10用來模擬拉索，注意要加初應變，一根索可多分單元；link180是link10 的加強版，一般用來模擬拉索。beam3（2D）和 beam4（3D）是經典歐拉梁單元，用來模擬框架中的梁柱，雖然一根梁只劃一個單元在單元兩端也能得到正確的彎矩圖，但是要得到和結構力學書上的彎據圖差不多的結果還需多分幾段；beam44適合模擬薄壁的鋼結構構件或者變截面的構件；beam188和beam189號稱超級梁單元，基于鐵木辛科梁理論，有諸多優點：考慮剪切變形的影響，截面可設置多種材料，可用“/eshape，1”顯示形狀，截面慣性矩不用自己計算而只需輸入截面特征，可以考慮扭轉效應，可以變截面（8.0以后）；shell41一般用來模擬膜；shell63可針對一般的板殼，注意僅限彈性分析；加強版是shell181（注意18*系列單元都是ansys后開發的單元，考慮了以前單元的優點和缺陷，因而更完善；常用的就solid45、46、65、95等，solid46可以容忍單元的長厚比達到20∶1，可以用來模擬鋼板碳纖維板鋼管等；solid65是專門的混凝土單元。另外還有combin（彈簧）系列和contact（接觸）系列等。

定義單元類型見圖1。

圖1

定義實常數見圖2。

圖2

圖3

（2）定義材料屬性數據：對于彈性部分一般用MP命令輸入，非線性部分用TB命令輸入；TB，CONCR用來模擬混凝土，采用w-w五參數破壞準則，只能和solid65配合使用；TB，DP即Drucker-Prager模型，ansys中唯一用來模擬土的模型。可以和幾乎所有單元類型（2維和3維）配合使用；TB，BKIN（BISO，MKIN，MISO）一般用來模擬鋼材。雙線形隨動強化（雙線形等向強化、多線形隨動強化、多線形等向強化）模型。

（3）創建或讀入幾何模型：ANSYS的建模功能很強，建模有兩種方法即，在CAD實體建模和網格建模。前者是直接利用CAD模型進行單元網格劃分，后者是直接生成節點并利用節點創建單元，從而獲得單元網格的有限元模型。

本文以橋梁工程當中常用的工字型截面曲梁為例，創建實體模型。

首先，創建關鍵點：菜單路徑Main Menu→Preprocessor→Mo deling→Create→Keypoints→In Active CS，彈出以下菜單，見圖 4。

圖4

文本框中的1即為創建1號關鍵點，（0，0，0）即為坐標，單擊Apply依次創建出其余9個關鍵點。

其次，創建樣條曲線：菜單路徑Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Splines→With Options→Spline thru KPs，依次拾取關鍵點1，2和3，單擊OK，彈出設置方向矢量的對話框，設置如下選項：

文本框中-1，0，0表示起始端的方向矢量；0,-1,0表示終止端的方向矢量最后，創建1/2工字截面：菜單路徑Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Areas→Arbitrary→Through KPs，拾取關鍵點 1、4、5、6、7、8、9 和 10。

圖5

（4）劃分單元獲得網模型：在劃分單元網格之前，必須給每個幾何模型的點、線、面、體分配適當的單元屬性，包括單元類型號、單元實常數號、材料號、單元坐標系、方向關鍵點。

（5）模型檢查和儲存模型。

1.3 加荷求解

（1）選擇分析類型并設置分析選項。（2）施加荷載。

（3）設置荷載步選項。

（4）執行求解。

1.4 查看分析結果

（1）查看分析結果。

（2）分析處理并評估結果。

2 注意事項

（1）建模時一定要充分查閱有關資料，掌握荷載的作用點在那里、邊界條件的設置原則與方法。

（2）單元的劃分一定要注意有預劃分和真劃分兩個過程，當你給所選的線或面或體選擇了劃分單元數后，窗口會出現一個劃分后的效果圖，注意，這個預劃分階段，還要再打開mesh tool工具欄，選擇后面的條件，直到選擇了mesh按鍵后，才真正出現劃分單元的模型。實際上你的網格劃分成功與否，直接選擇list命令中的node命令就可以查看了，有了node列表就證明劃分成功，反之則沒有。

（3）局部坐標系創建完成后，馬上自動成為激活坐標系，即自動成為當前坐標系。

（4）在進行分析時，所有荷載必須預留好施加位置，比如要在一個面上施加一個點荷載，在劃分網格是必須在集中力位置預留一個節點，位置恰好就在荷載作用點。

（5）對于大跨度結構，恒載會產生預應力，因此在進行靜態分析時，將“預應力”開關打開，然后以靜力分析問題為基礎，進行模態或動力分析。

[1]孫勇、岑成賢.ANSYS在橋梁工程中的應用[J].東北林業大學學報，2005（3）：104-105.

[2]侯新錄.結構分析中的有限元法于程序設計[M].中國建材工業出版社，2004.

[3]博弈創作室.ANSYS9.0經典產品基礎教程與實例詳解[M].中國水利水電出版社，2006.