CAE軟件在大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽中的應(yīng)用

王文利（湖北工業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院 湖北武漢 430068）

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CAE軟件在大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽中的應(yīng)用

王文利
（湖北工業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院 湖北武漢 430068）

摘 要：隨著大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽越來越廣泛的開展，題目難度也越來越具挑戰(zhàn)性，將CAE軟件引入結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽，除了可以更全面的進行復(fù)雜工程的結(jié)構(gòu)強度、剛度、穩(wěn)定性、動力響應(yīng)、彈塑性等力學(xué)性能的分析計算；還可以進行結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計，大大減少模型制作、加載試驗所消耗的時間和材料。本文闡述了CAE軟件在結(jié)構(gòu)選型、計算書撰寫、模擬模型加載試驗中的應(yīng)用，并以第四屆中南地區(qū)的結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽題目為例，首先進行了結(jié)構(gòu)選型設(shè)計，然后利用ABAQUS 這一常見的CAE軟件進行三維實體模型的建立，得到其在車輛荷載、水平剎車力和橫向風(fēng)力共同作用下的內(nèi)力圖、應(yīng)力云圖和位移云圖。

關(guān)鍵詞：CAE軟件 結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽 仿真分析 加載試驗

一、結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽及其現(xiàn)狀

大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽是土木工程專業(yè)創(chuàng)新性和實踐性最強的學(xué)科競賽，旨在通過對工程材料、力學(xué)原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計方法、實驗技術(shù)等課堂理論基礎(chǔ)知識的綜合應(yīng)用，以競賽的形式與實際工程相結(jié)合，培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新思維、團隊協(xié)作精神、創(chuàng)新設(shè)計和動手實踐的能力等綜合素質(zhì)。而創(chuàng)新實踐能力也是“教育中國夢”的重要內(nèi)涵［1］。

鑒于此，自1994年清華大學(xué)發(fā)起此比賽至今，在全國各開設(shè)有土木工程專業(yè)的高校中，得到了越來越多高校的重視，也掀起了一股結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽的熱潮。小到各高校全校范圍內(nèi)開展的校賽、各省在全省范圍內(nèi)開展的省賽，大到以地區(qū)為范圍的地區(qū)賽，以至于每年舉辦一次的國賽。而無論哪個級別的結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽，其基本評分體系都大體上相同，包括①設(shè)計圖及計算書；②模型質(zhì)量；③現(xiàn)場表現(xiàn)；④加載試驗等內(nèi)容。

隨著結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽的開展及我國土木類本科生教學(xué)水平的提高，題目的難度越來越具有挑戰(zhàn)性，僅依靠靜力分析、計算，已經(jīng)不能完全滿足賽題的要求。于是將CAE軟件引入結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽，一方面可以更全面的進行復(fù)雜工程的結(jié)構(gòu)強度、剛度、穩(wěn)定性、動力響應(yīng)、彈塑性等力學(xué)性能的分析計算［2］［3］；另一方面，還可以進行結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計，大大減少模型制作、加載試驗所消耗的時間和材料。使學(xué)生能更好地將理論知識、計算機仿真結(jié)構(gòu)設(shè)計、加載試驗三者相結(jié)合，在結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)計算分析、結(jié)構(gòu)合理性和創(chuàng)新性、荷重比、剛重比等評分關(guān)鍵環(huán)節(jié)拔得頭籌。

本文分別闡述了CAE軟件在結(jié)構(gòu)選型、計算書撰寫、模擬模型加載試驗中的應(yīng)用，并以第四屆中南地區(qū)的結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽題目為例，首先進行了結(jié)構(gòu)選型設(shè)計，然后利用ABAQUS 這一常見的CAE軟件進行三維實體模型的建立，得到其在車輛荷載、水平剎車力和橫向風(fēng)力共同作用下的內(nèi)力圖、應(yīng)力云圖和位移云圖，對模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案和制作并提出了合適的建議［4］［5］。

二、CAE軟件在競賽中的作用和意義

1.CAE技術(shù)及軟件概述

CAE 即計算機輔助工程（ Computer Aided Engineering） ，指用計算機輔助求解復(fù)雜工程的結(jié)構(gòu)強度、剛度、穩(wěn)定性、動力響應(yīng)、彈塑性等力學(xué)性能的分析計算以及結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化設(shè)計等問題的一種近似數(shù)值分析方法。［6］土木工程常用的 CAE 軟件包括ABAQUS、ANSYS、SAP、MIDAS 等。CAE 軟件作為大型的有限元分析軟件，對提高解決問題的能力是一個全面的鍛煉過程。

2.CAE軟件在結(jié)構(gòu)選型的應(yīng)用

不同賽題對結(jié)構(gòu)的受力要求也不盡相同，如高層，橋梁、屋架、渡槽、料倉等，對結(jié)構(gòu)體系的選擇也是結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽中最能體現(xiàn)創(chuàng)新的地方，可以充分發(fā)揮同學(xué)的想象力。同時，結(jié)構(gòu)形式的選擇也體現(xiàn)出了作者對結(jié)構(gòu)體系的理解和力學(xué)分析的能力。進行結(jié)構(gòu)選型時，一般先用定性的方法對比各種結(jié)構(gòu)體系的受力特點、傳力途徑等，初步選擇合適的結(jié)構(gòu)體系，然后通過理論計算得到簡化的結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移。而對于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系，還需要借助CAE軟件進行模擬加載下的內(nèi)力計算，從而能更合理地設(shè)計桿件截面，合理分配材料的使用，提高經(jīng)濟性。

3.CAE軟件在計算書中的應(yīng)用

結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽不僅要求學(xué)生手工制作模型，而且還要提供必要的設(shè)計計算書，計算書一般包括結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)建模、荷載分析、內(nèi)力分析、模型試驗、節(jié)點構(gòu)造、模型加工圖等幾部分內(nèi)容組成。在計算書撰寫過程中除了要用到AUTOCAD繪圖、EXCEL表格處理、WORD文字處理，3DMAX效果圖渲染等CAD或編輯軟件外，在荷載分析和內(nèi)力分析部分，往往還需要借助于ABAQUS、ANSYS、MIDAS、SAP等CAE軟件，建立有限元模型，進行各種荷載工況及其組合下的內(nèi)力、位移的計算，再根據(jù)有限元計算結(jié)果進行模型的設(shè)計優(yōu)化。由此可見，利用CAE軟件對結(jié)構(gòu)進行分析，可以合理的模擬結(jié)果模型的受力情況并指導(dǎo)結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程。

4.CAE在模擬模型加載試驗中的應(yīng)用

雖然加載試驗是設(shè)計的重要檢驗手段，通過加載試驗可以清楚地明白結(jié)構(gòu)的工作性能，哪些部位還需加強，哪些部位可以適當(dāng)減弱，但是由于眾多參賽學(xué)校的加載設(shè)備有限，有時無法做到和比賽的加載效果一致，導(dǎo)致比賽時出現(xiàn)一些不可預(yù)見因素。于是通過CAE軟件模擬模型的加載試驗，測試結(jié)構(gòu)工作性能，并同時與現(xiàn)有加載試驗結(jié)果進行對比，可以更好的指導(dǎo)模型優(yōu)化，與此同時也大大減少了制作模型消耗的時間和材料。學(xué)生也可以將有限元仿真分析與加載試驗結(jié)合，觀察有限元仿真分析的結(jié)構(gòu)破壞與加載試驗結(jié)構(gòu)破壞的區(qū)別，為模型制作過程中關(guān)鍵部位的精細(xì)加工提供參考，在整個過程中，學(xué)生的動手能力、研究能力、學(xué)習(xí)能力得以充分展現(xiàn)和進一步的培養(yǎng)。

三、賽題實例

1.第四屆中南地區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽賽題

本次競賽題目為“剛性橋墩單跨橋梁結(jié)構(gòu)模型制作和加載試驗”。競賽內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)造型與體系、理論分析方案、現(xiàn)場表現(xiàn)、模型加載試驗等。模型采用大賽組委會提供的竹材料、502膠水及工具現(xiàn)場制作，具體結(jié)構(gòu)形式不限。橋梁模型應(yīng)包括橋梁、橋面及橋墩支座等橋梁必要部分，橋梁模型為單跨結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)總高度不超過600mm，橋梁凈跨度不小于800mm，。要同時考慮通航和通車空間的要求，能讓橫截面150mm（寬）×150mm（高）的無質(zhì)量汽車模型順利通過整個橋面。中部主航道500mm范圍內(nèi)未加載前通航凈空不小于150mm。橋梁模型加載模擬兩車道車輛荷載（逐級加載至50kg砝碼）不利布置、水平剎車力（最大8kg砝碼）和橫向風(fēng)力（3kg砝碼）組合作用的工況

2.結(jié)構(gòu)選型

在結(jié)構(gòu)方案設(shè)計時考慮了橋梁結(jié)構(gòu)形式、荷質(zhì)比、制作材料、局部加強等方面的問題，結(jié)合賽題所提供材料、通航通車等功能要求，以及跨度、加載等條件，對比了桁架梁式橋、拱橋、懸索橋、斜拉橋四種橋梁結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)缺點，選用斜拉橋作為此次參賽選型，如圖1所示為方案效果圖。

圖1 方案效果圖

3.結(jié)構(gòu)分析

（1）計算假定和建模

首先采用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器進行結(jié)構(gòu)的平面計算，但只能得到平面簡化模型在豎向荷載作用下的內(nèi)力和變形，與實際空間受力不符，于是用ABAQUS軟件采用殼單元建立考慮桿件加勁肋的三維實體模型（如圖2所示），并得到其在車輛荷載、水平剎車力和橫向風(fēng)力共同作用下的內(nèi)力圖、應(yīng)力云圖和位移云圖。從而全面分析此斜拉橋的強度、剛度和穩(wěn)定性。

采用ABAQUS建立計算模型如圖所示，包括塔柱、主梁、連桿、支座桿、斜桿、拉索在內(nèi)的所有構(gòu)件均采用殼單元。根據(jù)相關(guān)資料，取竹皮紙材料力學(xué)性能，有：彈性模量E=1.0×104MPa，抗拉強度取60 MPa，泊松比為0.004。

圖2 ABAQUS殼單元建模計算簡圖

（2）ABAQUS計算結(jié)果及分析

圖3 軸力圖（N）

圖4 剪力圖（N）

圖5 彎矩圖（N.mm）

圖6 位移云圖

圖7 von Mises應(yīng)力云圖

分析：

［1］從圖3可以看出拉索所受的軸向拉力比較大，立柱所受的軸向壓力比較大，從斜拉橋的形式來講，這種受力是比較合理的。

［2］從圖4可以看出在主梁加集中荷載處的剪力比較大，要防止主梁發(fā)生斜截面抗剪。

［3］從圖5可以看出此模型跨中彎矩最大為7682 N.mm，在斜撐桿與主梁相連處形成了反彎矩，這也是符合實際。

［4］從圖6可以看出此結(jié)構(gòu)的最大豎向位移為7.2mm，位移較小，主要原因是在殼單元模型中在桿件中設(shè)置了不少加肋隔板，桿件實際上為箱型截面橫截面，提高了桿件的剛度。

［5］從圖7可以看出此結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為46.7MPa，與材料60MPa的抗拉強度相比還是有一定的安全儲備空間的。從應(yīng)力分布來看，塔柱外側(cè)的拉索應(yīng)力比內(nèi)側(cè)的拉索應(yīng)力大，主要原因是外側(cè)受力更大，于是也導(dǎo)致塔柱的應(yīng)力分布不均勻，因為此時塔柱相對于是偏心受力。

四、結(jié)束語

隨著大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽越來越廣泛的開展，題目難度也越來越具挑戰(zhàn)性，僅依靠靜力分析、計算，已經(jīng)不能完全滿足賽題的要求。于是將CAE軟件引入結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽，使學(xué)生能更好地將理論知識、計算機仿真結(jié)構(gòu)設(shè)計、加載試驗三者相結(jié)合，在結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)計算分析、結(jié)構(gòu)合理性和創(chuàng)新性、荷重比、剛重比等評分關(guān)鍵環(huán)節(jié)拔得頭籌。

參考文獻

［1］ 賈傳果，張川，李英民等.結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽對土木工程專業(yè)本科教育重要性的探討［J高等建筑教育2014，23（1）：133-135

［ 2］李麗君，許英姿.CAE 軟件在力學(xué)教學(xué)與實踐中的應(yīng)用［J］.實驗技術(shù)與管理，2010，27（ 10） ： 113-115.

［3］ 張炎圣，陸新征.大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽中的計算機仿真分析［J］.力學(xué)與實踐，2009（4）：1-11，102.

［4］ 江丙云，孔祥宏，羅元元. ABAQUS工程實例詳解［M］.人民郵電出版社.2014.9

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［6］ 劉建平，魯麗君，李穎.CAD / CAE 軟件在混凝土結(jié)構(gòu)教學(xué)及實踐中的應(yīng)用［J.］ 實驗室科學(xué)2012，15（2）：96-102