ANSYS在公路桥梁工程中的应用与研究

渠风英

（山西省晋中路桥建设集团有限公司，山西 太原 030600）

近几年来，我国在不断建设标准最高、技术最复杂、科技含量最高的超大型桥梁工程。依靠科技创新，攻克了桥梁领域的诸多难题，并保持了世界先进水平。我国桥梁工程的标准规范、计算理论、结构分析、模型试验、材料科学、施工工艺、施工设备、施工控制、检测技术、专用设备等方面的综合技术取得了长足的进步，同时也使得桥梁的计算方法和结构分析方法等也变得越来越复杂，目前常用的分析方法有有限元分析方法。

有限单元法，又称有限元法，是一种求解数学物理问题的数值方法。它最早起源于固体力学，后来又迅速扩展到流体力学、传热学、电磁学、声学等与场问题有关的物理学领域。有限元法运用于桥梁工程，对梁和板结构进行分析，对结构的稳定性分析。

ANSYS是以有限元为基础的计算机软件，由于其具有结构、热、流体、电磁和耦合场分析功能，并且功能体系完整强大，得到非常成功的应用和推广，应用于航天航空、军工、能源动力、船舶、车辆、通用机械等各个行业。

1 ANSYS有限元求解的基本步骤

1.1 分析准备

（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）建立新的标题：Utility Menu→File→Change Title→OK。

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

1.2 建立有限元模型

ANSYS系统中的建模包括实体模型、有限元模型和荷载与边界条件，建模的目的是为了获得正确的有限元网格模型，同时要保证网格具有正确的形状，单元大小密度分布合理，适用于施加边界条件和荷载，保证变形后仍然具有合理的单元形状，场量分布描述清晰，好的建模是计算机成功的保证。建立模型步骤如下：

（1）选择并定义单元类型与实常数：常用的单元类型有link1（2D）和link8（3D）用来模拟珩架，一根杆划一个单元；link10用来模拟拉索，注意要加初应变，一根索可多分单元；link180是link10 的加强版，一般用来模拟拉索。beam3（2D）和 beam4（3D）是经典欧拉梁单元，用来模拟框架中的梁柱，虽然一根梁只划一个单元在单元两端也能得到正确的弯矩图，但是要得到和结构力学书上的弯据图差不多的结果还需多分几段；beam44适合模拟薄壁的钢结构构件或者变截面的构件；beam188和beam189号称超级梁单元，基于铁木辛科梁理论，有诸多优点：考虑剪切变形的影响，截面可设置多种材料，可用“/eshape，1”显示形状，截面惯性矩不用自己计算而只需输入截面特征，可以考虑扭转效应，可以变截面（8.0以后）；shell41一般用来模拟膜；shell63可针对一般的板壳，注意仅限弹性分析；加强版是shell181（注意18*系列单元都是ansys后开发的单元，考虑了以前单元的优点和缺陷，因而更完善；常用的就solid45、46、65、95等，solid46可以容忍单元的长厚比达到20∶1，可以用来模拟钢板碳纤维板钢管等；solid65是专门的混凝土单元。另外还有combin（弹簧）系列和contact（接触）系列等。

定义单元类型见图1。

图1

定义实常数见图2。

图2

图3

（2）定义材料属性数据：对于弹性部分一般用MP命令输入，非线性部分用TB命令输入；TB，CONCR用来模拟混凝土，采用w-w五参数破坏准则，只能和solid65配合使用；TB，DP即Drucker-Prager模型，ansys中唯一用来模拟土的模型。可以和几乎所有单元类型（2维和3维）配合使用；TB，BKIN（BISO，MKIN，MISO）一般用来模拟钢材。双线形随动强化（双线形等向强化、多线形随动强化、多线形等向强化）模型。

（3）创建或读入几何模型：ANSYS的建模功能很强，建模有两种方法即，在CAD实体建模和网格建模。前者是直接利用CAD模型进行单元网格划分，后者是直接生成节点并利用节点创建单元，从而获得单元网格的有限元模型。

本文以桥梁工程当中常用的工字型截面曲梁为例，创建实体模型。

首先，创建关键点：菜单路径Main Menu→Preprocessor→Mo deling→Create→Keypoints→In Active CS，弹出以下菜单，见图 4。

图4

文本框中的1即为创建1号关键点，（0，0，0）即为坐标，单击Apply依次创建出其余9个关键点。

其次，创建样条曲线：菜单路径Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Splines→With Options→Spline thru KPs，依次拾取关键点1，2和3，单击OK，弹出设置方向矢量的对话框，设置如下选项：

文本框中-1，0，0表示起始端的方向矢量；0,-1,0表示终止端的方向矢量最后，创建1/2工字截面：菜单路径Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Areas→Arbitrary→Through KPs，拾取关键点 1、4、5、6、7、8、9 和 10。

图5

（4）划分单元获得网模型：在划分单元网格之前，必须给每个几何模型的点、线、面、体分配适当的单元属性，包括单元类型号、单元实常数号、材料号、单元坐标系、方向关键点。

（5）模型检查和储存模型。

1.3 加荷求解

（1）选择分析类型并设置分析选项。（2）施加荷载。

（3）设置荷载步选项。

（4）执行求解。

1.4 查看分析结果

（1）查看分析结果。

（2）分析处理并评估结果。

2 注意事项

（1）建模时一定要充分查阅有关资料，掌握荷载的作用点在那里、边界条件的设置原则与方法。

（2）单元的划分一定要注意有预划分和真划分两个过程，当你给所选的线或面或体选择了划分单元数后，窗口会出现一个划分后的效果图，注意，这个预划分阶段，还要再打开mesh tool工具栏，选择后面的条件，直到选择了mesh按键后，才真正出现划分单元的模型。实际上你的网格划分成功与否，直接选择list命令中的node命令就可以查看了，有了node列表就证明划分成功，反之则没有。

（3）局部坐标系创建完成后，马上自动成为激活坐标系，即自动成为当前坐标系。

（4）在进行分析时，所有荷载必须预留好施加位置，比如要在一个面上施加一个点荷载，在划分网格是必须在集中力位置预留一个节点，位置恰好就在荷载作用点。

（5）对于大跨度结构，恒载会产生预应力，因此在进行静态分析时，将“预应力”开关打开，然后以静力分析问题为基础，进行模态或动力分析。

[1]孙勇、岑成贤.ANSYS在桥梁工程中的应用[J].东北林业大学学报，2005（3）：104-105.

[2]侯新录.结构分析中的有限元法于程序设计[M].中国建材工业出版社，2004.

[3]博弈创作室.ANSYS9.0经典产品基础教程与实例详解[M].中国水利水电出版社，2006.