有限元软件ANSYS 在建筑结构计算中的应用

罗应培，张晓磊，孙亚楠

（1.云南省水利水电科学研究所，云南 昆明 650228；2.黄河水利职业技术学院，河南 开封 475004；3.嵩县龙源水电有限公司，河南 洛阳 471400）

0 引言

结构力学的研究对象主要是静定和超静定杆系结构，例如多跨连续梁、桁架、刚架、三铰拱等结构。利用结构力学中的力法、位移法或力矩分配法求解超静定结构，求解过程麻烦，尤其是多次超静定，需要求解方程组，计算十分复杂。 ANSYS 软件则解决了求解的难题，它不仅具有强大的前处理功能，而且其后处理的显示功能可以清楚地给出结构的位移、内力图，使结构力学的求解问题不仅简单，而且直观。

1 ANSYS 软件分析

ANSYS 软件是在20 世纪70 年代由美国ANSYS 公司开发的大型通用有限元软件[1]。 开发初期，主要应用于电力行业，现在已广泛应用于航空、航天、电子、汽车、土木工程、水利等各个领域，能够满足各行业进行有限元分析的需要［2］。

1.1 ANSYS 软件结构分析

ANSYS 软件结构分析类型主要有静力分析、模态分析、谐波分析、瞬态动力分析、谱分析、屈曲分析、显示动力分析等。 本文主要介绍结构力学问题的静力分析。

1.2 ANSYS 操作界面简述

ANSYS 整个操作界面是纯英文的。 应用命令菜单如图1 所示，主菜单如图2 所示，图形显示窗口如图3 所示。

图1 应用命令菜单Fig.1 Application command menu

图2 ANSYS 主菜单Fig.2 ANSYS main menu

图3 图形显示窗口Fig.3 Graphical display window

1.3 ANSYS 求解步骤

ANSYS 分析过程包括3 个主要步骤： 前处理（Preprocessor），施加荷载与求解（Solution），后处理（Postprocessor）。 前处理包括分析准备、设置单元类型、设定实常数、定义材料属性、创建模型、划分网格等。 施加荷载与求解包括边界条件及荷载、求解（Solve）等。 后处理包括通用后处理和历时后处理，可以定义、显示变形、轴力、剪力和弯矩等参数。

2 应用实例

2.1 受力条件

某多跨连续梁荷载分布如图4 所示。 要求出弯矩图，为结构设计提供最大弯矩值。

图4 连续梁受力结构简图Fig.4 Continuous beam stress structure

2.2 解析法求解

本多跨连续梁属于两次超静定结构，可以根据工程力学知识，运用力法、位移法或力矩分配法进行求解。 这里仅用力矩分配法求解[3]，求解过程如图5 所示，最终弯矩图如图6 所示。

图5 连续梁力矩分配法求解过程Fig.5 Continuous beam moment distribution method solving process

图6 力矩分配法求解的弯矩图Fig.6 Bending moment diagram of moment distribution method solving

如果运用力法求解需要解除两个多余约束，可列一个一元二次方程组求解；如果运用位移法需要求解B、C 两点的角位移，然后求解杆端弯矩，需要画弯矩图。 力法、位移法、力矩分配法3 种方法都需要进行大量的计算，十分复杂，并且容易出现计算错误。

2.3 有限元ANSYS 求解

（1）定义单元类型和实常数。 定义的单元类型为Beam3。梁的截面尺寸b×h=0.2m×1m。定义材料属性：弹性模量E=2×1011Pa 和泊松比ν=0.3。

具体操作：ANSYS Main Menu> Preprocessor >Element Type

ANSYS Main Menu > Preprocessor >Real Constants

ANSYS Main Menu> Preprocessor >Material Props

（2）建立几何模型。 根据连续梁的实际尺寸建立模型，如图7 所示。

每年假期回国，母亲都会学着菜谱，或者向别人讨教经验，自己研制牛肉酱、辣椒酱、肉松、芝麻盐……她总说外面卖的不知道用了什么原料，不健康，不放心。

图7 多跨连续梁结构模型及加载图Fig.7 Structure model and loading figure of continuous beam

具体操作：ANSYS Main Menu> Preprocessor >Modeling>Create

（3）划分网格。 按照0.5m 一个单元进行网格剖分，划分单元。

具体操作：ANSYS Main Menu> Preprocessor >Meshing>Size Cntrls

ANSYS Main Menu> Preprocessor >Meshing>Mesh

（4）加载与求解。 根据实际受力和支座情况，把荷载和约束施加到几何模型上，如图7 所示，然后进行求解。

具体操作方法：ANSYS Main Menu>Solution >Define Loads>Apply

（5）后期处理。 在Define Table 当中定义弯矩，然后在Contour Plot 中显示出该结构的弯矩图，如图8 所示。

具体操作方法：ANSYS Main Menu>General Postproc >Element Table

ANSYS Main Menu>General Postproc >Contour Plot

从弯矩图中可以看出，运用ANSYS 求解的结果精度很高，与用工程力学当中的方法求得的结果一样准确，但图形更直观，美观，而且内力图自动生成。

图8 多跨连续梁ANSYS 求解弯矩图Fig.8 ANSYS solving bending moment diagram of continuous beam

2.4 其他应用实例

ANSYS 除了在多跨连续梁中应用之外，还应用于求解桁架和刚架等结构，其求解过程也是按照前述3 个过程前处理、施加荷载与求解、后处理进行，求解的内力图如图9 和图10 所示。

图9 某桁架ANSYS 求解轴力图Fig.9 Axial ANSYS solving force diagram of some truss

图10 某刚架ANSYS 求解弯矩图Fig.10 ANSY solving bending moment diagram of some rigid frame

3 结语

（1） 利用ANSYS 有限元软件求解结构力学问题，不仅准确、快捷、直观，而且可以调动学生的学习兴趣，激发他们学习力学的动力。

（2）ANSYS 有强大的后处理功能，可以直接生成准确、直观的内力图形，为结构设计提供参考依据。

（3）ANSYS 软件“帮助”中的内容对于了解单元的属性、参数的输入及图形的输出具有很重要的作用。

[1] 张梦宇，闫国新. ANSYS 对混凝土重力坝进行2D 和3D分析之比较[J]. 黄河水利职业技术学院学报，2007，19（4）：25-27.

[2] 李权，ANSYS 在土木工程中的应用[M].北京，人民邮电出版社，2005：1-3.

[3] 杨慧丽.工程力学[M].北京，水利水电出版社，2008：298-301.