CAE软件在大学生结构设计竞赛中的应用

王文利（湖北工业大学工程技术学院 湖北武汉 430068）



CAE软件在大学生结构设计竞赛中的应用

王文利
（湖北工业大学工程技术学院 湖北武汉 430068）

摘 要：随着大学生结构设计竞赛越来越广泛的开展，题目难度也越来越具挑战性，将CAE软件引入结构设计竞赛，除了可以更全面的进行复杂工程的结构强度、刚度、稳定性、动力响应、弹塑性等力学性能的分析计算；还可以进行结构方案的优化设计，大大减少模型制作、加载试验所消耗的时间和材料。本文阐述了CAE软件在结构选型、计算书撰写、模拟模型加载试验中的应用，并以第四届中南地区的结构设计竞赛题目为例，首先进行了结构选型设计，然后利用ABAQUS 这一常见的CAE软件进行三维实体模型的建立，得到其在车辆荷载、水平刹车力和横向风力共同作用下的内力图、应力云图和位移云图。

关键词：CAE软件 结构设计竞赛 仿真分析 加载试验

一、结构设计竞赛及其现状

大学生结构设计竞赛是土木工程专业创新性和实践性最强的学科竞赛，旨在通过对工程材料、力学原理、结构设计方法、实验技术等课堂理论基础知识的综合应用，以竞赛的形式与实际工程相结合，培养大学生的创新思维、团队协作精神、创新设计和动手实践的能力等综合素质。而创新实践能力也是“教育中国梦”的重要内涵［1］。

鉴于此，自1994年清华大学发起此比赛至今，在全国各开设有土木工程专业的高校中，得到了越来越多高校的重视，也掀起了一股结构设计竞赛的热潮。小到各高校全校范围内开展的校赛、各省在全省范围内开展的省赛，大到以地区为范围的地区赛，以至于每年举办一次的国赛。而无论哪个级别的结构设计竞赛，其基本评分体系都大体上相同，包括①设计图及计算书；②模型质量；③现场表现；④加载试验等内容。

随着结构设计竞赛的开展及我国土木类本科生教学水平的提高，题目的难度越来越具有挑战性，仅依靠静力分析、计算，已经不能完全满足赛题的要求。于是将CAE软件引入结构设计竞赛，一方面可以更全面的进行复杂工程的结构强度、刚度、稳定性、动力响应、弹塑性等力学性能的分析计算［2］［3］；另一方面，还可以进行结构方案的优化设计，大大减少模型制作、加载试验所消耗的时间和材料。使学生能更好地将理论知识、计算机仿真结构设计、加载试验三者相结合，在结构选型、结构计算分析、结构合理性和创新性、荷重比、刚重比等评分关键环节拔得头筹。

本文分别阐述了CAE软件在结构选型、计算书撰写、模拟模型加载试验中的应用，并以第四届中南地区的结构设计竞赛题目为例，首先进行了结构选型设计，然后利用ABAQUS 这一常见的CAE软件进行三维实体模型的建立，得到其在车辆荷载、水平刹车力和横向风力共同作用下的内力图、应力云图和位移云图，对模型结构优化设计方案和制作并提出了合适的建议［4］［5］。

二、CAE软件在竞赛中的作用和意义

1.CAE技术及软件概述

CAE 即计算机辅助工程（ Computer Aided Engineering） ，指用计算机辅助求解复杂工程的结构强度、刚度、稳定性、动力响应、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。［6］土木工程常用的 CAE 软件包括ABAQUS、ANSYS、SAP、MIDAS 等。CAE 软件作为大型的有限元分析软件，对提高解决问题的能力是一个全面的锻炼过程。

2.CAE软件在结构选型的应用

不同赛题对结构的受力要求也不尽相同，如高层，桥梁、屋架、渡槽、料仓等，对结构体系的选择也是结构设计竞赛中最能体现创新的地方，可以充分发挥同学的想象力。同时，结构形式的选择也体现出了作者对结构体系的理解和力学分析的能力。进行结构选型时，一般先用定性的方法对比各种结构体系的受力特点、传力途径等，初步选择合适的结构体系，然后通过理论计算得到简化的结构的内力和位移。而对于复杂的结构体系，还需要借助CAE软件进行模拟加载下的内力计算，从而能更合理地设计杆件截面，合理分配材料的使用，提高经济性。

3.CAE软件在计算书中的应用

结构设计竞赛不仅要求学生手工制作模型，而且还要提供必要的设计计算书，计算书一般包括结构选型、结构建模、荷载分析、内力分析、模型试验、节点构造、模型加工图等几部分内容组成。在计算书撰写过程中除了要用到AUTOCAD绘图、EXCEL表格处理、WORD文字处理，3DMAX效果图渲染等CAD或编辑软件外，在荷载分析和内力分析部分，往往还需要借助于ABAQUS、ANSYS、MIDAS、SAP等CAE软件，建立有限元模型，进行各种荷载工况及其组合下的内力、位移的计算，再根据有限元计算结果进行模型的设计优化。由此可见，利用CAE软件对结构进行分析，可以合理的模拟结果模型的受力情况并指导结构的设计过程。

4.CAE在模拟模型加载试验中的应用

虽然加载试验是设计的重要检验手段，通过加载试验可以清楚地明白结构的工作性能，哪些部位还需加强，哪些部位可以适当减弱，但是由于众多参赛学校的加载设备有限，有时无法做到和比赛的加载效果一致，导致比赛时出现一些不可预见因素。于是通过CAE软件模拟模型的加载试验，测试结构工作性能，并同时与现有加载试验结果进行对比，可以更好的指导模型优化，与此同时也大大减少了制作模型消耗的时间和材料。学生也可以将有限元仿真分析与加载试验结合，观察有限元仿真分析的结构破坏与加载试验结构破坏的区别，为模型制作过程中关键部位的精细加工提供参考，在整个过程中，学生的动手能力、研究能力、学习能力得以充分展现和进一步的培养。

三、赛题实例

1.第四届中南地区结构设计竞赛赛题

本次竞赛题目为“刚性桥墩单跨桥梁结构模型制作和加载试验”。竞赛内容包括结构造型与体系、理论分析方案、现场表现、模型加载试验等。模型采用大赛组委会提供的竹材料、502胶水及工具现场制作，具体结构形式不限。桥梁模型应包括桥梁、桥面及桥墩支座等桥梁必要部分，桥梁模型为单跨结构，结构总高度不超过600mm，桥梁净跨度不小于800mm，。要同时考虑通航和通车空间的要求，能让横截面150mm（宽）×150mm（高）的无质量汽车模型顺利通过整个桥面。中部主航道500mm范围内未加载前通航净空不小于150mm。桥梁模型加载模拟两车道车辆荷载（逐级加载至50kg砝码）不利布置、水平刹车力（最大8kg砝码）和横向风力（3kg砝码）组合作用的工况

2.结构选型

在结构方案设计时考虑了桥梁结构形式、荷质比、制作材料、局部加强等方面的问题，结合赛题所提供材料、通航通车等功能要求，以及跨度、加载等条件，对比了桁架梁式桥、拱桥、悬索桥、斜拉桥四种桥梁结构形式的优缺点，选用斜拉桥作为此次参赛选型，如图1所示为方案效果图。

图1 方案效果图

3.结构分析

（1）计算假定和建模

首先采用结构力学求解器进行结构的平面计算，但只能得到平面简化模型在竖向荷载作用下的内力和变形，与实际空间受力不符，于是用ABAQUS软件采用壳单元建立考虑杆件加劲肋的三维实体模型（如图2所示），并得到其在车辆荷载、水平刹车力和横向风力共同作用下的内力图、应力云图和位移云图。从而全面分析此斜拉桥的强度、刚度和稳定性。

采用ABAQUS建立计算模型如图所示，包括塔柱、主梁、连杆、支座杆、斜杆、拉索在内的所有构件均采用壳单元。根据相关资料，取竹皮纸材料力学性能，有：弹性模量E=1.0×104MPa，抗拉强度取60 MPa，泊松比为0.004。

图2 ABAQUS壳单元建模计算简图

（2）ABAQUS计算结果及分析

图3 轴力图（N）

图4 剪力图（N）

图5 弯矩图（N.mm）

图6 位移云图

图7 von Mises应力云图

分析：

［1］从图3可以看出拉索所受的轴向拉力比较大，立柱所受的轴向压力比较大，从斜拉桥的形式来讲，这种受力是比较合理的。

［2］从图4可以看出在主梁加集中荷载处的剪力比较大，要防止主梁发生斜截面抗剪。

［3］从图5可以看出此模型跨中弯矩最大为7682 N.mm，在斜撑杆与主梁相连处形成了反弯矩，这也是符合实际。

［4］从图6可以看出此结构的最大竖向位移为7.2mm，位移较小，主要原因是在壳单元模型中在杆件中设置了不少加肋隔板，杆件实际上为箱型截面横截面，提高了杆件的刚度。

［5］从图7可以看出此结构最大应力为46.7MPa，与材料60MPa的抗拉强度相比还是有一定的安全储备空间的。从应力分布来看，塔柱外侧的拉索应力比内侧的拉索应力大，主要原因是外侧受力更大，于是也导致塔柱的应力分布不均匀，因为此时塔柱相对于是偏心受力。

四、结束语

随着大学生结构设计竞赛越来越广泛的开展，题目难度也越来越具挑战性，仅依靠静力分析、计算，已经不能完全满足赛题的要求。于是将CAE软件引入结构设计竞赛，使学生能更好地将理论知识、计算机仿真结构设计、加载试验三者相结合，在结构选型、结构计算分析、结构合理性和创新性、荷重比、刚重比等评分关键环节拔得头筹。

参考文献

［1］ 贾传果，张川，李英民等.结构设计竞赛对土木工程专业本科教育重要性的探讨［J高等建筑教育2014，23（1）：133-135

［ 2］李丽君，许英姿.CAE 软件在力学教学与实践中的应用［J］.实验技术与管理，2010，27（ 10） ： 113-115.

［3］ 张炎圣，陆新征.大学生结构设计大赛中的计算机仿真分析［J］.力学与实践，2009（4）：1-11，102.

［4］ 江丙云，孔祥宏，罗元元. ABAQUS工程实例详解［M］.人民邮电出版社.2014.9

［5］王玉镯等.ABAQUS结构工程分析及实例详解［M］.中国建筑工业出版社.2010.3

［6］ 刘建平，鲁丽君，李颖.CAD / CAE 软件在混凝土结构教学及实践中的应用［J.］ 实验室科学2012，15（2）：96-102