运用Ansys软件模拟研究桥梁的结构

关善超

(1. 苏州市阳山实验初级中学校，江苏 苏州 215151; 2. 陕西师范大学物理学与信息技术学院，陕西 西安 710119)

桥梁的研究是人教版高中物理必修1的课题研究内容.该问题的选取既巩固了刚刚学完的牛顿运动定律,又不局限于课本,紧密联系生活实际,充分锻炼学生分析解决问题的能力,很具有发散性和探究价值．但是,由于探究所需材料需要大量采购(如木板,胶水等),探究所需时间也相对较长,尤其是学生最终设计结果也难以有效判断优劣,因此,该课题开展面临很多困难,未起到预期的教学效果．近年来,随着新技术的不断发展和完善,计算机模拟解决物理教学中的问题也逐渐被大家所重视,并且很好地解决了一些以往常规试验难以解决的问题．[1-2]计算机仿真模拟过程清晰,结果准确且生动形象,同样适用于中学物理教学,可以极大地激发了学生的探究欲望和学科兴趣,起到很好的教学效果.[3]本文运用Ansys软件对学生设计的不同结构桥梁进行数值模拟,可以直接得到不同桥梁的形变及桥梁各部位的应力大小,清晰地选出设计的最优方案,并且根据模拟结果给出合理的改进建议．[4]既节约实验成本,又节省课堂时间,同时让学生参与桥梁的设计和改进过程,对于培养科学思维品质和发现解决问题能力有重要的意义．

1 桥梁草图设计

设计要求:如图1所示,两桥墩间跨度为30 cm,桥面总长40 cm,即左右两端各有5 cm和桥墩接触,承重最好的设计胜出．

提供材料:厚度为3 mm的木板,502胶水．

学生小组合作,根据设计要求和所给材料在纸上进行设计．

图1 设计示意图

2 数值模拟过程

首先在Ansys Preferences中,选择Structural结构分析模块．

2.1 添加所需单元

进入Element Type来添加模拟所需单元,本次模拟只需添加结构单元Solid 183即可．

2.2 设置材料属性

进入Material Props来设置材料属性．根据结构静力学分析,只需设置材料的杨氏模量和泊松比．在Iostropic中输入木头的杨氏模量EX=1.1×1010,泊松比PRXY=0.33．

2.3 建立模型

进入Modeling,根据学生设计的桥梁进行建模．这里取梁式桥、斜拉桥、桁架桥3种典型设计进行建模,最终3种模型如图2所示．

图2 3种桥梁建模

2.4 网格划分

进入Meshing,选择Meshing Tool网格划分工具,然后定义网格边界为1 mm,进行三角网格自由划分．

2.5 定义分析类型

进入Analysis Type,该模拟应选择Static静力学分析．

2.6 施加边界条件

根据设计要求,在Define Loads中,约束左右两端5 cm的桥面位移自由度为0,即无法移动．然后在桥面中间施加大小为50 N垂直于桥面向下的力．

2.7 进行求解计算

进入Solution模块,选择Solve→Current LS进行求解计算．

3 模拟结果分析

进入General Postproc后处理器,使用Plot Results画出3种桥梁在相同大小压力下的形变云图(图3)．

图3 形变云图

由形变云图可知3种桥的形变情况及最大形变出现在何位置．梁式桥、斜拉桥和桁架桥的最大形变量分别为0.29×10-3m、0.6×10-5m和0.16×10-5m．可以清楚得到桁架桥在这3种设计中变形最小,最具优势．

然后画出3种桥对应的等效应力云图(图4)．

由应力云图可知3种桥的应力分布情况及最大应力出现在何位置．梁式桥、斜拉桥和桁架桥的最大应力分别为1.4×107Pa、3.2×105Pa和4.5×104Pa．一般普通木板承受的最大剪应力约为1.7×108Pa,3种设计均能承受50 N的压力,但模拟结果可得桁架桥应力分布最均匀,承重效果最好．

模拟总结及改进建议:梁式桥结构最为简单,耗材最少成本低,适用于承重量不大的小桥设计．斜拉桥承重量相对较好,拉绳角度和位置对承重有很大影响,同学们的设计造成应力集中在桥梁中部,会造成中部易断,因此可以考虑加强中部结构强度．桁架桥承重最好,应力分布相对均匀,形变最小,是本次设计的最优方案．

图4 应力云图

4 结论

运用Ansys模拟来进行人教版高中物理必修1中课题研究是非常具有创意且便于实施的新思路．同学们通过本节课的学习既巩固完善了所学知识,明确了各种设计的优缺点,又了解了桥梁设计中的真实过程——数值模拟静态结构分析．运用现代教学手段进行教学,极大地提高了学生的学科兴趣,激发了学习动力,开拓了学生视野,明确了学习方向,培养了发现问题提出问题解决问题的能力,对全面提高学生科学核心素养有十分重要的意义．