利用ANSYS计算复杂薄壁杆件的截面特性
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截面特性的Ｉ：具软件，如Ｓｔａａｄ、ＦｌｅｘＰＤＥ等，能对各种截厦进行计算，可以得到扭转常数和翘曲常数，但截面不能太复杂，原因在丁－不能人：【：进行网格划分。ＡＮＳＹＳ是通用有限元软件，通过了ＩＳ０９００１质量体系认证。它具有网格划分和自定义截面的功能，利用ＡＮＳＹＳ计算截面几何特性正成为～种趋势。ＢＥＡＭ２４梁单元是一种三维薄壁单元，它通过一系列的矩形节段来描述断面的几何形状，每个矩形节段由节段点坐标和厚度来表示。利用ＢＥＡＭ２４单元，可以自定义任意形状的截面蹲１，但节段点数不能超过２０，功能有限。文献”５给出了ＡＮＳＹＳ中自定义截面的方法，但步骤过于繁琐，没有讨论复杂薄壁截面的计算。作者通过实践摸索，找到了一种在ＡＮＳＹＳ中计算薄壁截面几何特性的方法，可适用于任何复杂程度的薄壁截面。２实施步骤和技巧
ＡＮＳＹＳ提供了两种梁横截面的定义方式，普通截面和用户自定义截面Ｈ’。
Ｊ：字型、Ｔ型、Ｈ型等１１种常用截面属于普通截面，存储在ＡＮＳＹＳ截面库
中。实际工程中的梁横截面多为普通截面的组合形式，或更为复杂，需要采
取用户自定义截面的方法求解截面的几何特性。ＡＮＳＹＳ将需要计算的截面视
为面域，采用ＰＬＡＮＥ８２（缺省）或ＭＥＳＨ２００单元对面域进行网格划分（图
１），每个网格视为一个ｃｅｌｌ，含９个节点和４个积分点。ＡＮＳＹＳ将截面视为
多区格（ｍｕｌｔｉ－ｃｅｌｌｕｌａｒ）的有限元模型，迭代求解几何特性。区格ｃｅｌｌ的网格
尺寸可以人‘１二控制。每个ｃｅｌｌ可以赋予各自独立的材料属性。图１ＡＮＳＹＳ将截面划分为多区格２．１创建截面的几何模型的有限元模型．求解几何特性描述截面几何形状的面域可以在ＡＮＳＹＳ中通过点一线一面的方式直接生成，也可以从外部文件导入。常脯的建模软件有ＡｕｔｏＣＡＤ、ＵＧ、ＳＡＰ２０００、Ｓｔａａｄ等，ＡｕｔｏＣＡＤ是绘图的常用工具，应用最为普遍，本文即以ＡｕｔｏＣＡＤ为Ｉ：具创建截面的几何模型。从几何角度来看，复杂薄壁截面通常由外框线、内框线和Ｕ肋（Ｔ肋）这三部分组成，拓扑关系为薄壁截面＝外框线一内框线一Ｕ肋（Ｔ肋），如图２所示。在ＡｕｔｏＣＡＤ中可以将三者绘制在不同的图层上，赋予各自的颜色，通过图层开关和颜色来进行标识和编辑。ＡＮＳＹＳ限制ｃｅｌｌ数目不得超过８０００个，否则不能求解。因此，控制网格尺寸和密度是创建面域时最为关键的一步。许多截面计算工具软件因为缺乏用户控制网格的工具，对复杂薄壁截面无能为力。譬如ＦｌｅｘＰＤＥ，它通过求解偏微分方程，反复加密网格，循环计算，直到精度满足要求。但对于复杂薄壁截面，这种循环求解会导致内存溢出。
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图２薄壁截面的拓扑关系图３局部位置的网格划分如图３所示，在Ｕ肋（Ｔ肋）处，需要将薄壁与肋板对应的线段断开，形成线条一一对应的关系。这样，ＡＮＳＹＳ通过拓扑关系能白动识别这种对应关系，并生成自由四边形网格。为保持四边形网格的长宽
比协调．对其它线段也需要作入Ｊ：剖分，长宽比不宜大于６。实际薄壁截蕊的Ｕ肋（Ｔ肋）通常等间距布
图４闭口钢箱形截面４分离式薄壁截面ｌ，ｉ
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图５开闭口混合裁面
ＡＮＳＹＳ可以将多个面域定义成～个截面文件．操作时完成一个面域的所有工作，复制、镜像生成其它面域，再定义成截面文件。西堠门大桥是浙江省舟山大陆连岛工程中的一座特大型悬索桥，主跨１６００ｍ。为了改善加劲梁断面的气动性能，设计成分离式钢箱梁断面（图６），中间开槽６ｍ。借助ＡＮＳＹＳ，我们成功求出截面的几何特性，为动力有限元模型提供数据。
图６分离式钢箱形截面
５组合截面
图７钢管混凝士截面
ＡＮＳＹＳ可以对不同面域赋予不同的材料属性，甚至每个ｃｅｌｌ的材料属性都可以不同。利用这一功能，我们可以求解组合材料截面的几何特性。首先定义需要的材料，赋予面的单元属性时，对每个面域分别赋予材料性质，其它步骤同上。
广东珠江丫髻沙大桥是一座中承式拱桥，每片拱肋由６①７５０ｍｍ钢管混凝士结构组成，由横向平联板、腹杆连接成稳定的空间桁架结构。上面三根钢管通过横向平联扳形成共同受力的肋板式结构，下面同此。它的有限元模型通常简化为上下两根粱通过腹杆连接的平面桁架。利用ＡＮＳＹＳ，我们计算了这种肋板式梁的截面特性。恻７显示了截面的形心平｜ｌ剪切中心坐标，其它结果为弹性参数，ＡＮＳＹＳ住调用该截面时，白动读入。
６结语
利用ANSYS计算复杂薄壁杆件的截面特性
作者：胡晓伦， 陈艾荣， 常英
作者单位：胡晓伦,陈艾荣(同济大学,土木工程防灾国家重点实验室,上海,200092)， 常英(湖北省交通规划设计院,湖北,武汉,430051)
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4、进行了杭州湾人桥全桥气弹模型风洞试验研究和非线性抖振时域分析，将二者做了对比分析验证。
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下载时间：2010年10月27日