用ANSYS进行桥梁结构分析

用ANSYS进行桥梁结构分析

谢宝来华龙海

引言：我院现在进行桥梁结构分析主要用桥梁博士和BSACS，这两种软件均以平面杆系为计算内核，多用来解决平面问题。近来偶然接触到ANSYS，发现其结构分析功能强大，现将一些研究心得写出来，并用一个很好的学习例子（空间钢管拱斜拉桥）作为引玉之砖，和同事们共同研究讨论，共同提高我院的桥梁结构分析水平而努力。

【摘要】本文从有限元的一些基本概念出发，重点介绍了有限元软件ANSYS平台的特点、使用方法和利用APDL语言快速进行桥梁的结构分析，最后通过工程实例来更近一步的介绍ANSYS进行结构分析的一般方法，同时进行归纳总结了各种单元类型的适用范围和桥梁结构分析最合适的单元类型。

【关键词】ANSYS有限元 APDL结构桥梁工程单元类型

一、基本概念

有限元分析(FEA)是利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。

有限元模型是真实系统理想化的数学抽象。

真实系统有限元模型

自由度(DOFs)用于描述一个物理场的响应特性。

节点和单元

1、每个单元的特性是通过一些线性方程式来描述的。

2、作为一个整体，单元形成了整体结构的数学模型。

3、信息是通过单元之间的公共节点传递的。

4、节点自由度是随连接该节点单元类型变化的。 单元形函数

1、FEA 仅仅求解节点处的DOF 值。

2、单元形函数是一种数学函数，规定了从节点DOF 值到单元内所有点处DOF 值的计算方法。

3、因此，单元形函数提供出一种描述单元内部结果的“形状”。

4、单元形函数描述的是给定单元的一种假定的特性。

5、单元形函数与真实工作特性吻合好坏程度直接影响求解精度。

6、DOF 值可以精确或不太精确地等于在节点处的真实解，但单元内的平均值与实际情况吻合得很好。

7、这些平均意义上的典型解是从单元DOFs 推导出来的（如，结构应力，热梯度）。

8、如果单元形函数不能精确描述单元内部的DOFs ，就不能很好地得到导出数据，因为这些导出数

节点: 空间中的坐标位置，具有一定自由度和 存在相互物理作用。

单元: 一组节点自由度间相互作用的数值、矩阵描述（称为刚度或系数矩阵）。单元有线、面或实体以及二维或三维的单元等种类。

荷载

荷载

有限元模型由一些简单形状的单元组成，单元之间通过节点连接，并承受一定载荷。

据是通过单元形函数推导出来的。

9、当选择了某种单元类型时，也就十分确定地选择并接受该种单元类型所假定的单元形函数。

10、在选定单元类型并随之确定了形函数的情况下，必须确保分析时有足够数量的单元和节点来精确描述所要求解的问题。

二、 选择ANSYS 进行结构的有限元分析

ANSYS 是惟一能实现多场及多场耦合分析，

惟一实现前处理、求解及多场分析统一数据库和具有多物理场优化功能的一体化大型FEA 分析软件。同时，ANSYS 软件拥有丰富和完善的单元库、材料模型库和求解器，保证了它能高效地求解各类结构的静力、动力、振动、线性和非线性问题，稳态和瞬间热分析及热-结构耦合问题，压缩和不可压缩的流体问题。 一个典型的ANSYS 分析过程可分为以下三个步骤： 1、 创建有限元模型(Preprocessor) - 创建或读入几何模型. - 定义材料属性.

- 划分单元 (节点及单元).

从最低阶到最高阶，模型图元的层次关系为：

节点

单元 节点

单元

二次曲线的线性近似

节点

线性近似

单元

节点

二次近似 单元

① ②

④

关键点(Keypoints)→线(Lines)→面(Areas)→体(Volumes)，如果低阶的图元连在高阶图元上，则低阶图元不能删除。创建顺序为关键点→线→面→体，删除顺序为体→面→线→点。

2、加荷载进行求解(Solution)

- 施加荷载及荷载选项(有DOF约束、力、面荷载、体荷载、惯性荷载和耦合场荷载六类)

- 求解.

3、看分析结果(General Postproc)

- 查看分析结果.

- 检验结果.(分析是否正确)

ANSYS的模块化结构如下：

三、桥梁工程常用单元

有限单元法解题的一般步骤为：结构的离散化，选择位移模式，建立平衡方程，求解节点位移，计算单元中的应变和应力。

结构分析常用单元类型表

1、LINK1 2-D Spar单元

应用范围：LINK1单元可以模拟二维构架、铰链、弹簧等结构。此单元为二位单元，只可以承受单向的拉伸或者压缩，每个节点上具有两个自由度。

一般假设：在杆单元中，假设材料为均质等直杆，且在轴向上施加荷载。杆的长度不能为零，所分析的杆件必须处于X-Y平面内，且面积不能为零。温度被假设为沿着杆的长度方向线性变化。

应用限制：阻尼材料特性不能使用；流体荷载不能使用；只允许适用的特征为应力刚度和大应变分析。

2、LINK8 3-D Spar单元

应用范围：LINK8单元用在工程结构中模拟三维空间桁架、绳索、铰链以及弹簧单元，此单元可以承受单向的拉伸或者压缩，每个节点上具有三个自由度。

一般假设和应用限制同LINK1。

3、LINK10 Tension-only or Compression-only Spar单元

其特有的双线性刚度矩阵导致单元只能承受单向的拉伸或单向压缩。可以模拟一个松弛的电缆或者松弛的铰链模型，这个特征在模拟静态的钢索问题是非常有用的，特别是在整个钢索使用一个单元来分析时。

4、BEAM3 2-D Elastic Beam单元

BEAM3 单元只能承受单向的拉伸、压缩和弯曲。此单元在每一个节点上有三个自由度，即沿着坐标X轴和Y轴方向的自由度和绕着Z轴的旋转自由度。可以模拟螺钉、带槽的圆筒等。

一般假设：在梁BEAM3单元中，对于转动惯量的计算，横截面可以为任意形状。单元的高度仅在弯曲计算和温度应力分析时才有用。温度梯度一般被认为是线性分布。本单元必须位于X-Y平面内，且长度不能为零，在不使用大挠度的情况，惯性矩可以为零。

应用限制：阻尼材料特性不能使用；只允许指定的特征为应力刚度和大应变形分析。

5、BEAM4 3-D Elastic Beam 单元

BEAM4单元可以承受单向的拉伸、压缩、扭转和弯曲。此单元在每一个节点上有六个自由度。即沿着坐标X轴、Y轴和Z轴方向的自由度和分别绕着三轴的旋转自由度。

一般假设：同BEAM3