基于ansys斜拉桥的稳态有限元分析

基于ansys斜拉桥的稳态有限元分析

张华强

山东建筑大学250101

摘要：采用有限元分析软件ansys建立斜拉桥三维立体模型，其中拉索桥的所有梁采用beam模型，桥面采用shell模型，10根拉索桥将采用link模型，将beam模型和shell模型用formnewpart组合为一体，最后，求出整个模型的变形云图，并进行稳态等问题的相关后处理。

关键词：有限元分析；beam模型；shell模型；link模型

1建立有限元模型

1.1三维有限元模型的建立

采用有限元分析软件ansys建立斜拉桥三维立体模型，并对其进行数值分析。在EngineeringData表格内点击右键新建一种材料，命名为c40，依次定义density（密度）为2500kg/m3，Young’sModulus（杨氏模量）为33000Mpa，Poisson’sRatio（泊松比）为0.2。

其材料属性如表1所示，点击Model进入Mechanical界面，如图4-6-16所示定义Shell模型的厚度和材料。

1.2.定义Link单元类型

点击LineBody，依次命名为11，12，……，110，右键InsertCommands，在空白处输入以下命令。

LINK180单元是有着广泛工程应用的杆单元，它可以用来模拟桁架、缆索、连杆、弹簧等等。这种三维杆单元是杆轴方向的拉压单元，每个节点具有三个自由度：沿节点坐标系X、Y、Z方向的平动。就像铰接结构一样，单元不承受弯矩。单元具有塑性、蠕变、旋转、大变形、大应变等功能。默认情况下，无论进行何种分析，当使用命令NLGEOM，ON时，LINK180单元的应力刚化效应开关打开。同时本单元还具有弹性、各向同性塑性硬化、动力塑性硬化、Hill（各向异性塑性）、Chaboche（非线性塑性硬化）以及蠕变等性能。

LINK180单元通过两个节点I和J、横截面面积（AREA）、单位长度的质量（ADDMAS）及材料属性来定义。单元的X轴是沿着节点I到节点J的单元长度方向。单元的荷载描述见NodeandElementLoads（节点荷载和单元荷载）。温度可以作为单元在节点处的体荷载来输入。节点I处的温度T（I）缺省为TUNIF，节点J处的温度T（J）默认值为T（I）。LINK180单元允许通过改变截面积来实现轴向伸长功能。缺省时，单元的截面积改变然而体积保持不变，即使变形后亦如此，缺省值适合用于弹塑性分析。也可以通过设置KEYOPT（2）使截面积保持不变或刚性。

SHELL181单元适合对薄的到具有一定厚度的壳体结构进行分析。它是一个4结点单元，每个结点具有6个自由度：x，y，z方向的位移自由度和绕X，Y，Z轴的转动自由度。（如果应用了薄膜选项的话，那该单元则只有移动自由度了）。简并三角形选项只在该单元做为充填单元进行网格划分时才会用到。

Shell181单元非常适用于分析线性的，大转动变形和非线性的大形变。壳体厚度的变化是为了适应非线性分析。在该单元的应用范围内，完全积分和降阶积分都是适用的。SHELL181单元阐明了以下（荷载刚度）分布压强的效果。

SHELL181单元可以应用在多层结构的材料，如复合层压壳体或者夹层结构的建模。在复合壳体的建模过程中，其精确度取决于第一剪切形变理论（通常指明德林-雷斯那壳体理论）

Beam188单元适合于分析从细长到中等粗短的梁结构，该单元基于铁木辛哥梁结构理论，并考虑了剪切变形的影响。

Beam188是三维线性（2节点）或者二次梁单元。每个节点有六个或者七个自由度，自由度的个数取决于KEYOPT（1）的值。当KEYOPT（1）＝0（缺省）时，每个节点有六个自由度；节点坐标系的x、y、z方向的平动和绕x、y、z轴的转动。当KEYOPT（1）=1时，每个节点有七个自由度，这时引入了第七个自由度（横截面的翘曲）。这个单元非常适合线性、大角度转动和/并非线性大应变问题。

1.3.定义连接

采用SpotWeld定义Link模型与Beam、Shell模型的连接。

另外，特别注意Beam模型与Shell模型的连接设置，已将Shell模型与Beam模型进行了FormNewPart处理，合并为Part2，但是并没有实现全部节点共赏拓扑。在DM中，可以看到Beam模型和Shell模型的公共边界并没有显示为EdgeJoints。这样设置如果进行计算，必然会出现Beam模型与Shell模型的变形不连续现象。

为保证模型变形的连续性，可以采用MPC接触设置。对于MPC算法，它可以有效解决不协调网格之间的连接问题，且自动处理实体、壳、和梁之间任意的装配连接。首先点击Contacts的Details菜单，将Edge/Edge设置为Yes，其余设置为No（表示自动接触准则只定义边和边的接触）。然后右键点击创建自动接触（CreateAutomaticConnections），再将自动产生接触中的Formulation定义为MPC，如图4-6-20所示设置。

保证Beam模型与Shell模型共赏拓扑：除了必须使用FormNewPart操作组合以外，还需在建模时注意：在DM-Concept菜单下，Beam模型可以由LinesfromSketches、LinesformEdges构建，Shell模型可以由SurfacesfromEdges、SurfacesfromSketches构建，要满足全部节点的共赏拓扑，两者构建必须不能源于同一几何，即如果Shell模型基于Edge（模型）构建，Beam模型就必须基于Sketches（草绘）构建；或Shell模型基于Sketches（草绘）构建，Beam模型就必须基于Edge（模型）构建。如果两者基于同一几何（Edge或Sketches），则只有Shell和Beam模型的角点共赏拓扑。

1.4划分网格

在Sizing下选中Link模型20根线，其中Type选择Numberofpisions（等分份数），Numberofpisions选择1，Behavior选择Hard。

注意：如果在Command中已对Link模型加载了初始应力或初始应变，Link模型在网格划分时可以不止划分一份，如果分析计算以Link模型找形为目的，可以划分多份；如果不以Link模型作为分析的主要目标，仅划分一份就可以，计算过程中产生的Warning可以忽略。

2边界条件及后处理

2.1边界条件设置

如前所述，已经在Command中加载了初始应变，所以整个工况仅为一步，点击AnalysisSettings，在细节菜单下仅需将LargeDeflection设置为On，其余均默认设置。边界条件为整个模型加载重力加速度和相应基础点的约束。

2.2后处理

求解后，求出整个模型的变形云图。其余相关后处理。

打开预应力开关，把静力学分析的数据传递给模态分析模块模态分析，前6阶频率。4、6向内弯折。

3结论

采用ANSYS有限元分析软件，先对斜拉桥进行预应力分析，再打开预应力开关，把预应力分析的数据传递给模态分析可知：

（1）应力云图，从图中可以看出，应力MAX处发生在桥的两端中点处。

（2）等效弹性应变图，从图中可以看出，应力max处发生在桥的两端中点处。

（3）总变形图：从图中我们可以看出桥墩中间的变形最大，且在主梁越往上变形越大。

（4）模态分析，前6阶频率。4、6向内弯折。

参考文献：

[1]范立础．桥梁抗震[M]．上海：同济大学出版社，1997．

[2]苏成，韩大建，王乐文．大跨度斜拉桥三维有限元动力模型的建立[J]．华南理工大学学报：自然科学版，1999，２７（11）：51-56.

[3]宋雨，陈东霞．斜拉桥动力特性分析[J]．厦门大学学报：自然科学版，2006，45（1）：56-59．

[4]李兆霞，李爱群，陈鸿天，等．大跨桥梁结构以健康监测和状态评估为目标的有限元模拟[J]．东南大学学报：自然科学版，2003，33（5）：562-572．

[5]刘永健，张俊光，黄健超，等．双层桥面三桁刚性悬索加劲钢桁梁桥全桥试验模型[J]．建筑科学与工程学报，2008，25（3）：61-65．

[6]刘永健，刘剑，朱铭，等．双层桥面三桁刚性悬索加劲钢桁梁桥全桥静动力模型设计[J]．建筑科学与工程学报，2008，25（1）：84-87．

[7]张德文，魏阜旋．模型修正与破损诊断[M]．北京：科学出版社，1999．