基于ansys斜拉桥的稳态有限元分析

(整期优先)网络出版时间:2019-11-22
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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。

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