第三章 结构静力学分析

3.3.2 结构静力学分析应用实例解析——钢桁架桥的受力分析

    1.问题描述

    钢桁架桥简图如图3-10所示，已知下承式简支钢桁架桥长72m，每个节段为12m，桥宽10m，高16m。设桥面板为0.3m厚的混凝土板。钢桁架桥杆件规格见表3-3。

    图3-10 钢桁架桥简图

    表3-3 钢桁架桥杆件规格

    材料属性见表3-4。

    2.求解步骤

    （1）建立工作文件名和工作标题

    1）进入ANSYS/Multiphysics的程序界面后，在菜单Utility Menu中选择File→Change Jobname命令，弹出Change Jobname对话框。在[/FILNAM]Enter new jobname文本框中输入工作名称Structural，如图3-11所示。单击“OK”按钮，关闭该对话框。

    表3-4 材料属性

    图3-11 定义工作文件名

    2）在菜单Utility Menu中选择File→Change Title命令，弹出Change Title对话框，在[/TITLE]Enter new title文本框中输入Truss Bridge Static Analysis，如图3-12所示。单击“OK”按钮，关闭该对话框。

    图3-12 定义工作标题

    （2）过滤图形界面

    在菜单Main Menu中选择Preferences命令，打开Preferences for GUI Filtering对话框，选中Structural来对后面的分析进行菜单及相应的图形界面过滤。

    （3）定义单元类型
    在菜单Main Menu中选择Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete命令，弹出Element Types对话框，单击“Add”按钮，弹出Library of Element Types对话框。在Library of Element Types列表框左侧滚动栏中选择Structural Beam，在右侧滚动栏中选择3D elastic 4，单击“OK”按钮，定义了BEAM4单元，如图3-13所示。继续单击Element Types对话框上的“Add”按钮，弹出Library of Element Types对话框，在Library of Element Types列表框左侧滚动栏中选择Structural Shell，在右侧滚动栏中选择Elastic 4node 63，单击“OK”按钮，就定义了SHELL63单元。定义的两个单元如图3-14所示。最后单击“Close”按钮，关闭Element Types对话框。

    （4）定义梁单元截面

    1）在菜单Main Menu中选择Preprocessor→Sections→Beam→Common Sections命令，弹出Beam Tool工具栏，按照图3-15a所示进行设置；设置完毕后单击“Apply”按钮，按照图3-15b所示进行设置；设置完毕后单击“Apply”按钮，接着按照图3-15c所示进行设置，最后单击“OK”按钮关闭工具栏。

    图3-13 “单元类型库”对话框

    图3-14 “单元类型”对话框

    图3-15 定义3种截面

    a)ID=1的梁单元截面b)ID=2的梁单元截面c)ID=3的梁单元截面

    2）每次定义好截面以后，单击“Preview”按钮可以观察截面特性。本模型中的3种截面图及其截面特征如图3-16所示。

    图3-16 3种截面图及其截面特征

    （5）定义实常数

    1）在菜单Main Menu中选择Preprocessor→Real Constants→Add/Edit/Delete命令，弹出Real Constants对话框，单击“Add”按钮，弹出Element Type for Real Constants对话框，选择Type 1 BEAM4，如图3-17所示，单击“OK”按钮，在Real Constant Set Number 1，for BEAM4对话框中，按照图3-18所示进行输入。单击“OK”按钮，关闭对话框。

    图3-17 选择单元

    图3-18 定义梁单元实常数

    2）继续单击“Add”按钮设置2号实常数，在Element Type for Real Constants对话框中选择Type 1 BEAM4，单击“OK”按钮，在Real Constant Set Number 2，for BEAM4对话框中的文本框中从上至下依次输入2、0.0141、0.128e-3、0.415e-3、0.4、0.4，单击“OK”按钮。

    3）继续单击“Add”按钮设置3号实常数，在Element Type for Real Constants对话框中选择Type 1 BEAM4，单击“OK”按钮，在Real Constant Set Number 3，for BEAM4对话框中的文本框中从上至下依次输入3、0.0117、0.541e-4、0.324e-3、0.3、0.4，单击“OK”按钮。

    4）继续单击“Add”按钮设置4号实常数，在Element Type for Real Constants对话框中选择Type 2 SHELL63，单击“OK”按钮，在Real Constant Set Number 4，for SHELL63对话框中的Shell thickness at node I TK（I）文本框中输入0.3，其他项不写，单击“OK”按钮。最后单击“Close”按钮，关闭对话框。

    （6）定义材料属性

    1）在菜单Main Menu中选择Preprocessor→Material Props→Material Models命令，弹出Define Material Model Behavior对话框。

    2）在Material Models Available列表中依次单击Structural→Linear→Elastic→Isotropic选项，弹出Linear Isotropic Properties for Material Number1对话框，如图3-19所示，在EX文本框中输入2.1e11，在PRXY文本框中输入0.3，单击“OK”按钮。

    3）在Define Material Model Behavior列表中依次单击Structural→Density，弹出Density for Material Number 1对话框，如图3-20所示，在DENS文本框中输入材料的密度7850，单击“OK”按钮。

    图3-19 设置弹性模量和泊松比

    图3-20 设置密度

    4）设置好一种钢材材料之后，还要设置第2种混凝土桥面板材料。在Define Material Model Behavior对话框中，选择Material→New Model命令，弹出Define Material ID对话框，接受默认的材料编号，单击“OK”按钮。这时Define Material Model Behavior对话框左侧出现Material Model Number2，同第1种材料的设置方法一样，在Linear Isotropic选项中的EX文本框中输入3.5e10，在PRXY文本框中输入0.1667；在Density选项中的DENS文本框中输入2500，单击“OK”按钮，如图3-21所示。最后，关闭Define Material Model Behavior对话框。

    图3-21 定义材料属性

    （7）创建有限元模型

    1）生成半跨桥的节点。

    在菜单Main Menu中选择Preprocessor→Modeling→Create→Nodes→In Active CS命令，弹出Create Nodes in Active Coordinate System对话框，在X、Y、Z Location in active CS文本框中依次输入0、0、5，单击“OK”按钮，如图3-22所示。

    在菜单Main Menu中选择Preprocessor→Modeling→Copy→Nodes→Copy命令，弹出Copy nodes拾取菜单，单击“Pick All”按钮，弹出Copy nodes对话框，在ITIME Total number of copies文本框中输入4，在DX X-offset in active CS文本框中输入12，在INC Node number increment文本框中输入4，在RATIO Spacing ratio文本框中输入1，如图3-23所示。设置完成后单击“Apply”按钮返回Copy nodes对话框，再次单击“Pick All”按钮，弹出Copy nodes对话框，在ITIME Total number of copies文本框中输入2，在DZ  Z-offset in active CS文本框中输入10，在INC Node number increment 文本框中输入1，在RATIO Spacing ratio文本框中输入1，单击“OK”按钮，退出对话框。

    图3-22 建立节点

    图3-23 复制节点

    在菜单Main Menu中选择Preprocessor→Modeling→Copy→Nodes→Copy命令，打开Copy nodes对话框，在ANSYS窗口中选择2、6、10号节点，单击“OK”按钮，弹出Copy nodes对话框，在ITIME Total number of copies文本框中输入2，在DY Y-offset in active CS文本框中输入16，在INC Node number increment 文本框中输入1，在RATIOSpacing ratio文本框中输入1，其他项不填写，单击“OK”按钮。

    在菜单Main Menu中选择Preprocessor→Modeling→Copy→Nodes→Copy命令，打开Copy nodes对话框，在ANSYS窗口中选择3、7、11号节点，单击“OK”按钮，在打开对话框中的ITIME Total number of copies文本框中输入2，在DZ Z-offset in active CS文本框中输入?10，在INC Node number increment文本框中输入1，在RATIO Spacing ratio文本框中输入1，其他项不填写，单击“OK”按钮。最终，ANSYS主窗口中出现的画面如图3-24所示。

    2）生成半跨桥单元。

    选择第1种单元属性：在菜单Main Menu中选择Preprocessor→Modeling→Create→Elements→Elem Attributes命令，弹出Element Attributes对话框，如图3-25所示。单击“OK”按钮，关闭对话框。

    图3-24 半桥模型的节点

    图3-25 选择单元属性

    建立端斜杆梁单元：在菜单Main Menu中选择Preprocessor→Modeling→Create→Elements→Auto Numbered→Thru Nodes命令，弹出Elements from Nodes拾取菜单，分别拾取11和14号节点，单击“Apply”按钮，接着拾取12号和13号节点，单击“OK”按钮，如图3-26所示。

    图3-26 建立端斜杆梁单元

    选择第2种单元属性：在菜单Main Menu中选择Preprocessor→Modeling→Create→Elements→Elem Attributes命令，弹出Element Attributes对话框，在[SECNUM] Section number下拉列表中选择2，其他选项不变。单击“OK”按钮，关闭该对话框。

    建立上下弦杆和横梁杆梁单元：在菜单Main Menu中选择Preprocessor→Modeling→Create→Elements→Auto Numbered→Thru Nodes命令，弹出Elements from Nodes拾取菜单，分别在2和6号节点、6和10号节点、10和14号节点、1和5号节点、5和9号节点、9和13号节点、3和7号节点、7和11号节点、4和8号节点、8和12号节点、1和2号节点、3和4号节点、5和6号节点、7和8号节点、9和10号节点、11和12号节点、13和14号节点之间建立单元。最后，单击“OK”按钮，关闭该对话框。

    选择第3种单元属性：在菜单Main Menu中选择Preprocessor→Modeling→Create→Elements→Elem Attributes命令，弹出Element Attributes对话框，在[SECNUM] Section number下拉列表中选择3，其他选项不变。单击“OK”按钮，关闭该对话框。

    建立上下弦杆和横梁杆梁单元：在菜单Main Menu中选择Preprocessor→Modeling→Create→Elements→Auto Numbered→Thru Nodes命令，弹出Elem from Nodes拾取菜单，分别在3和6号节点、6和11号节点、4和5号节点、5和12号节点、2和3号节点、1和4号节点、6和7号节点、5和8号节点、10和11号节点、9和12号节点之间建立单元。最后单击“OK”按钮，关闭该对话框。

    选择第4种单元属性：在菜单Main Menu中选择Preprocessor→Modeling→Create→Elements→Elem Attributes命令，弹出Element Attributes对话框，在[TYPE]Element type number下拉列表中选择2 SHELL63，在[MAT] Material number下拉列表中选择2，在[SECNUM] Section number下拉列表中选择No Section，在[TSHAP]下拉列表中选择4 node quad，其他选项不变。最后单击“OK”按钮，关闭对话框。

    建立桥面板单元：在菜单Main Menu中选择Preprocessor→Modeling→Create→Elements→Auto Numbered→Thru Nodes命令，弹出Elements from Nodes拾取菜单，依次选择1、2、6、5号节点，5、6、10、9号节点，9、10、14、13号节点建立3个壳单元。最后单击“OK”按钮，关闭对话框，如图3-27所示。

    图3-27 桥面板单元

    3）生成全桥有限元模型。

    生成对称单元：在菜单Main Menu中选择Preprocessor→Modeling→Reflect→Elements→Auto Numbered命令，弹出Reflect Elems AU…拾取菜单，单击“Pick All”按钮，弹出Reflect Elems Auto-Num对话框，在NINC Node no→increment文本框中输入14，如图3-28所示。最后单击“OK”按钮。

    图3-28 全桥单元

    4）合并重合节点和单元。

    在菜单Main Menu中选择Preprocessor→Numbering Ctrls→Merge Items命令，弹出Merge Coincident or Equivalently Defined Items对话框，在Label Type of item to be merge下拉列表中选择All，如图3-29所示。单击“OK”按钮，关闭对话框。

    图3-29 合并重合节点和单元

    压缩编号：在菜单Main Menu中选择Preprocessor→Numbering Ctrls→Compress Numbers命令，弹出Compress Numbers对话框，在Label Item to be compressed下拉列表中选择All，如图3-30所示。单击“OK”按钮，关闭对话框。

    图3-30 压缩编号

    5）保存模型文件。

    在菜单Utility Menu中选择File→Save as命令，弹出Save Database对话框，在Save Database to输入栏中输入Structural_model.db，单击“OK”按钮，关闭对话框。