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ansys桥梁工程运用

文档类型:docx 上传时间:2018-08-29 文档页数:64页 文档大小:898.63 K 文档浏览:3998次 文档下载:0次 所需积分:0 学币 文档评分:3.0星

ansys桥梁工程运用内容摘要: 第5章 Ansys 桥梁结构工程应用知识点:连续刚构桥仿真桁架桥受力分析悬索结构分析移动载荷桥梁动态响应桥梁地震响应本章导读:桥梁结构是土木行业中最常见的建筑结构工程物之一,对桥梁进行较为精确的受力分析,合理模拟其各种工况下的动态响应,对于桥梁的设计与安全控制有着十分重要的现实意义本章主要通过介绍几种典型桥梁,如桁架桥、悬索桥、刚构桥的受力分析及动力响应,而阐述在 Ansys 中如何实现各种桥梁的建模,移动载荷的加载及地震反映谱(请确认)的输入等有限元分析的相关技术。5.1 连续刚构桥三维仿真分析5.1.1问题的描述某一刚构桥,主桥长 170m,为三跨(48+74+48)预应力变截面双箱双室 V 型墩刚构桥,如图 5-1 和 5-2 所示。V 型墩角度为 90。,与 V 型墩固接处的梁高为 3m,跨中梁高 1.8m,假设只布置纵向预应力钢筋,位置如图 5-2。已知条件如下:材料:混凝土,E=3.25e10  =0.2 Density=2600钢筋, E=207e9  =0.3 Density=7800几何尺寸:箱形截面的顶板与底板厚 0.25m,腹板厚 0.6m,V 型板厚 1m预应力筋面积 0.02,初始预应变-0.005AABB图 5-1 主桥模型4 4120.6 0.25图 5-2 箱型截面提示:(1)采用 shell63 壳单元划分箱形梁的顶板、底板、腹板及 V 型支撑,它有弯曲和薄膜功能,面内和法向荷载都是允许的,本单元有三个平动自由度和三个转动自由度。本单元包括应力刚化和大变形功能,在有限转动的大变形非线性分析中,可以用一致切线刚度矩阵。(2)采用 link8 号杆单元模拟预应力钢筋。它是一个有广泛工程应用的单元,比如:桁架、缆索、连杆以及弹簧等。这种三维杆单元是杆轴方向的拉压单元,每个节点有 3 个平动自由度。本单元拥有塑性、蠕变、膨胀、应力刚化以及大变形和大应变等功能。5.1.2建模建模顺序:生成各节点 生成顶板并划分网格 生成底板并划分网格 生成腹板并划分网格→ → →划分预应力钢筋 生成→ → V 型支撑并划分网格 合并压缩重复节点与单元。由于模型较为→复杂,所以采用 APDL 命令流方式建模较为方便。建模步骤如下:(1) 以交互方式进入 Ansys,设置初始工作文件名为 rigid bridge.。(2) 定义分析类型:指定分析类型为 Structural,程序分析方法为 h-method。路径:Main Menu/Preferences。(3) 定义单元类型:路径:Main Menu/Preprocessor/Element Type/Add/Edit/Delete。在弹出的(什么对话框?请给出名称)对话框中选择 Add,在新的(什么对话框?请给出名称)对话框中选择 shell63 号弹性壳单元为 1 号单元,然后单击“OK”按钮;再单击同“Add”按钮,选择 link8 为 2 号单元,单击“OK”按钮,最后单击“Close”按钮关闭对话框。注意:shell63 号壳单元用来模拟桥面,箱形梁的各部件,(语意不明)link8 单元用来模拟预应力钢筋。(4)定义实常数:路径:Main Menu/Preprocessor/Real Constants/Add/Edit/Delete。在弹出的(什么对话框?请给出名称)对话框中单击“Add”按钮,选择 shell63 号单元,单击“OK”按钮,在图 5-3 的(什么对话框?请给出名称)对话框中 shell thickness I 处填入0.25;对于 shell63 号单元需要定义三种实常数,分别对应于箱形梁的顶层与底层(0.25)、腹板(0.6)、V 形支撑的厚度(1)。定义完壳单元的实常数后,单击“Add”按钮,选择 link8 单元,单击“OK”按钮,在新的(什么对话框?请给出名称)对话框中(图5-4)使面积 Area=0.02,ISTRN=-0.005,(语意不明)然后单击“OK”按钮,再单击“Close”按钮关闭对话框。图 5-3 shell63 号单元实常数定义 图 5-4 link8 号单元实常数定义(5)定义材料属性路径 1:Main Menu/Preprocessor/Material Props/Material Models。路径 2:Material Models Available/Structural/Linear/Elastic/Isotropic。路径 3:Material Models Available/Structural/Density执行路径 1,在弹出的(什么对话框?请给出名称)对话框中在执行路径 2,然后定义 1 号单元的弹性模量为 3.251e10,泊松比为 0.2;执行路径 3,定义密度为 2700。(材料 1 对应于混凝土材料。)增加一个新的材料模型,同样执行路径 2,3 定义预应力钢筋的弹性模量为 207e9,泊松比为 0.3,密度为 7800。(6)保存数据路径:Ansys Toolbar/SAVE_DB。数据将保存到 rigid bridge.db 中。(7)建立模型的关键点在命令输入诓中输入以下命令流:/VIEW, 1 ,1,1,1 !以正等侧方式观看/PREP7ET,1,63ET,2,8R,1,0.25R,2,0.6R,3,1R,4,0.02,-0.005MP,EX,1,3.25E10MP,PRXY,1,0.3MP,DENS,1,2700MP,EX,2,207E9MP,PRXY,2,0.3MP,DENS,2,7800k,1 !建立主桥边界面上的关键点k,2,4k,3,10k,4,16k,5,20k,6,24k,7,30k,8,36k,9,40k,10,4,-1.8k,11,10,-1.8k,12,16,-1.8k,13,24,-1.8k,14,30,-1.8k,15,36,-1.8SAVEkgen,2,1,15,1,,,-16 !建立梁高为 1.8m 处的关键点kgen,2,1,15,1,,,-85kgen,2,1,15,1,,,-154kgen,2,1,15,1,,,-170SAVEk,101,,,-36 !建立梁高为 3m 处的关键点k,102,4,,-36k,103,10,,-36k,104,16,,-36k,105,20,,-36k,106,24,,-36k,107,30,,-36k,108,36,,-36k,109,40,,-36kgen,2,102,104,1,,-3,,8kgen,2,106,108,1,,-3,,7SAVEkgen,2,101,115,1,,,-12,15kgen,2,116,130,1,,,-12,15kgen,2,131,145,1,,,-50,15kgen,3,146,160,1,,,-12,15SAVE(8)建立箱形梁的顶层并划分网格在命令输入窗口输入以下命令流:*do,i,1,8,1a,i,i+15,i+16,i+1*enddo*do,i,16,23,1a,i,i+85,i+86,i+1*enddo*do,i,101,108,1a,i,i+15,i+16,i+1*enddo*do,i,116,123,1a,i,i+15,i+16,i+1*enddo*do,i,31,38,1a,i,i+100,i+101,i+1*enddo*do,i,31,38,1a,i,i+115,i+116,i+1*enddo*do,i,146,153,1a,i,i+15,i+16,i+1*enddo*do,i,161,168,1a,i,i+15,i+16,i+1*enddo*do,i,46,53,1a,i,i+130,i+131,i+1*enddo*do,i,46,53,1a,i,i+15,i+16,i+1*enddosavelesize,all,4 !设置单元长度为 4aatt,1,1,1 !顶层单元属性amesh,all !划分顶层面单元建模后的几何形状及网格划分后的模型如图 5-5、5-6 所示。(9)建立箱形梁的底层并划分网格在建立底层前,先排除顶层面,即使顶层面为非有效面。路径:Utility Menu/Select/Entity..执行路径,在弹出的(什么对话框?请给出名称)对话框的第一个下拉菜单中选择 Area,第二个下拉菜单选择 By Num/Pick,单击 Unselect,然后单击 Apply/Pick All。通过以下命令流建立底层:*do,i,10,11,1a,i,i+15,i+16,i+1*enddo*do,i,13,14,1a,i,i+15,i+16,i+1*enddo*do,i,25,26,1a,i,i+85,i+86,i+1*enddo*do,i,28,29,1a,i,i+85,i+86,i+1*enddo*do,i,110,111,1a,i,i+15,i+16,i+1*enddo*do,i,113,114,1a,i,i+15,i+16,i+1*enddo*do,i,125,126,1a,i,i+15,i+16,i+1*enddo*do,i,128,129,1a,i,i+15,i+16,i+1*enddosave*do,i,40,41,1a,i,i+100,i+101,i+1*enddo*do,i,43,44,1a,i,i+100,i+101,i+1*enddo*do,i,40,41,1a,i,i+115,i+116,i+1*enddo*do,i,43,44,1a,i,i+115,i+116,i+1*enddo*do,i,155,156,1a,i,i+15,i+16,i+1*enddo*do,i,158,159,1a,i,i+15,i+16,i+1*enddo*do,i,170,171,1a,i,i+15,i+16,i+1*enddo*do,i,173,174,1a,i,i+15,i+16,i+1*enddo*do,i,55,56,1a,i,i+130,i+131,i+1*enddo*do,i,58,59,1a,i,i+130,i+131,i+1*enddo*do,i,55,56,1a,i,i+15,i+16,i+1*enddo*do,i,58,59,1a,i,i+15,i+16,i+1*enddosavelesize,all,4 !设置网格长度为 4aatt,1,1,1 !单元属性同顶层amesh,all(10)建立腹板并划分网格在建立腹板前,采用与第九步相同的路径,使底层面积为非有效面。然后通过以下命令流建立腹板几何模型:*do,i,2,4,1a,i,i+8,i+23,i+15*enddo*do,i,6,8,1a,i,i+7,i+22,i+15*enddo*do,i,17,19,1a,i,i+8,i+93,i+85*enddo*do,i,21,23,1a,i,i+7,i+92,i+85*enddo*do,i,102,104,1a,i,i+8,i+23,i+15*enddo*do,i,106,108,1a,i,i+7,i+22,i+15*enddo*do,i,117,119,1a,i,i+8,i+23,i+15*enddo*do,i,121,123,1a,i,i+7,i+22,i+15*enddo*do,i,32,34,1a,i,i+8,i+108,i+100*enddo*do,i,36,38,1a,i,i+7,i+107,i+100*enddo*do,i,32,34,1a,i,i+8,i+123,i+115*enddo*do,i,36,38,1a,i,i+7,i+122,i+115*enddo*do,i,147,149,1a,i,i+8,i+23,i+15*enddo*do,i,151,153,1a,i,i+7,i+22,i+15*enddo*do,i,162,164,1a,i,i+8,i+23,i+15*enddo*do,i,166,168,1a,i,i+7,i+22,i+15*enddo*do,i,47,49,1a,i,i+8,i+138,i+130*enddo*do,i,51,53,1a,i,i+7,i+137,i+130*enddo*do,i,47,49,1a,i,i+8,i+23,i+15*enddo*do,i,51,53,1a,i,i+7,i+22,i+15*enddosave网格划分设置:路径 1:Main Menu/Preprocessor/Meshing/Size Cntrls/ManualSize/Lines/Picked Lines/Box路径 2:Utility Menu/PlotCtrls/Pan Zoom Rotate../Right & Box Zoom路径 3:命令流格式:esize,all,4aatt,1,2,1 !实常数为 2amesh,all执行路径 1、2,选择 z=0,-16,-85,-154,-170 处沿 Y 方向的直线,设定网格划分数为 1;同理选择 z=-36,-48,-60,-110,-122,-134 处沿 Y 方向的直线,设定网格划分数为 2。最后输入路径 3 的命令流。LSEL,S,LENGTH,,1.8LESIZE,ALL,,,1LSEL,S,LENGTH,,3LESIZE,ALL,,,2esize,all,4aatt,1,2,1 !实常数为 2amesh,all(11)预应力钢筋的布置及网格划分选择顶层和底层的布置了预应力钢筋的直线进行网格划分,(语句不通)命令流方式如下:lsel,s,loc,x,3.9,4.1lsel,a,loc,x,9,11lsel,a,loc,x,15,17lsel,a,loc,x,23,25lsel,a,loc,x,29,31lsel,a,loc,x,35,37lsel,u,loc,y,-1.7,-0.1lesize,all,4 !单元长度为 4latt,2,4,2 !单元为 2,实常数为 4,材料属性为 2lmesh,all(12)建立 V 形支撑模型并划分网格在建立 V 形支撑的模型之前,先使其他所有的面都处于非有效面状态,方法同步骤(9)。命令流格式为:asel,u,loc,y,-3.1,0.1k,1001,4,-15,-48 !创建 V 形支撑上的关键点k,1002,16,-15,-48k,1003,24,-15,-48k,1004,36,-15,-48k,2001,4,-15,-122k,2002,16,-15,-122k,2003,24,-15,-122k,2004,36,-15,-122a,110,112,1002,1001 !创建 V 形支撑面a,112,113,1003,1002a,113,115,1004,1003a,140,142,1002,1001a,142,143,1003,1002a,143,145,1004,1003a,155,157,2002,2001a,157,158,2003,2002a,158,160,2004,2003a,185,187,2002,2001a,187,188,2003,2002a,188,190,2004,2003lesize,all,4 !单元长度为 4aatt,1,3,1 !实常数为 3amesh,allnummrg,all !合并重复元素numcmp,all !压缩编号allsel5.1.3加载及求解(请添加相应的说明性文字)(1)施加位移约束将桥两侧的箱形梁的底层节点的 Y 方向的自由度约束;对 V 形支撑的底部节点的所有自由度约束。命令流如下:nsel,s,loc,z,-0.1,0.1nsel,a,loc,z,-171,-169nsel,r,loc,y,-1.9,-1.7d,all,uyallselnsel,s,loc,y,-16,-14d,all,allallsel!预应力净力求解/SOLUACEL,,9.8PSTRES,ONALLSELSOLVEFINISH!预应力模态求解/SOLUANTYPE,2UPCOORD,1,ONPSTRES,ONMODOPT,SUBSP,10MXPAND,10,,,1ALLSELSOLVEFINISH(2)分析类型设置路径 1:Main Menu/Solution/Analysis Type/New Analysis路径 2:Main Menu/Solution/Analysis Type/Analysis options执行路径 1,在弹出的(什么对话框?请给出名称)对话框中选择 Modal 分析。执行路径2,在弹出的(什么对话框?请给出名称)对话框中选择模态求解方法为 Subspace,输入频率阶数为 10,单击“OK”按钮,对随后的(什么对话框?请给出名称)对话框不作任何输入。(3)求解路径:Main Menu/Solution/Solve/Current LS5.1.4计算结果及分析(请添加相应的说明性文字)路径 1:Main Menu/General Postproc/Results Summary路径 2:Main Menu/General Postproc/Read Results/First Set路径 3:Main Menu/General Postproc/Plot Results/Deformed Shape5.2 悬索桥的受力分析5.2.1问题的描述分析悬索桥从最初安装悬索到最后运营整个过程的受力状况。求解跨中结点的挠度的变化情况。材料性能: 1.悬索和吊杆, E=25×1010,μ=0.1 , ρg=1×1042.梁, E=30×1010,μ=0.1 , ρg=1×104截面尺寸: 1.悬索, A=12.吊杆, A=0.023.梁, A=0.5 , Hight=1 ,I=1/24结构尺寸:桥长 200,矢高 20初始条件:悬索和吊杆有初应变 ε=1×10−5边界条件:悬索两端铰支,大梁布置成简支结构。以上都采用统一国际单位制。5.2.2 建模假设在具体求解之前,需注意以下知识点:(1)在自重作用下为悬链线形状。为了简化索的找形求解,在建模时就已经近似按此形状生成节点。 但是还是要进行找形计算来估计近似的程度,这里针对本例题给出悬链线计算公式:y=a⋅cosh(xa)−a ,a=250以跨中为坐标原点,纵向为 x 方向,竖向为 y 方向,生成节点,表 5-2 列出半跨节点坐标。表5.2.2.1.1.1 半跨索节点坐标节点号 X 坐标 Y 坐标1 0 02 10 2.000266680889240e-0013 20 8.004267576993129e-0014 30 1.802161037066639e+0005 40 3.206832494752689e+0006 50 5.016688904768984e+0007 60 7.234626423494774e+0008 70 9.864194224145308e+0009 80 1.290960017620603e+00110 90 1.637571757892141e+00111 100 2.000000000000000e+001梁节点的坐标位置如表 5-3 所示。表5.2.2.1.1.2 半跨梁节点坐标节点号 X 坐标 Y 坐标12 10 013 20 014 30 015 40 016 50 017 60 018 70 019 80 020 90 021 100 0(2)桥梁的施工顺序。施工时可以采用由跨中到两端的施工方法。施工过程用单元的生死来模拟,如果对单元的生死技术理解有困难,请参考混凝土浇筑一节。(3)体系的转换。施工完成之后,梁将参与结构的受力,此时应该将由于梁的作用而加在索 上 的 集 中 力 删 除 , 用 梁 本 身 的 重 量 来 代 替 , 每 根 加 劲 梁 的 重 量 是 可 以 计 算 的 ,W=50000。(4)本结构采用自下而上的建模方法。5.2.3自下而上建模(1)打开 ANSYS Interactive 7.0 Launcher 输入文件名 cable,单击 run 进入操作界面。(2)进入 Main Menu/Preferences ,指定为结构分析。选择单元。进入 Main Menu/Preprocessor/Element Type/Add/Edit/Delete 增加单元如图 5-37 所示。图 5-37 单元类型定义(3)定义实常数进入 Main Menu/Preprocessor/Real Constants/Add/Edit/Delete ,输入各实常数的值,1 号实常数 AREA=1,ISTRN=1E-5 。 2 号 实 常 数 AREA=0.02 , ISTRN=1E-5 。 3 号 实 常 数AREA=0.5,IZZ=1/24,HEIGHT=1。(4)定义材料属性进 入 Main Menu/Preprocessor/Material Props/Material Models 。 定 义 1 号 材 料 属 性 , 在Structure/Linear/Elastic/Isotropic 中输入弹性模量为 25E10,泊松比为 0.1,在 Structure/Density 中输入 1000。同理定义 2 号材料属性,弹性模量为 30E10,泊松比为 0.1,密度为1000。(5)生成节点按 照 上 面 表 ×× 中 的 数 据 , 输 入 半 跨 悬 索 桥 的 节 点 坐 标 。 进 入 MainMenu/Preprocessor/Modeling/Create/Nodes/In Active CS 进行交互输入,这里仅给出一个交互界面如图 5-38 所示,其他同理。图 5-38 悬索节点坐标输入(6)生成索单元进入 Main Menu/Preprocessor/Modeling/Create/Elements/Auto Numbered/Thru Nodes 生成索单元,单元类型、实常数及材料号选为默认。读者可以用鼠标选择节点来生成相应的单元。Main Menu/Preprocessor/Modeling/Create/Elements/Elements Attributes,同理选择单元类型为1、实常数为 2 及材料号为 1,生成吊杆单元(右边界上的节点 11,21 无需连接成吊杆单元)。再选择单元类型为 2、实常数为 3 及材料号为 2,生成梁单元。生成的单元图 5-39 如下所示。图 5-39 半跨悬索桥单元(7)进入 Main Menu/Preprocessor/Reflect/Nodes ,用镜像函数生成全桥节点。选择全部节点后,单击“OK”出现图示 5-40 界面,选择 Y-Zplane ,INC=50,单击“OK”完成,如图 5-41所示。图 5-40 节点镜像 图 5-41 全桥节点模型(8)进入 Main Menu/Preprocessor/Reflect/User Numbered ,用镜像函数生成全桥单元。单击“OK”按钮出现图 5-42 示界面,各输入数值 50,单击“OK”按钮完成。如图 5-43 所示。图 5-42 单元及节点编号的增量 图 5-43 索桥全模型(9)进入 Main Menu/Preprocessor/Numbering Ctrls/Merge Items 合并节点,选择 all。(10)进入 Main Menu/Preprocessor/Numbering Ctrls/Compress Numbers,压缩节点和单元号选择 all。(11)单击 SAVE_DB,完成。5.2.4加载和求解由于 LINK8 是空间单元,所以如果有节点和此单元相连,那么应该对那些节点给与适当的约束,在这里应该给与 Z 向约束。悬索为铰约束,大梁为简支。(1) 给大梁设定约束进入 Main Menu/Preprocessor/Loads/Define Loads/Apply/Structural/Displacement/On Nodes ,选择左端节点并选择 UX 和 UY,选择右端节点并选择 UY。(2) 给悬索端设定约束同 样 进 入 Main Menu/Preprocessor/Loads/Define Loads/Apply/Structural/Displacement/OnNodes ,选择左端节点并选择 UX 和 UY,选择右端节点并选择 UX 和 UY。(3) 给附在 LINK8 单元上的节点设置 Z 向约束进入 Utility Menu/Select/Entities 选择 Nodes/By Num/Pick/Unselect ,单击 Apply,选择大梁的 左 右 节 点 。 再 进 入 Main Menu/Preprocessor/Loads/DefineLoads/Apply/Structural/Displacement/On Nodes ,选择所有节点给与 UZ 向约束。然后 UtilityMenu/Select/Everything。(4) 给结构设定重力场进入 Main Menu/Preprocessor/Loads/Define Loads/Apply/Structural/Inertia/Gravity 在 Y 方向输入 10。下面将运用单元的生死来模拟悬索的找形和加劲梁的施工过程。悬索的找形(1) 设置分析选项Main Menu/Preprocessor/Solution/Analysis Options,Newton-Raphson 项中选择 full N-R。(2) 杀死除悬索以外的其他所有单元进入 Utility Menu/Select/Entities 选择 Elements/By Attributes/Real set num 输入 1,范围选Unselect 。 再 进 入 Main Menu/Preprocessor/Loads/Load Step Opts/Other/Birth & Death/KillElements 选择所有单元,单击“OK”按钮。然后进入 Utility Menu/Select/Everything。(3) 设置求解选项进入 Main Menu/Preprocessor/Loads/Analysis Type/Sol'n Controls/Basic 在 Analysis Options 中选择 Large Displacement Static。载荷步末端时间设为 1,在 Number of substeps 输入 10,在最大子步数内输入 20,在最小子步数内输入 5 ,输出每一子步结果,其他默认,单击“OK”按钮。(4)进入 Main Menu/Solution/Analysis Type/Analysis Options 设置应力刚化,即 Stressstiff on,同时打开 Full N—R 选项。(5)进入 Main Menu/Solution/Current LS 求解。(6)单击 SAVE_DB,保存文件。(7)画 Y 向节点位移图,目的是检验悬索是否已达到零位移。为了避免干挠,这里只选择存在的单元。进入 Utility Menu/Select/Entities 选择 Elements/Live Elem’s/From Full。(8)进入 Main Menu/General Postproc/Plot Results/Vector Plot/Predefined,选择位移,结果如图 5-44 所示。由图上的数据可以看出,最大位移发生在 10 号结点,大小为0.184743,而且位移的变化很不一致,故还需要找形。图 5-44 节点位移图 图 5-45 节点位移图(9)更新几何形状,重新进行位移计算进入 Utility Menu/Select/Everything ,进入 Main Menu/Preprocessor/Modeling/Update Geom输入 cable.rst 文件名,单击“OK”。再进入 Main Menu/Solution/Current LS 进行求解。同6、7 步再次观察位移结果。若位移量接近为零,且方向一致,则无需再次求解;若没有达到要求则重复求解。图 5-45 显示二次求解后达到满意结果,此时最大位移为 0.178e-3。(10)找形结束,单击 SAVE_DB ,保存文件。加劲梁的施工模拟施工过程为从跨中向两端对称进行,每一个工期左右各架设一段加劲梁(beam3 单元)。由于加劲梁在施工过程中各单元之间是铰接的,所以它只是当作集中荷载作用在悬索上,而这里如果直接用激活单元的办法来模拟是不恰当的,所以这里用集中荷载来仿真,每段加劲梁的自重 W=50000,由两端的节点各承受 25000。只有当加劲梁已经完成安装时,我们才激活全部单元,从而达到体系转化的目的。(1) 中间段梁的架设进入 Main Menu/Preprocessor/Loads/Define Loads/Apply/Structural/Force/Moment/On Nodes ,在 X=0,节点上施加 F=-50000,在 X=10 和-10 处各施加 F=-25000,如图 5-46 所示。图 5-46 加劲梁施工(2) 设置求解选项在 Main Menu/Preprocessor/Loads/Analysis Type/Sol'n Controls/Basic 中将载荷步最后时间改为 2,其他不变。(3)进入 Utility Menu/Select/Everything ,进行载荷步(2)的求解。得到图 5-47,最大位移在跨中,大小为 0.3555。图 5-47 节点位移图(4)由于求解步骤具有相似性,这里给出各个施工阶段的悬索的加载状况及跨中位移如表 5-4。在进行第二施工阶段计算前,首先定义后继施加的载荷与前面已经施加的载荷是叠 加 的 , Main Menu/Preprocessor/Loads/Define Loads/Setting/Replace vs Add/Force , 选 择FY,设定 New Force values will 为 Add to existing。表5.2.4.1.1.1 施工模拟计算施工阶段 铺设单元节 点 施 加 荷 载 值 为 -25000求解时间 跨中位移第 2 次 Elem50、21 N22、23 和 N2、3 3 0.511969第 3 次 Elem 51、22 N23、24 和 N3、4 4 0.544357第 4 次 Elem 52、23 N24、25 和 N4、5 5 0.50177第 5 次 Elem 53、24 N25、26 和 N5、6 6 0.416907第 6 次 Elem54、25 N26、27 和 N6、7 7 0.329532第 7 次 Elem55、26 N27、28 和 N7、8 8 0.257445第 8 次 Elem 56、27 N28、29 和 N8、9 9 0.142812第 9 次 Elem 57、28 N29、30 和 N9、10 10 0.054439第 10 次 Elem 58、29 N30 和 N10 11 0.018583悬索桥结构的体系转换施工完成之后,梁将参与结构的受力,此时应该将由于梁的作用而加在索上的集中力删除用梁本身的重量来代替。因此需要激活所有的吊杆和梁单元。( 1 ) 删 除 所 有 悬 索 上 的 集 中 力 , 包 括 铰 支 点 上 的 集 中 力 。 进 入 MainMenu/Preprocessor/Loads/DefineLoads/Delete/Structural/Force/Moment/On Nodes ,可以一个一个地删除。(3) 激活其他所有单元进入 Utility Menu/Select/Everything,再进入 Utility Menu/Select/Entities 选择 Elements /LiveElem’s/Unselect 。进入 Main Menu/Solution/Load Step Opts/Other/Birth & Death/Activate Elem选择所要激活的单元。图 5-48 结构体系转换之后的悬索桥图 5-49 运营阶段桥梁自重下的位移图(3)设置最后载荷步为 12,进行求解。得到跨中挠度为 0.001833 。5.2.5结果分析从各个施工阶段以及施工前和成桥后跨中的挠度来看,位移并不是随着桥梁自重的增加而加大,它是一个由小到大,再到小的过程。其中施工前的位移最小为 0.178e-3,在施工阶段位移在不停的变化,特别是第三阶段整桥的跨中挠度达到最大有 0.544376,当达到最后一个工期时挠度只有 0.018586。可见悬索的重力刚度是非常重要的。当结构发生体系转换之后,跨中的挠度又见小了一个数量级,这是可以想象的,因为此时大梁将参与作用,这无疑增加了结构的刚度。此外可以进行各个阶段的受其他外载作用时的分析。5.3 移动荷载作用下桥梁的动态响应5.3.1相关概念在结构动力学中讨论的强迫振动问题,一般是以结构在位置固定的周期性挠动力作用下的强迫振动问题为对象。当挠动频率与系统的固有频率相等时则发生共振。研究桥梁在移动车辆荷载下的强迫振动,也要分析其共振条件。所不同的是由于荷载是移动的,且车辆荷载本身也是一个带有质量的振动体系,使桥梁~车辆耦合系统的动力特征随荷载位置的移动而不断变化。英国工程师 R.Willis 发现,在移动荷载作用下,桥梁将发生振动,产生的变形和应力都比荷载静止不动作用时更大。移动车辆荷载的这种动力效应是不可忽视的,若在荷载处于最不利的静力作用位置的同时满足共振条件,那么将会发生较大的动态响应,导致桥梁的破坏。桥梁车辆振动分析的古典理论 匀速移动常力的作用vFvtxylm,E,I图 5-50 匀速通过简支梁的常量力(此图在正文没有提到过)在简支梁上作用有以 v 匀速向右运动的常力 F,忽略移动荷载质量,t=0 时,F 位于左边支承处,t=T 时,F 移动到右边支承处,根据振动分析的知识可得振动方程的表达式:EI∂4y∂ x4+m∂2y∂ x2=F(x ,t )(1)EI 是梁的抗弯刚度为常数,m 是单位长度的质量为常数。设强迫振动的动力位移 y(x,t)可表示为振型的级数形式:y(x,t)= ∑N=1NAn(t)Φn(x)(2)将(2)带入(1)并利用振型的正交性可以得到解耦的强迫振动方程,对于匀速移动的常力,利用振型的规格化,简化后的振动方程为:Än+ωn2An=2 Fmlsinnπ vtl (n=1,2,…N) (3)简支梁的n=sin(nx/l),所以动力响应的表达式为:y( x,t )=2Fml∑N=1N1ωn2−Ωn2(sinΩn t−Ωnωnsinωn t )sinnπxl(4)式中,ωn 为简支梁各阶固有频率,Ωn=mπv/l 为移动常量力的广义挠动频率。括号中的前一项表示强迫振动,后项代表自由振动。注意:(1)当常量力的移动速度非常小时,即 v=0,vt=x1,则移动常量力的 动态效“应 相当于在简支梁上作用一个假想的轴向力” S=mv2所引起的二阶非线性梁-柱效应。(2)当移动速度增大到使α=Ω1/ω1=vlrπ 而发生共振时,最大动挠度发生在当常量力即将离开梁的瞬间,此时常量力产生的静挠度等于零,而动挠度的幅值比常量力 F 产生的跨中静挠度约大 50%。 匀速移动简谐力的作用蒸汽机车通过铁路桥梁时,驱动轮的不平衡重产生的锤击力是一种移动的简谐力;汽车在桥头受到路面不平的激励后以车的固有频率发生振动而通过桥梁时,汽车的惯性力也是一种简谐力。所以讨论这种移动的简谐力所引起的强迫振动是很有意义的。当简谐力F1cosΩpt 以匀速 v 通过简支梁时,其动力响应表达式为:y(x,t)=F1ml∑N=1N{ 1ωn2−(Ωp−Ωn)2[sin(Ωn+Ωp)t−Ωp+Ωnωnsinωn t)]−1ωn2−(Ωp−Ωn)2[sin(Ωp−Ωn)t−Ωp−Ωnωnsin ωnt)]}sinnπxl(5)式中,ωn 为简支梁各阶固有频率,Ωn 为与移动速度有关的各阶广义频率,Ωp 为简谐力的扰动频率。当忽略阻尼仅考虑基本振型的共振条件时,Ωp=ω1 时将发生共振,且最大动力响应将出现在简谐力离开桥跨的时刻,即 t=l/v,此时y(x,t)=2F1ω1 mπvsinπxlsinω1lv (6)最大跨中挠度将发生在 sin(l/v)=1。此时的动力放大因子为μ=ω1Ω1=2TcT1 (7)式中,Tc=l/v,为简谐力通过全梁所需的时间。可见对于移动简谐力的情况,共振发生在Ωp=ω1 ,动力放大因子将取决于移动速度,速度越慢,通过梁的时间越长,振动反应越大。 匀速滚动质量的作用如果荷载质量与桥梁的质量相比很小,前面所讨论的移动常量力的解就是一个近似解。在任一时间 t,荷载对梁的作用等于其重力减去质量的惯性力,即F=mv gn−mv ÿv (8)假定荷载的质量在移动过程中始终与梁保持接触,则ÿv 也是质量作用点处梁的加速度。桥梁车辆振动分析的现代理论由于电子计算机和有限元法的问世,自 70 年代起的现代车辆振动分析理论以考虑更加接近真实的车辆模型和将桥梁理想化为多质量的有限元或有限条模型为主要特点(请断句),同时,着重研究桥面的不平整对荷载动力效应的影响。主要的理论有:多轴车辆模型的作用有限条法和模态分析法的应用。5.3.2问题描述一辆汽车匀速通过一单跨桥,要求用有限元法分析桥的动态响应。对于汽车施加于桥的荷载给出简化假设:(1)将移动汽车简化为无质量的匀速移动常量力;(2)考虑路面的不平整,汽车的重量可以简化为简谐作用力。同时将单跨桥简化为简支梁。已知条件:材料属性,梁 E=207e9,=,Density=2000几何尺寸,梁长 l1=32,A=0.1,I=0.0001/12,h=0.1;车轮间距 l2=2.56荷载:mg=2000,则简谐力 F=F1cos(t)=1000cos(10t),移动速度 v=120 公里/小时vmg图 5-51 汽车过桥示意图提示:(1)简谐力的系数部分即为常量力。(2)将梁划分为 100 个单元,则车子的前后轮之间将包含 2.56/(32/100)=8 个单元。5.3.3建模(1)以交互方式进入 Ansys,进入时设置工程名为 mobileforce。(2)定义分析类型指定分析类型为 Structural,程序分析方法为 h-method。路径:Main Menu/Preferences。路径:在命令行中输入“/config,nres,2000”定义最大的计算结果的子步为 2000 步。(3)定义单元类型路径:Main Menu/Preprocessor/Element Type/Add/Edit/Delete。在弹出的(什么对话框?请给出名称)对话框中选择 Add,在新的对话框中选择 beam3 号梁单元。然后单击“OK”按钮,再单击“Close”按钮关闭对话框。(4)定义实常数路径:Main Menu/Preprocessor/Real Constants/Add/Edit/Delete。在弹出的(什么对话框?请给出名称)对话框中选择 Add,在新的对话框中选择 Type1Beams,然后出现图 5-52 所示的对话框,在其中填入 Area=0.1,IZZ=0.0001/12,Hight=0.1然后单击“OK”按钮,再单击“Close”关闭对话框。图 5-52 实常数输入(5)定义材料属性路径 1:Main Menu/Preprocessor/Material Props/Material Models。路径 2:Material Models Available/Structural/Linear/Elastic/Isotropic路径 3:Material Models Available/Structural/Density执行路径 1 和 2 后,在弹出的(什么对话框?请给出名称)对话框中使 EX=207e9,Prxy=0.3;执行路径 3 在对话框中输入密度 2000。(6)定义相关标量参数路径:Utility Menu/Parameters/Scalar Parameter执行上述路径弹出图 5-53 所示对话框,在对话框输入栏中 deltl=32/100,单击 Accept;同理输入 v=120,deltt=deltl/v*3.6,f=1000,w=10,单击 Accept。图 5-53 标量参数设定(7)建立网格化模型路径 1:Main Menu/Preprocessor/Modeling/Create/Nodes/In Active CS路径 2:Main Menu/Preprocessor/Modeling/Create/Nodes/Fill between Nds路径 3:命令流格式, *do,i,1,100E,i,i+1*enddo首先,创建首尾两个节点,执行路径 1,在弹出的(什么对话框?请给出名称)对话框中输入节点编号 1 及其坐标值(0,0,0)如图 5-54,单击 Apply,在新的(什么对话框?请给出名称)对话框中输入节点编号 101 及其坐标值(32,0,0),然后单击 OK。其次,创建其他节点,执行路径 2,选择节点 1 和节点 101 后,单击“OK”按钮,在弹出的对话框中(图 5-55)不修改任何数据,单击“OK”按钮。最后,创建单元,在命令输入窗口中输入路径 3 的命令流,将得到 100 个单元。图 5-54 实常数输入图 5-55 填充节点5.3.4加载与求解匀速常量力的情况(1)指定分析类型路径:Main Menu/Solution/Analysis Type/New Analysis执行上面路径在弹出的(什么对话框?请给出名称)对话框中选择瞬态分析 transient,单击“OK”按钮,然后选择计算方法为 Full。(2)位移边界条件路径:Main Menu/Solution/Define Loads/Apply/Structural/Displacement/On Nodes选择节点 1 和节点 201,施加全约束 All DOF。(3)施加常量力路径:命令流格式,*do,ii,1,101+8,1outres,all,all !输出所有加载子步的所有结果time,ii*deltt !每个荷载步的最终求解时间nsubst,5 !每个荷载步包含五个荷载子步*if,ii,lt,8,thenfdele,all,all !删除所有的集中力荷载nsel,s,loc,x,(ii-1)*deltl !选择集中力作用节点f,all,FY,-f !施加集中荷载allsel !选择所有solve*elseif,ii,lt,101fdele,all,allnsel,s,loc,x,(ii-1)*deltlnsel,a,loc,x,(ii-7-1)*deltlf,all,fy,-fallselsolve*elsefdele,all,allnsel,s,loc,x,(ii-7-1)*deltlf,all,fy,-fallselsolve*endif*enddo在命令输入框中输入上述命令,即可完成梁在匀速常量力作用下的瞬态分析。匀速简谐力的情况施加简谐力的施加与常量力的施加的过程差不多,只需将上面第三步路径命令流修改为如下形式即可:*do,ii,1,101+8,1outres,all,all !输出所有加载子步的所有结果time,ii*deltt !每个荷载步的最终求解时间nsubst,5 !每个荷载步包含五个荷载子步*if,ii,lt,8,thenfdele,all,all !删除所有的集中力荷载nsel,s,loc,x,(ii-1)*deltl !选择集中力作用节点f,all,FY,-f*cos(w*ii*deltt) !施加集中荷载allsel !选择所有solve*elseif,ii,lt,101fdele,all,allnsel,s,loc,x,(ii-1)*deltlnsel,a,loc,x,(ii-7-1)*deltlf,all,fy,-f*cos(w*ii*deltt)allselsolve*elsefdele,all,allnsel,s,loc,x,(ii-7-1)*deltlf,all,fy,-f*cos(w*ii*deltt)allselsolve*endif*enddo5.3.5结果分析与比较梁位移响应(1)匀速常量力作用路径 1:Menu/TimeHist Postpro/define Variables路径 2:Menu/TimeHist Postpro/Variable Viewer执行路径 1,在对话框中选择 Add,然后选择变量类型为 Nodal DOF result,选择跨中节点51 的 UY 为变量值,即变量 2 代表着节点 51 的 UY 值。单击“Close”按钮。执行路径 2,得到图 5-56,在其中选择时间为 X 轴,然后单击 UY 行,使其变为蓝色,再单击绘图按钮,就会得到图 5-57 所示的跨中节点位移变化图。由图可见,跨中节点的最大位移响应出现在移动荷载即将离开梁时,这与理论的分析结果是相一致的。图 5-56 变量显示对话框图 5-57 跨中节点位移图(2)匀速简谐力作用操作步骤同上,图 5-58 表示的是梁在匀速简谐力作用下,跨中节点的位移响应,比较图 5-57 和图 5-58,显然最大位移都是发生在车子即将离开梁的时刻,但是常量力产生的最大位移比简谐力的要大,这与简谐力的激振频率有关。图 5-59 和图 5-60 分别给出了频率为 5 和20 时的位移响应,可见当频率减少逐渐接近与梁的固有频率时,将发生共振而使得荷载在离开梁的时刻发生的位移响应最大(图××)。(语意不明)图 5-58 激振频率为=10 时跨中节点位移图图 5-59 激振频率为=5 时跨中节点位移图 图 5-60 激振频率为=20 时跨中节点位移图梁速度响应下面给出匀速常量力作用下,梁跨中处的横向速度的变化情况。至于匀速简谐力的情形,读者可以采用相同的方式获得。路径 1:Menu/TimeHist Postpro/Math Operations>Derivative路径 2:Menu/TimeHist Postpro/Variable Viewer执行路径 1 得到图 5-61 所示的变量运算对话框,令 IR=3,IY=2,IX=1,单击“OK”按钮,即将变量 2 对时间求导得到的速度保存到变量 3 中。执行路径 2,选择变量 3 为 Y 轴的参数,其他操作同位移响应图的绘制,最后得到图 5-62 所示的跨中节点 101 的速度响应图。图 5-61 变量运算 图 5-62 跨中节点速度响应移动荷载与静力荷载的比较将车子的重量 2000 分两部分作用在 47 号节点和 54 号节点上(个施加 1000),进行静力分析后,可以得到如图 5-63 所示的节点位移分布图,由图知,跨中的最大位移为 0.195,而图 5-57 所示的匀速常量力作用下跨中产生的最大位移为-1.5,显然在桥梁的静力分析之外,必须考虑桥梁在移动荷载作用下的动态响应。图 5-63 梁的静挠度5.4 桥梁的地震响应分析Ansys 分析方法1)谱分析技术谱分析是一种将模态分析结果与一个已知的谱联系起来,然后计算模型的位移和应力的分析技术,主要用于确定结构对随机载荷或随时间变化载荷作用下的动力响应,如地震、风载等。Ansys 的谱分析主要有: 单点响应谱分析(SPRS):只在模型的一个点集上定义一条或一组响应谱曲线。响应谱是位移、速度、加速度、力等响应与频率之间的关系。 多点响应谱分析(MPRS):在模型的不同点集上定义不同响应谱曲线。 动力设计分析(DDAM):应用一系列经验公式和振动设计表得到的谱来分析系统,其所用的谱来自美国海军的实验研究报告。 功率谱密度分析(PSD):功率谱密度是结构对随机动力载荷响应的概率统计,用于随机振动分析,是功率谱密度~频率的关系曲线。有位移、速度、加速度、力功率谱密度等形式。谱分析必须要已知结构的振型和固有频率,因此需先进行模态分析。在扩展模态时,只需扩展到对最后进行谱分析有影响的模态即可。下面以单点谱分析为例介绍谱分析的基本步骤: 建立模型:与一般的分析过程相似,需要注意的是只有线性行为在谱分析中才是有效的,所有非线性的因素都将被线性的所取代。 模态分析:结构的模态解对于谱分析是必须的,模态分析需使用 Subspace 法、Block Lanczos 法、Reduced 法提取模态,其他提取模态的方法对于后继谱分析是无效的。 谱分析(语意不明) 扩展模态:要在 POST1 中观察计算结果,则必须扩展振型,将振型写入结果文件中。 合 并 模 态 : 模 态 的 组 合 方 式 有 全 二 次 组 合 ( CQC ) 、 分 组 组 合 方 法(GRP)、双求和方法(DSUM)、先求平方和,再求平方根的方法(SRSS)以及 NRLSUM 方法。 观察结果:进入 POST1 进行后处理操作。2)瞬态动力学分析瞬态动力学分析,也称时间历程分析,可以用来分析结构承受任意的随时间变化载荷作用时的动力响应。瞬态分析必须指定系统的杨氏模量,密度等。瞬态分析的三种方法如下: Full 法:采用完整的系统矩阵计算瞬态响应,允许有结构非线性特性。 Reduced 法:采用主自由度及缩减矩阵压缩问题规模,先计算主自由度位移然后将其扩展到初始的完整自由度上。 Mode Superposition 法:通过模态分析得到振型,再乘上参与因子并求和来计算结构的响应。5.4.1 问题的描述有一钢构拱桥,在某一 7 级近源地震载荷作用下,支座所处的场地为Ⅲ类,要求其动态响应。具体参数如下:材料性能:钢 E=2.1×1011, υ=0.3,Desity=7800截面尺寸:b×h=0.16×0.16,Iz=5.46e-5加载方式:1.地震谱 2.地震波地震谱由于为近震,场地为Ⅲ类,Tg=0.4,max=0.08,所以根据前面反应谱理论可得以下的地震响应系数方程:{α=0.44T+0.036,0Preprocessor>Meshing>Mesh Attributes>Default Attribs。1 号为材料属性 EX=3.5E10 ,PRXY=0.17 ,DENS=2500 ,它将用于对主梁、塔柱的建模;2 号材料属性 EX=10E15 ,PREY=0 ,DENS=0,它将用于对鱼刺横梁和塔柱连接横梁的建模;3 号材料属性 EX=1.9E10 ,PRXY=0.25 ,DENS=1200 ,它将用于对斜拉索的建模。(5)定义实常数路径:Main Menu/Preprocessor/Real Constants/Add/Edit/Delete1 号为主梁实常数;2 号为上塔实常数;3 号为中塔实常数;4 号为下塔实常数;5 号为鱼刺刚横梁和塔柱连接横梁实常数;6 号为斜拉索实常数。具体数据请参考截面特性的描述。/PREP7ET,1,4ET,2,10MP,EX,1,3.5E10MP,PRXY,1,0.17MP,DENS,1,2500MP,EX,2,10E15MP,PRXY,2,0MP,DENS,2,0MP,EX,3,1.9E10MP,PRXY,3,0.25MP,DENS,3,1200R,1,25.6, 2000, 20, 1.6,16RMORE ,,21.8R,2,16, 77.7,39.7,3.4,4.7RMORE,,61.6R,3,54,450,200,6,9RMORE,,61.6R,4,40,213.3,83.3,5,8RMORE,,333.3R,5,1,1/12,1/12,1,1RMORE,,1/3R,6,0.012(6)创建节点和单元。由于数据较多,这里将用 APDL 语言直接给出程序段。!建主梁节点*do,i,1,59 !此循环用于建立主梁的半跨节点x=-174*2+(i-1)*6 !最左端 X= -174*2y1=-14 !桥面宽 28 米y2=14n,3*(i-1)+1,x ! 建立主梁节点n,3*(i-1)+2,x,y1 ! 以下两行建立桥面两边的节点n,3*i,x,y2*enddo!建立主梁单元/prep7type,1 !定义单元类型、截面实常熟和单元材料号real,1mat,1*do,i,1,58 !以下循环建立桥面中线主梁的节点j=3*(i-1)+1e,j,j+3*end dofinish!建立鱼刺刚横梁/prep7type,1 !定义单元类型、截面实常熟和单元材料号real,5mat,2*do,i,1,59 !以下循环建立桥面桥面鱼刺横梁的节点j=3*(i-1)+1j1=3*(i-1)+2j2=3*ie,j,j1e,j,j2*end dofinish!建立半跨主塔/PREP7i=59*3 ! 变量用于记录桥面的节点数n,i+1,-174,-10,-30 !以下两行记录塔脚节点n,i+2,-174,10,-30n,i+3,-174,-15 !以下两行用于建立与桥面齐高的主塔节点n,i+4,-174,15*do,j,1,5 !以下循环用于建立索塔在桥面以上的节点k=i+4+jn,k,-174,0,60+(j-1)*18*end do!建下索塔单元/prep7type,1 !定义单元类型、截面实常熟和单元材料号real,4mat,1e,i+1,i+3 ! 以下两行用于建立主塔在桥面以下的两根塔柱单元e,i+2,i+4finish!建中索塔单元/prep7type,1 !定义单元类型、截面实常熟和单元材料号real,3mat,1e,i+3,i+5 ! 以下两行用于建立 Y 分叉点到桥面间的两根塔柱单元e,i+4,i+5finish!建上索塔单元/prep7type,1 !定义单元类型、截面实常熟和单元材料号real,2mat,1*do,j,1,4 !以下循环建立 Y 分叉点以上塔柱单元k=i+4+je,k,k+1*end dofinish!建立与塔的倒 Y 分叉点连接的索单元/prep7type,2 !定义单元类型、截面实常熟和单元材料号real,6mat,3e,i+5,89 !建立 Y 分叉点到主塔正下方桥面两边节点间的索单元e,i+5,90finish!建立塔上 Y 分叉点以上第一个张拉点连接的索单元/prep7type,2 !定义单元类型、截面实常熟和单元材料号real,6mat,3*do,j,1,8 !此循环用于建立第一个张拉点连接的所有索单元e,i+6,89+3*j !共有 32 个索单元连接在这个张拉点上e,i+6,89-3*je,i+6,90+3*je,i+6,90-3*j*end dofinish!建立与桥塔的其他三个张拉点连接的索单元/prep7*do,k,1,3 !所有索的单元类型、截面实常熟和单元材料号一样*do,j,1,7 !此循环用于建立其他三个张拉点连接处的索单元e,i+6+k,113+(k-1)*21+3*j !一共有 28 个索单元连接在每个张拉点上e,i+6+k,65-(k-1)*21-3*je,i+6+k,114+(k-1)*21+3*je,i+6+k,66-(k-1)*21-3*j*end do*end dofinish!生成全桥模型节点/PREP7i=i+9 !记录半跨的所有节点数nsym,x,i,all !用映射法直接建立另半跨节点esym,,i,all !用映射法直接建立另半跨单元nummrg,all ! 合并所有单元和节点等!建索塔连接横梁单元/prep7type,1 !定义单元类型、截面实常熟和单元材料号real,5mat,2j=ii=i-9n,1000,-174 !建立左塔横梁的中间节点e,1000,i+3 !以下两行用于建立左塔横梁单元e,1000,i+4n,2000,174 !建立右塔横梁的中间节点e,2000,i+3+j !以下两行用于建立右塔横梁单元e,2000,i+4+jfinish!施加主塔的四个角上的全约束nsel,,loc,z,-30 !选择四个塔脚节点d,all,all !施加全位移约束allsel !注意重新选择整个模型!在左桥端施加 y,z 约束nsel,,loc,x,-348 !仅给左端主梁施加约束nsel,r,loc,y,0d,all,uyd,all,uzallsel!在桥右端施加 y 约束nsel,,loc,x,348 !仅给右端主梁施加约束nsel,r,loc,y,0d,all,uyallsel!压缩单元编号NUMCMP,all(7) 耦合节点路径:Main Menu/Preprocessor/Coupling / Ceqn/Couple DOFs耦合跨中由于对称而重复的单元节点以及两主塔上塔横梁和主梁的重合节点,注意释放UX、ROTY 和 ROTZ 三个方向的自由度。APDL 语言如下,整个结构模型如图所示。/prep7cpintf,uycpintf,uzcpintf,rotxcpintf,rotzfinish图 5-79 全桥结构模型成桥状态的确定(1)静力的初步计算路径:Main Menu/Solution/Current LS求解,得到这个最大位移 1.288 米,矢量图如下所示,由于偏差太大需要重新计算。(2) 修改实常数、重新计算路径:Main Menu/Preprocessor/Real Constants/Add/Edit/Delete设置 6 号实常数,将设 ISTRN =0.012。图 5-81 6 号实常数重新设置窗口(3)重新计算结果路径 1:Main Menu/Solutio/Analysis Type/Analysis Options路径 2:Main Menu/Solution/Current LS为了将计算应力结果用于下面的动力分析,这里打开预应力和集中质量设置开关,进入里面将 LUMPM 和 PSTRES 打开。求解得到这个最大位移 0.0329 米,矢量图如图 5-82 所示,说明已经到达成桥状态要求,保存结果。图 5-82 成桥状态静力计算矢量变形图模态分析(1)分析设置路径 1:Main Menu/Solution/Analysis Type/New Analysis设置分析类型为 Modal。路径 2:Main Menu/Solution/Analysis Type/Analysis Options启用 LANB 求解器,并且提取模态为 20 阶,扩展前 10 阶,和静力计算一样打开 LUMPM和 PSTRES,在接下来的对话框中输入开始频率为 0,结束频率为 100,单击“OK”按钮。路径 3:Main Menu/Solution/Load Step Opts/Other/Updt Node Coord设置 FACTOR=1,KEY 为 ON,更新模型计算坐标,目的是为了将预应力效应准确应用到模态分析上来,分析设置完毕。(2)求解及结果分析路径 1:Main Menu/Solution/Current LS求解,下面观察结果。路径 2:Main Menu/General Postproc/Results Summary得到前十阶频率如表 5-8 所示。这里再提取适当的几阶振型以说明问题,第一阶为主跨横向弯曲,第二阶为全桥纵向平移,以下几阶基本是桥面在水平面内的弯曲,到了第六阶就开始变成竖向挠曲振动了。这里列出了 1、2、5、6 阶振型图,分别如图 5-83、5-84、5-85、5-86、5-87、5-88、5-89、5-90,读者可以自己验证。一般来说纵漂发生第一阶频率处,然而这里主跨横弯变成了第一阶,所以横向弯曲刚度是不够的。总的来说纵漂处于横向和竖向运动的前面,横向运动处于竖向运动的前面,竖向挠曲刚度是三者中最小的。表5.5.3.1.1.1 前十阶频率SET TIME/FREQ1 0.0956982 0.124863 0.265634 0.265635 0.269216 0.335857 0.496258 0.500429 0.5171610 0.68442激励耦合分析(1)恢复成桥静力计算结果路径:Utility Menu/File/Resume Jobname.db 恢复文件。(2)生成地震激励向量将 桥梁的地震响应分析 例子中的横向和纵向的地震波数据文件放到工作目录下,这里已“ ”改名为 ACELZ 和 ACELY。然后将数据文件依次读到定义的 AAZ1 和 AAY1 向量中来。大致如下有关更详细的说明请参考 桥梁的地震响应分析 一例。第一步,“ ” Utility/Parameters/Array Parameter/Define/Edit,单击“Add”按钮,令 Par=AAZ1,Type=Array,I,J,K=2,50,0,单击“Apply”按钮得到 AAZ1 矩阵,同理得到 AAY1 矩阵,然后单击“Close”按钮。第二步,Utility/Parameters/Array Parameter/Read From File,单击“OK”按钮,在(什么对话框?请给出名称)对话框中使 ParR=AAZ1(1,1),单击 Browse,找到文件 ACELZ.txt,Ncol=50,format 为(e9.3,e11.3),然后单击“OK”按钮,同理可将 ACELY.txt 中的数据调入AAY1 矩阵中。第三步,检查矩阵数据,Utility/Parameters/Array Parameter/Define/Edit,选择 tjx 行,单击“Edit”按钮,可以得到对话框,在确认数据正确后,关闭对话框。(2)输入车辆激励波,z =1000*cos(10*t),车子跨越一个单元的时间为 0.1 秒(速度 216 公里/小时),全桥共 696 米长,历时 11.6 秒过桥,纵向共 116 个单元,117 个节点,APDL 语言如下所示:N=117 !定义向量维数*dim,fcar,array,N !定义车载荷向量*do,i,1,N !以下循环用于生成车载荷数据tt=(i-1)*0.1fcar(i)=1000*cos(10*tt)*enddo(3)输入风荷载激励 p=50*sin(1.5*t),由于梁长 6 米,高 3 米,故每个节点的受力可表示为:*dim,fwind,array,N,N ! 定义风载荷向量*do,i,1,N !以下循环用于生成风载荷数据tt=(i-1)*0.1p=50*sin(1.5*tt)fwind(1,i)=3*3*p*do,j,1,N-2fwind(j+1,i)=6*3*p*enddofwind(N,i)=fwind(1,i)*enddo(5) 加载步耦合由于瞬态分析是以载荷步为阶段来求解的,所以应该将 117 个载荷步分别存入载荷文件之中,下面的 APDL 语言用来实现这一功能。FINISH !完成上一阶段的设置/config,nres,2000 !设置最大子步数为 2000/soluantype,trans !定义分析类型为瞬态M=N !M 变量表示向量的需要存储的时间点数*do,i,1,M !开始激励的耦合循环time,i*0.1 !给每个载荷步文件设置结束点时间auto,off !关闭自动选择为deltim,0.05 !设置子步求解的时间间隔kbc,0 !选择 ramped 选项outres,basic !选择基本结果输出cnvtol,f,,0.01 !选择力收敛准则,容差为 0.01!施加地震激励*if,i,le,50,then !给结构施加地震加速度载荷acel,,-AAY1(2,i),10-AAZ1(2,i)*ELSEACEL,0,0,10*endif!施加移动荷载激励*if,i,eq,1,then !如果力作用在最左端的主梁上时,单独定义施加荷载nsel,s,loc,x,-174*2nsel,r,loc,y,0nsel,r,loc,Z,0f,all,fz,-fcar(j)allsel*else !如果力不是作用在最左端时, 作如下循环*do,j,2,M !选择受力节点,施加载荷nsel,s,loc,x,-174*2+(j-1)*6nsel,r,loc,y,0nsel,r,loc,Z,0f,all,fz,-fcar(j)allselnsel,s,loc,x,-174*2+(j-2)*6 !荷载并且删除前一节点的载荷nsel,r,loc,y,0nsel,r,loc,Z,0fdele,all,fzallsel*enddo !结束循环*endif !结束判断!施加风载荷*do,j,1,N !选择风作用侧的节点nsel,s,loc,y,-14nsel,s,loc,x,-174*2+(j-1)*6f,all,fy,fwind(j,i) !给所选的节点施加载荷allsel*enddolswrite,i !写数据到载荷步文件 i*enddo !结束当前循环(6) 求解计算进入 Main Menu/Solution/From LS Fileslssolve,设置 LSMIN=1,LSMAX=M,其他默认,单击“OK”按钮,开始求解。这个计算需要花费一段时间,中间如果有精度设置的警告可以不去管它,最后保存好文件。(7) 时间历程处理器,观察变量随时间的变化。路径 1:Menu/TimeHist Postpro/define Variables路径 2:Menu/TimeHist Postpro/Variable Viewer执行路径 1,在(什么对话框?请给出名称)对话框中选择 Add,然后选择变量类型为Nodal DOF result,选择主跨主梁的中节点 UX 为变量值,即变量 2 代表着节点的 UX 值,同理再添加变量 UY 和 UZ。单击“Close”按钮。执行路径 2,得到图 5-91(语句不通),在其中选择时间为 X 轴,然后单击 UX 行,使其变为蓝色,再单击绘图按钮,就会得到图 5-92 所示的跨中节点纵向位移变化图,同理得到其他两个方向的位移图,由图可以看到节点随时间的变化规律。图 5-91 跨中主梁节点的纵桥向位移图 图 5-92 跨中主梁节点的横桥向位移图图 5-93 跨中主梁节点的竖桥向位移图为了综合考虑三个方向的位移,采用 U=√UX2+UY2+UZ2计算总体位移变化规律,仍旧在这个处理其中的 Calculator 子框中计算得到 U 变量函数,然后可以观察它的变化规律,如图 5-94 所示。这个图形没有相位特性,但是它反映了节点总体位移大小随时间变化的情况。图 5-94 跨中主梁节点的总体位移图可以观察到节点的最大位移是在作 2.5 到 3.75 之间的,为了更准确的观察到结果,可以在刚才这个处理器的工具栏中选择 LIST DATA 一项,单击后将出现一个数据表格,在2.5 到 3.75 之间可以看到当时间在 2.8 时,最大绝对值位移为 0.284795。瞬态动力学分析 1/prep7Et,1,3Et,2,21,,,4R,1,1,750,16R,2,0.03Mp,ex,1,40e3Mp,prxy,,0.3N,1N,2,100N,3,200E,1,2E,2,3Type,2Real,2E,2Finish/soluAntype,transTrnopt,msupAutots,onOutress,all,1Deltim,0.003D,1,uyD,3,ux,,,,,uyF,2,fyTime,0.05Lswr,1Time,0.075F,2,fy,25Lswr,2Time,0.1Lswr,3Lssolve,1,3Finish/soluExpass,onExpsol,,,0.1SolveFinish/post26Nsol,3,2,u,yStore*get,tmax,vari,3,extreme,tmax*get,ymax,vari,3,extreme,vmax/prep7Et,1,3Et,2,21,,,4R,1,1,750,16R,2,0.03Mp,ex,1,40e3Mp,prxy,,0.3N,1N,2,100N,3,200E,1,2E,2,3Type,2Real,2E,2Finish/soluAntype,transTrnopt,fullOutress,all,1Deltim,0.003D,1,uyD,3,ux,,,,,uyF,2,fy,25Kbc,0Time,0.075Lswr,1Time,0.1Lswr,2Lssolve,1,2Finish/post26Nsol,3,2,u,yRforce,4,1,f,yRforcr,5,3,f,yAdd,6,4,5Plvar,6Store*get,tmax,vari,3,extreme,tmax*get,ymax,vari,3,extreme,vmax瞬态动力学分析 2/prep7Et,1,14,,,2Et,2,21,,,4R,1,4e5R,2,2e5R,3,2e5R,4,2e5R,5,1e5N,1N,2,100N,3,200N,4,300Type,1Real,1E,1,2Type,1Real,2E,2,3E,3,4Type,2Real,4E,2Type,2Real,5E,3/soluAntype,transTrnopt,fullOutress,all,allDeltim, 0.03D,1,uy,,,4D,1,ux,,,4,3Time,3.50F,3,fx,10000solve/post26Nsol,2,2,u,xNsol,3,3,u,xPlvar,2*get,tmax,vari,3,extreme,tmax*get,ymax,vari,3,extreme,vmax模态分析/Prep7Et,1,4R,1,4,4/3,4/3,2,2Mp,ex,1,40e6Mp,prxy,,0.3mp,dens,1,727973e-9k,1k,2,90lstr,1,2lesize,1,,,13lmesh,1d,1,uy,,,14,,rotx,rotzd,1,ux,,,,,uzd,2,uzfinish/soluAntype,modalMxpand,4Modopt,subsp,4SolveFinish/post1Set,listSet,firstPldisp,1Set,nextPldisp,1模态分析 2/Prep7Et,1,4R,1,4,4/3,4/3,2,2Mp,ex,1,40e6Mp,prxy,,0.3mp,dens,1,727973e-9n,1n,14,90fille,1,2egen,13,1,1d,1,uy,,,14,,rotx,rotzd,1,ux,,,,,uzd,14,uzm,2,uz,13谐响应分析/prep7Et,1,14,,,2Et,2,21,,,4R,1,200R,2,0.5N,1N ,2,1N,3,2E,1,2E,2,3Type,2Real,2E,2Finish/soluAntype,harmicHropt,reduceM,2,uxNsubst,100Harfrq,,10Kbc,1D,1,uy,,,3D,1,ux,,,3,2F,2,fx,200SolveFinish/post26Nsol,2,2,u,xPrvar,2/grid,1/axlab,y,dispPlvar,2有预应力作用结构的谐响应实例/PREP7/filnam,weijh/TITLE,HARMONIC RESPONSE OF A GUITAR STRING/SHOW!*ET,1,LINK1 !定义 2 为单元MP,EX,1,1.9E5 !指定材料弹性模量MP,PRXY,1,0.3MP,DENS,1,7.92E-009 !定义材料密度R,1,5.0671E-2, , !定义单元实常数,吉他弦的截面积N,1, 1 定义节点N,31,710FILL,1,31,29, , ,1,1,1,/PNUM,NODE,1 1 显示节点编号/REPLOT !刷新图形窗口E,1,2 !定义单元EGEN,30,1,1/GOD,1, ALL !定义位移约束D,2, UY, , , 31F,31,FX,84 !施加力载荷SAVE!* 下面进行静力求解/SOLUTIONANTYPE,0 !选定分析类型为静力分析PSTRES,ON !打开预应力选项OUTPR,BASIC,1SOLVEFINISH!* 下面进行有预应力的模态分析/SOLUTIONANTYPE,2 !指定分析类型为模态分析MODOPT,LANB,6 !分析选项设置PSTRES,1 !打开预应力选项DDELE,2,UY,30 !删除位移约束SOLVEFINISH!* 下面进行模态叠加法谐响应分析/SOLUTIONANTYPE,3 !指定分析类型为谐响应分析HROPT,MSUP,6, , !分析选项设置HROUT,OFF,OFF,0FDELE,31,FX !删除力载荷F,8,FY,-1, !施加力载荷HARFRQ,0,2000, !载荷步设置NSUBST,250,KBC,1OUTPR,BASIC,NONE, !结果输出设置OUTRES,ALL,ALL,SOLVEFINISH!* 下面进行结果通用后处理/POST1SET,LIST !显示所有固有频率SET,FIRST/EFACE,1AVPRIN,0, ,PLNSOL,U,SUM,1,1 !绘制第一阶振型FINISH!* 下面进行时间历程后处理/POST26FILE,'weijh','rfrq','.'!打开结果文件NUMVAR,200PLCPLX,0/AXLAB,Y,AMPL !指定纵坐标标签NSOL,2,16,U,Y, UY_NODE_16 !定义变量PLVAR,2, !绘制幅值频率曲线FINISH随机振动和随机疲劳分析实例/BATCH/TITLE,PSD Analysis of the Beam-Shell Structure!*/PREP7ET,1,SHELL63 !定义单元类型ET,2,BEAM4!*R,1,0.002 !定义单元实常数R,2,1.6E-5,2.1333E-11,2.133E-11,4E-3,4E-3!*MP,EX,1,2E11, !定义材料特性MP,DENS,1,7.8E3,MP,NUXY,1,0.3,!*K,1,,,, !建立梁结构有限元模型K,2,,,0.6K,3,,,1.2K,4,,,1.8!*LSTR,1,2LSTR,2,3LSTR,3,4!*TYPE,2MAT,1REAL,2ESYS,0LESIZE,ALL,,,6,1,LMESH,ALLLGEN,2,ALL,,,,0.5,,,0LGEN,2,ALL,,,0.5,,,,0LSEL,R,LOC,X,0.5LGEN,2,ALL,,,0.5,,,,0LSEL,ALL!*/VIEW,1,-0.5,-0.9,1 !调整视图/VUP,1,Y/REPLOT!*A,2,6,14,10 !建立板壳结构有限元模型TYPE,1MAT,1REAL,1ESYS,0ALLSEL,BELOW,AREALESIZE,ALL,,,5,1AMESH,1!*AGEN,2,1,,,0.5AGEN,2,ALL,,,,,0.6ASEL,R,LOC,Z,1.2AGEN,2,ALL,,,,,0.6ALLSEL,ALL!*NUMMEG,ALL,,, !合并重复元素NUMCMP,ALLNSEL,R,LOC,Z,0 !添加边界条件D,ALL,,,,,,ALLALLSEL,ALL!*/SOLUANTYPE,2 !模态分析MODOPT,LANB,10,0,100, ,OFFEQSLV,SPARMXPAND,10, , ,1LUMPM,0PSTRES,0SOLVEFINISH!*/SOLUANTYPE,8 !谱分析SPOPT,PSD,10,1 !PSD 分析,计算单元应力PSDUNIT,1,DISP,386.4, !位移谱!*PSDFRQ,1, ,0.5,1.0,2.4,3.8,17 !定义频率-谱值表中的频率PSDFRQ,1, ,18,20,32, ,!*PSDVAL,1,0.01e-3,0.02e-3,0.016e-3,0.02e-3,0.005e-3PSDVAL,1,0.01e-3,0.015e-3,0.01e-3, ,!*NSEL,R,LOC,Z,0D,ALL,UY,1.0 !施加节点位移谱ALLSEL,ALL!*PFACT,1,BASE, !计算参与系数PSDRES,DISP,ABS !定义输出控制PSDRES,VELO,ABSPSDRES,ACEL,ABS!*SOLVEFINISH!*/SOLUANTYPE,8PSDCOM,0.005,10 !定义 PSD 模态合并有效阀值和合并的模态数SOLVEFINISH!*/POST1SET,FIRST !读入第一个载荷子步SET,LISTPRNSOL,DOF, !显示节点位移PRESOL,ELEM !按单元格式显示单元结果PRRSOL,F !显示约束反力SET, , ,1, , , ,12, !读入第十二个载荷子步,也就是载荷步 3 的第一个PLNSOL,S,EQV,0,1 !云图显示等效应力NSORT,S,EQV,0,1, ,0 !按节点等效应力降序排列结果PRNSOL,S,PRINFINISH!*/POST26FILEFILE,'CH13','rst','.'/UI,COLL,1NUMVAR,200STORE,PSD,1 !存储频率矢量到变量 1NSOL,2,245,U,Y,UY-245RPSD,3,2,,1,1,RPSD,4,2,, 2,1,RPSD,5,2,,3,1,!*PLTIME,0,4/AXLAB,X,Frequency/AXLAB,Y,Displacement-YPLVAR,3 !绘制节点 245 在 Y 方向上的位移响应曲线/AXLAB,X,Frequency/AXLAB,Y,Velocity-YPLVAR,4 !绘制节点 245 在 Y 方向上的速度响应曲线/AXLAB,X,Frequency/AXLAB,Y,Acceleration-YPLVAR,5 !绘制节点 245 在 Y 方向上的加速度响应曲线RESET !初始化 POST26 后处理器的设置NSOL,2,245,U,Y,UY-245 !定义变量 2(节点 245 的 Y 向位移)NSOL,3,240,U,Y,UY-240 !定义变量 3(节点 240 的 Z 向位移)!*CVAR,4,2,3,1,1, !计算两节点间位移协方差*GET,U245,VARI,4,EXTREM,CVAR !提取协方差值FINISH

第5章Ansys桥梁结构工程应用知识点:连续刚构桥仿真桁架桥受力分
AABB图5-1主桥模型44120.60.25图5-2箱型截面提示:(1)采用shel
0.25;对于shell63号单元需要定义三种实常数,分别对应于箱形梁
MP,DENS,2,7800k,1 !建立主桥边界面上的关键点k,2,4 k,3,10 k,4,
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