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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 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。 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： 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： 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。 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. 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： PREP7 前处理器 SOLUTION 求解器 POST1 通用后处理器 POST26 时间历程后处理 OPT 优化设计模块 RUNSTAT 估计分析模块 OTHER 其他功能 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 类别 特性 单元名称 适用范围 杆 普通 LINK1(2-D) LINK8(3-D) 构架，铰链，弹簧 双线性 LINK10 电缆，铰链，钢索 梁 普通 BEAM3(2-D) BEAM4(3-D) 螺栓，带槽的柱 2D实体 三角形 PLANE2(6节点) 二维固体 四边形 PLANE42(4节点) PLANE82(8节点) 二维固体 超弹性 HYPER84(8节点) HYPER56(4节点) 粘弹性 VISCO88(8节点) 3D实体 块 SOLID45(8节点) 三维固体 四面体 SOLID92(10节点) 三维固体 超弹性 HYPER86(8节点) 粘弹性 V