小型铁路钢桥强度分析及优化设计毕业论文.doc

小型铁路钢桥强度分析及优化设计毕业论文 目 录 第一章 绪论 6 1.1 研究背景与意义 6 1.2钢桥简介 7 1.3有限元分析技术 9 1.4 国内外研究现状与发展趋势 10 1.5本论文的主要工作 11 第二章 钢桁梁桥有限元模型的建立 13 2.1对建立钢桁梁桥模型有关参数选择的分析 13 2.1.1建模方法的选择 13 2.1.2单元的选择 14 2.1.3单位的选择 16 2.2 在ANSYS中建模 17 2.3有限元模型图示 18 2.4 小节 19 第三章 钢桁梁桥有限元模型的加载和后处理 20 3.1 钢桁梁桥受载情况分析 20 3.1.1恒载 20 3.1.2列车活载 21 3.1.3列车制动或牵引荷载 21 3.1.4列车横向摇摆荷载 22 3.1.5其他荷载的影响 22 3.2桥梁允许的最大变形量和最大应力 22 3.2.1桥梁允许的最大变形量 22 3.2.2桥梁允许的最大应力 23 3.3在ANSYS中施加约束和荷载 23 3.3.1恒载工况下的约束和荷载施加 23 3.3.2最不利工况下的约束和荷载施加 24 3.4在ANSYS中的计算结果 27 3.4.1恒载工况下的计算结果 27 3.4.2最不利工况下的计算结果 30 3.5小节 37 第四章 钢桁梁桥的优化设计 38 4.1 ANSYS优化设计概述 38 4.1.1ANSYS优化设计概念 38 4.1.2ANSYS优化设计步骤 38 4.1.3 ANSYS优化设计方法 39 4.2在ANSYS中的优化设计处理 40 4.3优化结果 41 4.4优化模型与初始模型的对比 45 4.5小节 46 结论 48 致谢 49 附录1最不利工况下的强度刚度分析与优化设计代码 50 附录2 恒载工况下的强度刚度分析代码 57 附录3 优化模型程序代码 62 附录4节点的总位移值 68 附录5单元结果表 74 参考文献 81 第一章 绪论 1.1 研究背景与意义 钢桁梁桥传统静力分析方法其基本原理是把钢桁梁桥的计算图式假定为铰接平面结构，并把钢桁梁的杆件内力分析分为两步进行:第一步，把刚性节点的空间结构分解为纵梁、横梁、主桁、纵联、横联这样一些独立的平面结构。一般假定上述各平面结构均为铰接的，各平面结构只承受作用于该结构面内的荷载，两个平面结构共有的杆件，其内力按两个平面结构算出的内力叠加。第二步，采用近似方法计算在第一步中没有考虑的节点刚性和结构空间作用的影响。在设计杆件时，根据其影响的大小，有区别地对这部分力加以考虑。由此可见，这种简化方法明显有以下几点不足： 第一，显然，这种简化方法对于全桥的各组成体系之间、平面结构之间、构件之间的有机联系及相互作用无法准确考虑。 第二，在考虑节点次应力对杆件内力的影响时，其计算比较复杂，由于边界条件的假定难于完全与实际相符，计算结果与实际值会有一定误差。 第三，这种方法只能计算出各杆件内力或应力的总体水平，对于应力的大小在杆件上的具体分布情况以及复杂节点处的应力水平却无从得知，而这往往是钢桁梁桥成功与失败的关键之处。 总之，最原始的钢桥设计过程是设计人员采用力学方法与经验公式根据长期总结出来的设计理论和实验数据进行设计，人工计算不可避免地采用了过多的简化，设计结果不够精确、全面、最优。比如，不能全面反映整体应力状态，导致结构设计中的冗余和繁琐。 针对桥梁传统计算方法存在的缺点，本文采用有限元分析方法，建立了小型铁路钢桥的空间模型，并计算加载了该桥所受的荷载，进而进行计算与分析，由此得到相对详尽、精确、可靠的分析结果。并在此基础上，对桥梁结构的有关参数进行优化设计，以达到在满足设计要求的情况下节省材料之目的。这种结构分析方法能够较好的从整体上考映虑桥梁平面结构之间的联系，反映空间桁架各杆件之间的刚性连接及其相互作用。当然，这种方法也有一些小足之处：例如在杆件之间的连接上，无法准确模拟连接节点的真实构成；对于构件的一些细部构造未能真实反映等等。但总体而言采用有限元分析方法相对于采用传统计算方法无论从设计时间还是设计质量上都有很大的提高。 综上所述，本课题的意义首先在于通过与桥梁传统设计方法的对比，理解有限元分析法设计桥梁的优点和意义。还在于掌握用有限元分析法解决结构分析方面的工程问题，掌握有限元分析计算的思路和方法。故而在具体分析钢桥这个研究对象时采取了简化钢桥结构、简化建模、简化载荷的做法，力求在简约的设计条件下抓住有限元分析法的实质内涵。 1.2钢桥简介 所谓钢桥，即指桥梁上部结构的主要承重部分用钢材制成，下部结构可由其他材料制成的桥梁。 (1)钢桥的主要类型 钢桥可以根据不同的条件建成多种多样的形式，其种类较其他材料制造的桥梁为多。主要可分为： ①梁式体系 梁式体系在力学图式上可分为简支梁、连续梁和悬