根据ANSYS的桥梁分析

钢桁架桥静力受力分析
对一架钢桁架桥进行具体静力受力分析，分别采用GUI方式和命令流方式。

A 问题描述
图6-15 钢桁架桥简图
已知下承式简支钢桁架桥桥长72米，每个节段12米，桥宽10米，高16米。

设桥面板为0.3米厚的混凝土板，当车辆行驶于桥梁上面时，轴重简化为一组集中力作用于梁上，来计算梁的受力情况。

桁架杆件规格有三种，见下表：
杆件截面号形状规格
端斜杆 1 工字形400×400×16×16
上下弦 2 工字形400×400×12×12 横向连接梁 2 工字形400×400×12×12
其他腹杆 3 工字形400×300×12×12
所用材料属性如下表：
表6-3 材料属性
参数钢材混凝土
弹性模量EX 2.1×1011 3.5×1010
泊松比PRXY 0.3 0.1667
密度DENS 7850 2500
B GUI操作方法
1.创建物理环境
1）过滤图形界面：
GUI：Main Menu> Preferences，弹出“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。

2）定义工作标题：
GUI：Utility Menu> File> Change Title，在弹出的对话框中输入“Truss Bridge Static
Analysis”，单击“OK”。

如图6-16（a）。

指定工作名：
GUI：Utility Menu> File> Change Jobname，弹出一个对话框，在“Enter new Name”后面输入“Structural”，“New log and error files”选择yes，单击“OK”。

如图6-16（b）。

图6-16（a）定义工作标题
图6-16（b）指定工作名
3）定义单元类型和选项：
GUI：Main Menu> Preprocessor> Element Type> Add/Edit/Delete，弹出“Element Types”单元类型对话框，单击“Add”按钮，弹出“Library of Element Types”单元类型库对话框。

在该对话框左面滚动栏中选择“Structural Beam”，在右边的滚动栏中选择“3D 188”，单击“Ok”，定义了“BEAM188”单元，如图6-17。

继续单击“Add”按钮，弹出“Library of Element Types”单元类型库对话框。

在该对话框左面滚动栏中选择“Structural Shell”，在右边的滚动栏中选择“Elastic 4node 181”，单击“OK”，定义了“SHELL181”单元。

得到如图6-18所示的结果。

最后单击“Close”，关闭单元类型对话框。

图6-17 单元类型库对话框
图6-18 单元类型对话框
4）定义梁单元截面：
GUI：Main Menu> Preprocessor> Sections>Beam> Common Sections，弹出“Beam Tool”工具条，如图6-19填写。

然后单击“Apply”，如图6-19填写；然后单击“Apply”，如图6-19填写，最后单击“OK”。

图6-19 定义三种截面
每次定义好截面之后，点击“Preview”可以观察截面特性。

在本模型中三种工字钢截面特性如下图6-20：
图6-20 三种截面图及截面特性
5）定义材料属性：
GUI：Main Menu> Preprocessor> Material Props> Material Models，弹出“Define Material Model Behavior”对话框，在右边的栏中连续双击“Structural> Linear> Elastic> Isotropic”后，弹出“Linear Isotropic Properties for Material Number 1”对话框，如图6-23所示，在该对话框中“EX”后面的输入栏输入“2.1e11”，“PRXY”后面的输入栏输入“0.3”，单击“OK”。

图6-23 设置弹性模量和泊松比图6-24 设置密度继续在“Define Material Model Behavior”对话框，在右边的栏中连续双击“Structural> Density”，弹出“Density for Material Number 1”对话框，如图6-24所示，在该对话框中“DENS”后面的输入栏输入“7850”，单击“OK”。

设置好第一种钢材材料之后，还要设置第二种混凝土桥面板材料。

“Define Material Model Behavior”对话框的Material菜单中选择“New model”，按照默认的材料编号，点击“OK”。

这时“Define Material Model Behavior”对话框左边出现“Material Model Number 2”，同第一种材料的设置方法一样，“Linear Isotropic”中“EX”输入“3.5e10”，“PRXY”输入“0.1667”，“DENS”输入“2500”，单击“OK”结束。

如图6-25。

最后关闭“Define Material Model Behavior”对话框。

图6-25 定义材料属性
2.建立有限元模型
1）生成半跨桥的节点：
GUI：Utility Menu> Modeling> Create> Nodes> In Active CS，弹出“Create Nodes in Active CS”对话框，在“X，Y，Z”输入行输入：“0，0，-5”，单击“OK”。

如图6-26（a）然后GUI：Utility Menu> Modeling> Copy> Nodes> Cop，在“Copy nodes”对话框中单击“Pick All”，在弹出的对话框中，如图6-26（b）填写。

继续执行GUI：Utility Menu> Modeling> Copy> Nodes> Cop，在“Copy nodes”对话框中单击“Pick All”，在弹出的对话框中，如图6-26（c）填写。

图6-26（a）建立节点图6-26（b）复制节点
图6-26（c）复制节点图6-27 半桥模型的节点
继续执行GUI：Utility Menu> Modeling> Copy> Nodes> Cop，弹出“Copy nodes”对话
“ITIME”框，在ANSYS主窗口中用箭头选择2、6、10号节点，单击“OK”，在弹出的对话框中，
输入“2”，“DY”输入“16”，“INC”输入“1”，“RATIO”输入“1”，其他项不填写。

单击“OK”。

继续执行GUI：Utility Menu> Modeling> Copy> Nodes> Cop，弹出“Copy nodes”对话框，在ANSYS主窗口拾取3、7、11号节点，单击“OK”，在弹出的对话框中，“ITIME”输入“2”，“DZ”输入“-10”，“INC”输入“1”，“RATIO”输入“1”，其他项不填写。

单击“OK”。

最终ANSYS主窗口中出现画面如图6-27。

2）生成半桥跨单元：
选择第一种单元属性：
GUI：Utility Menu> Modeling> Create> Elements> Elem Attributes，弹出“Element Attributes”对话框，如图6-28所示。

单击“OK”关闭窗口。

图6-28 选择单元属性图6-29建立端斜杆梁单元建立端斜杆梁单元：
GUI：Utility Menu> Modeling> Create> Elements> Auto Numbered> Thru Nodes，弹出“Elem from Nodes”拾取节点对话框，分别拾取11和14号节点，单击“apply”。

再选择12和13号节点。

单击“OK”。

如图6-29。

选择第二种单元属性：
GUI：Utility Menu> Modeling> Create> Elements> Elem Attributes，弹出“Element Attributes”对话框，“SECNUM”项中选择“2 XIANHENG”，其他选项不变。

单击“OK”关闭窗口。

建立上下弦杆和横梁杆梁单元：
GUI：Utility Menu> Modeling> Create> Elements> Auto Numbered> Thru Nodes，弹出“Elem from Nodes”选择对话框，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号节点建立单元。

单击“OK”关闭窗口。

选择第三种单元属性：
GUI：Utility Menu> Modeling> Create> Elements> Elem Attributes，弹出“Element Attributes”对话框，“SECNUM”项中选择“3 FU”，其他选项不变。

单击“OK”关闭窗口。

建立上下弦杆和横梁杆梁单元：Utility Menu> Modeling> Create> Elements> Auto Numbered> Thru Nodes，弹出“Elem from Nodes”选择对话框，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号节点建立单元。

单击“OK”关闭窗口。

3）定义梁单元截面：
GUI：Main Menu> Preprocessor> Sections>Shell> Lay-up>Add/Edit，弹出Create and Modify Shell Sections”工具条,在“name”后输入“ban”，“ID”后输入“4”，“Thickness”后输入“0.3”，单击“OK”。

4）选择第四种单元属性：
GUI：Utility Menu> Modeling> Create> Elements> Elem Attributes，弹出“Element Attributes”对话框，“TYPE”项选择“2 SHELL181”，“MAT”项选择“2”，“SECNUM”项中选择“No Section”，“TSHAP”项选择“4 node quad”，其他选项不变。

单击“OK”关
闭窗口。

建立桥面板单元：
GUI：Utility Menu> Modeling> Create> Elements> Auto Numbered> Thru Nodes，弹出“Elem from Nodes”选择对话框，依次选择1、2、6、5号节点、5、6、10、9号节点、9、10、14、13号节点建立三个壳单元。

单击“OK”关闭窗口。

如图6-30。

图6-30 半桥单元
5）生成全桥有限元模型：
生成对称节点：
GUI：Main Menu> Preprocessor> Modeling> Reflect> Nodes，弹出“Reflect Nodes”选择对话框，单击“Pick All”。

在第二个对话框中，选择“Y-Z plane”，“INC”项填写“14”。

单击“OK”关闭对话框。

图6-31桥单元
生成对称单元：
GUI：Main Menu> Preprocessor> Modeling> Reflect> Elements> Auto Numbered，弹出“Reflect Elems”选择对话框，单击“Pick All”。

在第二个对话框中，“NINC”项填写“14”。

单击“OK”。

如图6-31。

6）合并重合节点、单元：
GUI：Main Menu> Preprocessor> Numbering Ctrls> Merge Items，弹出“Merge Coincident or Equivalently Defined Items”对话框，“Label”项选择“All”，单击“OK”关闭窗口。

如图6-32。

图6-32 合并重合节点和单元图6-33 压缩编号
压缩编号：
GUI：Main Menu> Preprocessor> Numbering Ctrls> Compress Number，弹出“Compress Numbers”对话框，“Label”项选择“All”，单击“OK”关闭窗口。

如图6-33。

7）保存模型文件；Utility Menu> File> Save as，弹出一个“Save Database”对话框，在“Save Database to”下面输入栏中输入文件名“Structural_model.db”，单击“OK”。

3. 加边界条件和载荷
1）施加位移约束：
在简支梁的支座处要约束节点的自由度，以达到模拟铰支座的目的。

假定梁左端为固定支座，右边为滑动支座。

GUI：Main Menu> Solution> Define Losads> Apply> Structural> Displacement> On Nodes，弹出节点选取对话框，用箭头选择23和24号节点，单击“OK”弹出“Apply U，ROT Nodes”对话框，“DOFs to be constrained”项中，选择“UX，UY，UZ”，单击“OK”关闭窗口。

如图6-34。

以同样的方法，在13和14号节点施加位移约束，选择13、14号节点之后，在“DOFs to be constrained”项中选择“UY，UZ”，单击“OK”关闭窗口。

结果如图6-35。

图6-34 设置节点位移约束图6-35 施加位移约束后的模型
图6-36 设置集中力荷载图6-37 施加所有荷载后的模型
2）施加集中力：
在跨中两节点处施加集中力荷载。

GUI：Main Menu> Solution> Define Losads> Apply> Structural> Force/Moment> On Nodes，弹出节点选取对话框，用箭头选择1和2号节点，单击“OK”弹出“Apply F/MNodes”对话框，“Lab”项选择“FY”，“V ALUE”项填写“-100000”。

如图6-36。

单击“OK”关闭窗口。

3）施加重力：
GUI：Main Menu> Solution> Define Losads> Apply> Structural> Inertia> Gravity> Global，弹出“Apply Acceleration”对话框，在“ACEL Y”项填写“10”，单击“OK”。

施加所有荷载之后的模型如图6-37。

4. 求解
1）选择分析类型：
GUI：GUI：Main Menu> Solution> Analysis Type> New Analysis，在弹出的“New Analysis”对话框中选择static选项，点击“OK”关闭对话框。

2）开始求解：
GUI：Main Menu> Solution> Solve> Current LS，弹出一个名为“/STATUS Command”的文本框，如图6-38，检查无误后，单击“Close”。

在弹出的另一个“Solve Current Load Step”对话框中单击“OK”。

求解结束后，关闭“Solution is done”对话框。

图6-38 求解信息
5. 查看计算结果
1）查看结构变形图：
GUI：Main Menu>General Postproc>Plot Results> Deformed Shape，弹出一个如图6-39(a)所示的对话框，单击“OK”，结果显示如图6-39(b)
图6-39(a) 设置变形显示图6-39(b) 结构变形结果
2）云图显示位移：
GUI：Main Menu> General Postproc> Plot Results> Contour Plot> Nodal Solu，弹出如图6-40的对话框，选择“Nodal Solution-DOF Solution-”后面的选项，其中包括X、Y、Z各个方向的位移及总体位移，和X、Y、Z各个方向的转角及总体转角。

下面的选项分别是：是否显示未变形的模型；变形比例。

单击“OK”显示云图。

各节点总体位移结果云图如图6-41。

图6-40 选择云图显示数据
图6-41 总位移云图显示
3）矢量显示节点位移：
GUI：Main Menu> General Postproc> Plot Results> V ector Plot> Predefined，弹出一个“Vector Plot of Predefined Vectors”矢量画图对话框,在“PLVECT”项中选取“DOF solution”和“Translation U”，单击“OK”，其结果如图6-42所示。

图6-42 节点位移矢量显示
4）显示结构内力图：
✓定义单元表：
GUI：Main Menu> General Postproc> Element Table> Define Table，弹出一个“Element Table Data”对话框，单击“Add”，弹出“Define Additional Element Table Items”对话框，在“Lab”项中填写“zhou_i”（定义单元i节点轴力名称），左边框中选择最后一项“By sequence num”，右边框中选择“SMISC”，下边填写“SMISC，1”，如图6-43。

单击“Apply”，继续定义单元j节点轴力，在“Lab”项中填写“zhou_j”，下边填写“SMISC，7”。

单击“Apply”，继续定义单元i节点剪力，在“Lab”项中填写“jian_i”，下边填写“SMISC，2”。

单击“Apply”，继续定义单元j节点剪力，在“Lab”项中填写“jian_j”，下边填写“SMISC，8”。

单击“Apply”，继续定义单元i节点弯矩，在“Lab”项中填写“wan_i”，下边填写“SMISC，6”。

单击“Apply”，继续定义单元j节点轴力，在“Lab”项中填写“wan_j”，下边填写“SMISC，12”。

单击“OK”关闭对话框。

继续单击“Close”关闭“Element Table Data”对话框。

图6-43 定义单元表
在定义单元表的时候，需要查看帮助文件查找所用单元的
单元表项目与序号。

图6-44为本例题中所选用的BEAM188单
元的单元坐标系图，表6-4列出了BEAM4单元表输出量的条目
与序号，定义单元表的时候，根据需要输出的量查找对应的序
号进行输入。

图6-44 BEAM4单元
表6-4 BEAM4单元表条目与序号
输出量项目I节点序号J节点序号MFORX(X方向力) SMISC 1 7
MFORY(Y方向力) SMISC 2 8
MFORZ(Z方向力) SMISC 3 9
MMOMX(X方向力矩) SMISC 4 10
MMOMY(Y方向力矩) SMISC 5 11
MMOMZ(Z方向力矩) SMISC 6 12
GUI：Main Menu> General Postproc> Element Table> List Elem Table，弹出一个“List Element Table Data”对话框，选择刚才定义的内力名称“ZHOU_I，ZHOU_J，JIAN_I,JIAN_J，WAN_I，WAN_J”,单击“OK”，弹出文本列表“PRETAB Command”，显示了每个单元的节点内力。

如图6-45。

图6-45 单元表数据
列表的最后还列出了每项最大值和最小值，以及它们所在的单元。

✓显示线单元结果
GUI：Main Menu> General Postproc> Plot Results> Contour Plot> Line Elem Res，弹出“Plot Line-Element Results”对话框，“LabI、LabJ”项分别选择“ZHOU_I”和“ZHOU_J”，“Fact”项设置显示比例（默认值是1），“KUND”项选择是否显示变形。

单击“OK”。

显示轴力图，如图6-46。

重新执行显示线单元结果操作，“LabI、LabJ”项分别选择“JIAN_I”和“JIAN_J”，显示剪力图。

重新执行显示线单元结果操作，“LabI、LabJ”项分别选择“W AN_I”和“W AN_J”，显示剪力图。

由于本算例中的结构属于桁架杆系结构，杆件的剪力很小，结果不做重点考虑。

图6-47 轴力图
5）列表节点结果：
GUI：Main Menu> General Postproc> List Results> Nodal Solution，弹出一个“List Nodal Solution”对话框，选择“Nodal Solution-DOF Solution-Displacement vector sum”，单击“OK”。

弹出每个节点的位移列表文本，其中包括每个节点的X、Y、Z方向位移和总位移，最后还列有每项最大值及出现最大值的节点。

6. 退出程序
单击工具条上的“Quit”弹出一个如图6-47所示的“Exit from ANSYS”对话框，选取一种保存方式，单击“OK”，则退出ANSYS软件。

图6-47 退出ANSYS对话框
C 命令流实现
/TITLE,Truss Bridge Static Analysis
/PREP7
/COM, Structural
!*
/PREP7
!*
ET,1,BEAM188
!*
ET,2,SHELL181
!*
SECTYPE, 1, BEAM, I, duan, 0 !*定义1号工字形截面* SECOFFSET, CENT !*截面质心不偏移* SECDATA,0.4,0.4,0.4,0.016,0.016,0.016,0,0,0,0 !*1号截面参数* SECTYPE, 2, BEAM, I, XIANHENG, 0
SECOFFSET, CENT
SECDATA,0.4,0.4,0.4,0.012,0.012,0.012,0,0,0,0
SECTYPE, 3, BEAM, I, FU, 0
SECOFFSET, CENT
SECDATA,0.3,0.3,0.4,0.012,0.012,0.012,0,0,0,0
R,4,0.3, , , , , , *
MP,EX,1,2.1E11 !*定义1号材料弹性模量* MP,PRXY,1,0.3 !*定义1号材料泊松比* MP,DENS,1,7850 !*定义1号材料密度* MP,EX,2,3.5E10 !*定义2号材料弹性模量* MP,PRXY,2,0.1667 !*定义2号材料泊松比* MP,DENS,2,2500 !*定义2号材料密度*
N, ,0,0,-5, , , , !*建立节点*
NGEN,4,4,ALL, , ,12, , ,1, !*复制节点*
NGEN,2,1,ALL, , , , ,10,1, !*复制节点*
NGEN,2,1,2,10,4, ,16, ,1, !*复制节点*
NGEN,2,1,3,11,4, , ,-10,1, !*复制节点*
TYPE,1 !*选择1号单元类型*
MA T,1 !*选择1号材料* REAL,1 !* 选择1号实常数* ESYS,0 !*单元坐标系* SECNUM,1 !*选择1号截面* TSHAP,LINE !*选择线形单元*
E,11,14 !*建立单元*
E,12,13 !*建立单元*
TYPE,1 !* 选择1号单元类型* MA T,1 !* 选择1号材料* REAL,2 !* 选择2号实常数* ESYS,0 !* 单元坐标系* SECNUM,2 !* 选择2号截面* TSHAP,LINE !* 选择线形单元*
E,2,6 !*建立单元*
E,6,10
E,10,14
E,1,5
E,5,9
E,9,13
.-
E,3,7
E,7,11
E,4,8
E,8,12
E,1,2
E,3,4
E,5,6
E,7,8
E,9,10
E,11,12
E,13,14
TYPE,1 !* 选择1号单元类型*
MA T,1 !* 选择1号材料*
REAL,3 !* 选择3号实常数*
ESYS,0 !* 单元坐标系*
SECNUM,3 !* 选择3号截面*
TSHAP,LINE !* 选择线形单元*
E,3,6 !*建立单元*
E,6,11
E,4,5
E,5,12
E,2,3
E,1,4
E,6,7
E,5,8
E,10,11
E,9,12
TYPE,2 !* 选择2号单元类型*
MA T,2 !* 选择2号材料*
REAL,4 !* 选择4号实常数*
ESYS,0 !* 单元坐标系*
TSHAP,QUAD !* 选择四边形单元*
E,1,2,6,5 !*建立单元*
E,5,6,10,9
E,9,10,14,13
NSYM,X,14,ALL !*所有节点以y0z平面对称* ESYM, ,14,ALL !* 所有单元以y0z平面对称* NUMMRG,ALL, , , ,LOW !*合并重复节点单元，编号取较小者*
NUMCMP,ALL !*压缩节点单元等编号* FINISH !*结束前处理器*
.-
/SOL !*进入求解器*
NSEL,S, , ,23,24 !*选择节点*
D,ALL, ,0, , , ,UX,UY,UZ, , , , !*约束3个自由度*
NSEL,S, , ,13,14 !*选择节点*
D,ALL, ,0, , , , ,UY,UZ, , , , !*约束两个自由度*
NSEL,S, , ,1,2 !*选择节点*
F,ALL,FY,-10000 !*施加竖向集中力荷载* ALLSEL,ALL !*选择所有项目*
ACEL,0,10,0, !*施加重力*
ANTYPE,0 !*选择分析类型，静力分析* SOLVE !*开始求解*
FINISH !*结束求解器*
/POST1 !*进入普通后处理器*
PLDISP,2 !*显示结构变形图*
PLNSOL, U,SUM, 0,1.0 !*显示总位移云图*
PLVECT,U, , , ,VECT,ELEM,ON,0 !*显示节点总位移矢量图* FINISH !*结束后处理器*
! /EXIT,ALL !*退出A VSYS并保存所有信息*。