ANSYS实体建模与直接建模方法比较
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芜湖长江大桥的正桥采用钢筋混凝土板和钢桁 架共同作用的结合桁梁 ,公路桥面采用预应力钢筋 混凝土板和钢纵 、横梁体系的正交异性板 。混凝土 板的宽度大 ,空间结构行为比较复杂 。对于此结合 桁梁 ,空间计算模型拟采用空间梁单元和壳单元的 组合空间模型 。钢桁梁部分采用空间梁单元进行模 拟 ,公路桥面板采用矩形壳单元 。分别采用实体建 模和直接生成模型的方法建立有限元模型 。两种方 法网格划分后的结果图相似 (如图 1) 。
[ 4 ]小西一郎. 钢桥 (第三分册) [ M ] . 朱立冬译. 北京 :中国铁 道出版社 ,1980. 194～215
Study of and Comparison Bet ween the Solid and Direct Modeling Methods by ANSYS
WANG Li2jin1 , GU Li2sheng1 , REN Zhi2guo2
(1. Department of Communication Engineering ,Shijiazhuang Railway Institute ,Shijiazhuang 050043 ,China ; 2. The 2nd Branch of the 12th Railway Construction Bureau , Taiyuan 030032 ,China)
2 两种建模方法的特点
2. 1 实体建模 实体建模 ,即描述模型的几何边界 ,建立对单元
大小及形状的控制 ,然后用 AN S YS 程序自动生成 所有的节点和单元 。AN S YS 程序提供了两种 方 法 :自顶向下与自底向上 。自顶向下进行实体建模 时 ,定义一个模型的最高级图元 ———基元 ,程序自动 定义相关的面 、线及关键点 。利用这些高级图元直 接构造几何模型 。自底向上进行实体建模时 ,首先 定义关键点 ,然后依次得相关的线 、面 、体 。无论使 用自顶向下还是自底向上方法建模 ,都能使用布尔 运算来组合数据集 ,从而“塑造出”一个实体模型 。 AN S YS 程序提供了完整的布尔运算 ,诸如相加 、相
4 结论
通过对钢桁梁桥和钢筋混凝土桥的实体建模与
直接生成的比较可以得到以下结论 : (1) 对于钢桁梁桥 ,采用实体建模和直接生成 ,
它们的模型差别不大 ,在进行模态分析时 ,它们的结 果相近 ,但在进行应力分析时则尽量用实体建模 。
(2) 对于钢筋混凝土桥则一般采用实体建模 ,若 采用直接生成则比较麻烦 ,在正常情况下一般不能 生成模型 。
Abstract : This paper discusses and co mpares bot h t he advantages and disadvantages of t he solid and direct mo deling met hods by AN S YS. Special st ress is placed o n t he co ncrete slab2steel t russ co mpo site st ruct ures for t he Yangtze River Bridge at Wuhu. Finally , it co ncludes t hat AN S YS sho uld be bet ter applied to t he analyses of different bridge st ruct ures according to t heir respective characteristics. Key words : modeling met hod ;AN S YS ; solid mo del ;direct co nst ructio n ; st ruct ural analyses
收稿日期 :2005207214 作者简介 :王丽晋 (1980 —) ,女 ,硕士研究生
减 、相交 、分割 、粘贴和重叠 。在创建复杂实体模型 时 ,对线 、面 、体 、基元的布尔操作能减少相当可观的 建模工作量[2] 。它具有如下优点 :
(1) 需要处理的数据较少 ; (2) 允许对节点和单元不能进行的几何操作 (如 拖拉和旋转) ; (3) 支持使用面和体体素 (如多边形和圆柱体) 及布尔运算 (相交 、相减等) 以顺序建模 ; (4) 便于使用 AN S YS 程序的优化设计功能 ; (5) 便于自适应网格划分 ; (6) 便于施加荷载之后进行局部网格细化 ; (7) 便于几何上的改进 ; (8) 便于改变单元的类型 ,不受分析模型的影响。 实体建模方法也有一些缺点 : (1) 需要大量的 CPU 处理时间 ; (2) 对小型简单的模型有时很繁琐 ,比直接生成 需要更多的数据 ; (3) 在特定的条件下可能会失败 (程序不能生成 有限元网格) 。 2. 2 直接生成模型 直接生成方法是在定义 AN S YS 实体模型之 前 ,确定每个节点的位置以及每个单元的大小 、形状 和连接 。它的优点如下 : (1) 对小型简单的模型生成较方便 ; (2) 使用户对几何形状及每个节点和单元的编 号有完全的控制 。 直接建模方法的缺点 : (1) 除最简单的模型外往往比较耗时 ,需要处理 大量数据 ;
项目 关键点数
线条数 节点数 单元数 CPU 处理时间/ min
实体建模 56 239
11 385 2 972
4
直接生成
1 891 2 948
3
3. 2 预应力混凝土桥实例 该桥为预应力混凝土连续刚构桥 ,全长 210 m
(55 m + 100 m + 55 m) ,采用箱梁结构 。该桥箱梁 采用直腹板单箱单室结构 ,箱梁顶面宽度为 11 m , 箱体宽度为 6 m , T 构端部梁高 2. 6 m ,根部梁高 5. 6 m。根部 5 m 梁段主梁高度采用直线变化 ,其余主 梁高度采用二次抛物线变化 。箱梁采用 50 号混凝 土 。主梁悬臂浇注梁段划分为 12 段 ,中跨合拢一 段 ,边跨合拢分两段 。纵向预应力钢束分顶板束和 底板束两种束型。预应力钢束都采用 12 × j 15. 24 mm 的钢绞线束。
板桁结合的连续钢桁梁结构 ,桁高 14 m ,桁宽 12. 5 m ,节间长度 12 m ,采用无竖杆的三角形桁式 ,在支 点处设置强劲的桥门架 ,不设中间横联 ,杆件采用焊 接整体节点连接 。连续钢桁梁下层为双线铁路 ,上 层为四车道公路桥面 ,两侧设 1. 8 m 人行道 ,公路 桥面宽 21. 7 m 。公路桥面系为纵横梁体系 ,横梁间 距 12 m ,设在主桁节点处 ,纵梁间距 2. 3～2. 75 m。 桥面系均采用工型构件 ,公路横梁高 1 356 mm ,纵 梁高 1 076 mm ,铁路横梁高 2 161 mm ,纵梁高 1 480 mm。公路桥面板通过 M22 剪力键栓钉与主桁上弦 杆及公路纵横梁上翼缘相结合[3 ,4] 。
1 引言
近年 ,随着计算机的飞速发展和广泛应用 ,各种 行之有效的数值计算方法得到了巨大的发展 。而有 限元方法则是计算机诞生以后 ,在计算数学 、计算力 学和计算工程科学领域里诞生的最有效的计算方 法 。随着有限元理论基础的日益完善 ,出现了很多 通用和专用的有限元计算软件 。其中 AN S YS 大型 通用程序应用十分广泛 ,它提供了两种方法生成模 型 :实体建模和直接生成模型[1] 。
图 1 芜湖长江大桥钢桁梁桥有限元模型
桥梁的自振特性在很大程度上反映出桥梁刚度 的大小 ,也就反映出桥梁的动力特性 。而桥梁自振 频率计算的准确性主要取决于计算分析模型的刚
度 、质量和约束是否与结构的实际情况相符 ,以上两 种方法所采用的计算分析模型可以真实地模拟结构
的刚度 、质量和约束 。表 1 为两种方法建模后前 8 阶自振频率计算结果对比及相应振型特点 。从表中
对于此结构 ,我们只能采用实体结构建模 ,然后 划分网格进行计算 ,如采用直接生成的方法 ,则根本 无法建成 。这是因为直接生成模型时需要对结构的
每个节点位置和相互连接关系很明确 ,而且这种方 法对预应力的施加带来困难 。AN S YS 中加预应力 有几种方式 : ①直接在单元里加 ; ②用 F 力加 ,然后 在分析时打开 Prest ress , On ; ③用温度变化模拟 。 预应力混凝土分析根据作用不同有分离式和整体式
国防交通工程与技术 45 2005 第 4 期
研究 Re search and De sign
与设计
(2) 不能使用自适应网格划分 ; (3) 使用优化设计变得不方便 ; (4) 改进网格划分十分困难 ; (5) 需要用户留意网格划分的每一个细节 ,更容 易出错 。
3 实例分析
3. 1 芜湖长江正桥钢桁梁实例 芜湖长江大桥正桥钢桁梁第三联 (3 ×144 m) 为
数据可以看出 ,这两种方法计算出的自振频率相差不 大 。表 2 列出了有限元分析过程中相关数据的比较。
表 1 桥梁自振频率计算结果
阶 直接生成模型 实体建模方法 次 计算频率/ Hz 计算频率/ Hz
振型特点
1 0. 913 3
0. 899 9 左边跨横向挠曲振动
2 0. 941 7
0. 901 2 右边跨横向挠曲振动
由于混凝土材料性质的复杂性 ,编制三维预应 力混凝土非线性分析的通用有限元程序相当困难 。 AN S YS 软件 有 众 多 的 材 料 模 型 可 供 选 择 , AN2 S YS8. 0 版本相对于以前的版本其求解非线性问题 的能力有很大提高 。
用实体建模建立的有限元模型如图 2 。
图 2 预应力混凝土桥有限元模型
3 1. 125 2
1. 215 3
竖向挠曲振动
4 1. 130 4
1. 220 5
中跨横向挠曲振动
5 1. 364 7
1. 372 6
竖向挠曲振动
6 1. 697 3
1. 700 8
左边跨扭转振动
7 1. 697 7
1. 701 4
右边跨扭转振动
8 1. 729 2
1. 731 1
竖向挠曲振动
表 2 建模过程中相关数据比较
两类 。分离式就是将混凝土和力筋的作用分别考
国防交通工程与技术 46 2005 第 4 期
研究 Re search and De sign
与设计
虑 ,以荷载的形式取代预应力钢筋的作用 ,如等效荷 载法 ;整体式则是将二者一起考虑 ,如用 Link 单元 模拟力筋 。本例建模时采用的是整体式分析方法 , 直接在单元里施加预应力 。如果此例采用梁单元建 模 ,将钢筋的预应力视为等效力将会更简单 。
研究 Re search and De sign
与设计
AN S YS 实体建模与直接Leabharlann Baidu模方法比较
王丽晋1 , 顾理生1 , 任志国2
(1. 石家庄铁道学院 ,河北 石家庄 050043 ;2. 中铁第十二集团第二分公司 , 山西 太原 030032)
摘 要 :总结了 ANS YS 实体建模与直接建模两种方法的优缺点 ,通过对钢桁梁桥和钢筋混凝土桥进行实例 分析 ,阐述了在实际结构分析中 ,应根据具体情况 ,扬长避短 ,使 ANS YS 通用程序更好地应用于各种结构分 析中 。 关键词 :建模方法 ;ANS YS 程序 ;实体模型 ;直接生成 ;结构分析 中图分类号 : TP391. 9 文献标识码 :A 文章编号 :167223953 (2005) 0420045203
参考文献
[ 1 ]张立明. AL GOR 、ANS YS 在桥梁工程中的应用方法与 实例[ M ] . 北京 :人民交通出版社 ,2003. 32～58
[ 2 ]李景涌. 有限元法[ M ] . 北京 :人民交通出版社 ,2002. 151 ～168
[ 3 ]王军文 ,梁志广 ,苏木标. 芜湖长江大桥连续板桁结合梁 的空间结构分析[J ] . 石家庄铁道学院学报 ,2001 , (6) :28 ～30
(3) 实体建模时需要处理的数据较少 ,建模时间 缩短 ,且单元尺寸划分方便又灵活 ;而采用直接生成 法虽然建模时处理数据多 ,但节点少 ,节约了 CPU 处理时间 。
通过以上比较可以看出 ,对于大型或复杂的模 型 ,特别是对三维实体模型更合适用实体建模方法 , 对小型简单的模型直接生成模型较方便 。在实际结 构分析中 ,应根据结构具体情况 ,扬长避短 ,使 AN2 S YS 通用程序更好地应用于各种结构分析中 。
[ 4 ]小西一郎. 钢桥 (第三分册) [ M ] . 朱立冬译. 北京 :中国铁 道出版社 ,1980. 194～215
Study of and Comparison Bet ween the Solid and Direct Modeling Methods by ANSYS
WANG Li2jin1 , GU Li2sheng1 , REN Zhi2guo2
(1. Department of Communication Engineering ,Shijiazhuang Railway Institute ,Shijiazhuang 050043 ,China ; 2. The 2nd Branch of the 12th Railway Construction Bureau , Taiyuan 030032 ,China)
2 两种建模方法的特点
2. 1 实体建模 实体建模 ,即描述模型的几何边界 ,建立对单元
大小及形状的控制 ,然后用 AN S YS 程序自动生成 所有的节点和单元 。AN S YS 程序提供了两种 方 法 :自顶向下与自底向上 。自顶向下进行实体建模 时 ,定义一个模型的最高级图元 ———基元 ,程序自动 定义相关的面 、线及关键点 。利用这些高级图元直 接构造几何模型 。自底向上进行实体建模时 ,首先 定义关键点 ,然后依次得相关的线 、面 、体 。无论使 用自顶向下还是自底向上方法建模 ,都能使用布尔 运算来组合数据集 ,从而“塑造出”一个实体模型 。 AN S YS 程序提供了完整的布尔运算 ,诸如相加 、相
4 结论
通过对钢桁梁桥和钢筋混凝土桥的实体建模与
直接生成的比较可以得到以下结论 : (1) 对于钢桁梁桥 ,采用实体建模和直接生成 ,
它们的模型差别不大 ,在进行模态分析时 ,它们的结 果相近 ,但在进行应力分析时则尽量用实体建模 。
(2) 对于钢筋混凝土桥则一般采用实体建模 ,若 采用直接生成则比较麻烦 ,在正常情况下一般不能 生成模型 。
Abstract : This paper discusses and co mpares bot h t he advantages and disadvantages of t he solid and direct mo deling met hods by AN S YS. Special st ress is placed o n t he co ncrete slab2steel t russ co mpo site st ruct ures for t he Yangtze River Bridge at Wuhu. Finally , it co ncludes t hat AN S YS sho uld be bet ter applied to t he analyses of different bridge st ruct ures according to t heir respective characteristics. Key words : modeling met hod ;AN S YS ; solid mo del ;direct co nst ructio n ; st ruct ural analyses
收稿日期 :2005207214 作者简介 :王丽晋 (1980 —) ,女 ,硕士研究生
减 、相交 、分割 、粘贴和重叠 。在创建复杂实体模型 时 ,对线 、面 、体 、基元的布尔操作能减少相当可观的 建模工作量[2] 。它具有如下优点 :
(1) 需要处理的数据较少 ; (2) 允许对节点和单元不能进行的几何操作 (如 拖拉和旋转) ; (3) 支持使用面和体体素 (如多边形和圆柱体) 及布尔运算 (相交 、相减等) 以顺序建模 ; (4) 便于使用 AN S YS 程序的优化设计功能 ; (5) 便于自适应网格划分 ; (6) 便于施加荷载之后进行局部网格细化 ; (7) 便于几何上的改进 ; (8) 便于改变单元的类型 ,不受分析模型的影响。 实体建模方法也有一些缺点 : (1) 需要大量的 CPU 处理时间 ; (2) 对小型简单的模型有时很繁琐 ,比直接生成 需要更多的数据 ; (3) 在特定的条件下可能会失败 (程序不能生成 有限元网格) 。 2. 2 直接生成模型 直接生成方法是在定义 AN S YS 实体模型之 前 ,确定每个节点的位置以及每个单元的大小 、形状 和连接 。它的优点如下 : (1) 对小型简单的模型生成较方便 ; (2) 使用户对几何形状及每个节点和单元的编 号有完全的控制 。 直接建模方法的缺点 : (1) 除最简单的模型外往往比较耗时 ,需要处理 大量数据 ;
项目 关键点数
线条数 节点数 单元数 CPU 处理时间/ min
实体建模 56 239
11 385 2 972
4
直接生成
1 891 2 948
3
3. 2 预应力混凝土桥实例 该桥为预应力混凝土连续刚构桥 ,全长 210 m
(55 m + 100 m + 55 m) ,采用箱梁结构 。该桥箱梁 采用直腹板单箱单室结构 ,箱梁顶面宽度为 11 m , 箱体宽度为 6 m , T 构端部梁高 2. 6 m ,根部梁高 5. 6 m。根部 5 m 梁段主梁高度采用直线变化 ,其余主 梁高度采用二次抛物线变化 。箱梁采用 50 号混凝 土 。主梁悬臂浇注梁段划分为 12 段 ,中跨合拢一 段 ,边跨合拢分两段 。纵向预应力钢束分顶板束和 底板束两种束型。预应力钢束都采用 12 × j 15. 24 mm 的钢绞线束。
板桁结合的连续钢桁梁结构 ,桁高 14 m ,桁宽 12. 5 m ,节间长度 12 m ,采用无竖杆的三角形桁式 ,在支 点处设置强劲的桥门架 ,不设中间横联 ,杆件采用焊 接整体节点连接 。连续钢桁梁下层为双线铁路 ,上 层为四车道公路桥面 ,两侧设 1. 8 m 人行道 ,公路 桥面宽 21. 7 m 。公路桥面系为纵横梁体系 ,横梁间 距 12 m ,设在主桁节点处 ,纵梁间距 2. 3～2. 75 m。 桥面系均采用工型构件 ,公路横梁高 1 356 mm ,纵 梁高 1 076 mm ,铁路横梁高 2 161 mm ,纵梁高 1 480 mm。公路桥面板通过 M22 剪力键栓钉与主桁上弦 杆及公路纵横梁上翼缘相结合[3 ,4] 。
1 引言
近年 ,随着计算机的飞速发展和广泛应用 ,各种 行之有效的数值计算方法得到了巨大的发展 。而有 限元方法则是计算机诞生以后 ,在计算数学 、计算力 学和计算工程科学领域里诞生的最有效的计算方 法 。随着有限元理论基础的日益完善 ,出现了很多 通用和专用的有限元计算软件 。其中 AN S YS 大型 通用程序应用十分广泛 ,它提供了两种方法生成模 型 :实体建模和直接生成模型[1] 。
图 1 芜湖长江大桥钢桁梁桥有限元模型
桥梁的自振特性在很大程度上反映出桥梁刚度 的大小 ,也就反映出桥梁的动力特性 。而桥梁自振 频率计算的准确性主要取决于计算分析模型的刚
度 、质量和约束是否与结构的实际情况相符 ,以上两 种方法所采用的计算分析模型可以真实地模拟结构
的刚度 、质量和约束 。表 1 为两种方法建模后前 8 阶自振频率计算结果对比及相应振型特点 。从表中
对于此结构 ,我们只能采用实体结构建模 ,然后 划分网格进行计算 ,如采用直接生成的方法 ,则根本 无法建成 。这是因为直接生成模型时需要对结构的
每个节点位置和相互连接关系很明确 ,而且这种方 法对预应力的施加带来困难 。AN S YS 中加预应力 有几种方式 : ①直接在单元里加 ; ②用 F 力加 ,然后 在分析时打开 Prest ress , On ; ③用温度变化模拟 。 预应力混凝土分析根据作用不同有分离式和整体式
国防交通工程与技术 45 2005 第 4 期
研究 Re search and De sign
与设计
(2) 不能使用自适应网格划分 ; (3) 使用优化设计变得不方便 ; (4) 改进网格划分十分困难 ; (5) 需要用户留意网格划分的每一个细节 ,更容 易出错 。
3 实例分析
3. 1 芜湖长江正桥钢桁梁实例 芜湖长江大桥正桥钢桁梁第三联 (3 ×144 m) 为
数据可以看出 ,这两种方法计算出的自振频率相差不 大 。表 2 列出了有限元分析过程中相关数据的比较。
表 1 桥梁自振频率计算结果
阶 直接生成模型 实体建模方法 次 计算频率/ Hz 计算频率/ Hz
振型特点
1 0. 913 3
0. 899 9 左边跨横向挠曲振动
2 0. 941 7
0. 901 2 右边跨横向挠曲振动
由于混凝土材料性质的复杂性 ,编制三维预应 力混凝土非线性分析的通用有限元程序相当困难 。 AN S YS 软件 有 众 多 的 材 料 模 型 可 供 选 择 , AN2 S YS8. 0 版本相对于以前的版本其求解非线性问题 的能力有很大提高 。
用实体建模建立的有限元模型如图 2 。
图 2 预应力混凝土桥有限元模型
3 1. 125 2
1. 215 3
竖向挠曲振动
4 1. 130 4
1. 220 5
中跨横向挠曲振动
5 1. 364 7
1. 372 6
竖向挠曲振动
6 1. 697 3
1. 700 8
左边跨扭转振动
7 1. 697 7
1. 701 4
右边跨扭转振动
8 1. 729 2
1. 731 1
竖向挠曲振动
表 2 建模过程中相关数据比较
两类 。分离式就是将混凝土和力筋的作用分别考
国防交通工程与技术 46 2005 第 4 期
研究 Re search and De sign
与设计
虑 ,以荷载的形式取代预应力钢筋的作用 ,如等效荷 载法 ;整体式则是将二者一起考虑 ,如用 Link 单元 模拟力筋 。本例建模时采用的是整体式分析方法 , 直接在单元里施加预应力 。如果此例采用梁单元建 模 ,将钢筋的预应力视为等效力将会更简单 。
研究 Re search and De sign
与设计
AN S YS 实体建模与直接Leabharlann Baidu模方法比较
王丽晋1 , 顾理生1 , 任志国2
(1. 石家庄铁道学院 ,河北 石家庄 050043 ;2. 中铁第十二集团第二分公司 , 山西 太原 030032)
摘 要 :总结了 ANS YS 实体建模与直接建模两种方法的优缺点 ,通过对钢桁梁桥和钢筋混凝土桥进行实例 分析 ,阐述了在实际结构分析中 ,应根据具体情况 ,扬长避短 ,使 ANS YS 通用程序更好地应用于各种结构分 析中 。 关键词 :建模方法 ;ANS YS 程序 ;实体模型 ;直接生成 ;结构分析 中图分类号 : TP391. 9 文献标识码 :A 文章编号 :167223953 (2005) 0420045203
参考文献
[ 1 ]张立明. AL GOR 、ANS YS 在桥梁工程中的应用方法与 实例[ M ] . 北京 :人民交通出版社 ,2003. 32～58
[ 2 ]李景涌. 有限元法[ M ] . 北京 :人民交通出版社 ,2002. 151 ～168
[ 3 ]王军文 ,梁志广 ,苏木标. 芜湖长江大桥连续板桁结合梁 的空间结构分析[J ] . 石家庄铁道学院学报 ,2001 , (6) :28 ～30
(3) 实体建模时需要处理的数据较少 ,建模时间 缩短 ,且单元尺寸划分方便又灵活 ;而采用直接生成 法虽然建模时处理数据多 ,但节点少 ,节约了 CPU 处理时间 。
通过以上比较可以看出 ,对于大型或复杂的模 型 ,特别是对三维实体模型更合适用实体建模方法 , 对小型简单的模型直接生成模型较方便 。在实际结 构分析中 ,应根据结构具体情况 ,扬长避短 ,使 AN2 S YS 通用程序更好地应用于各种结构分析中 。