桥梁有限元仿真分析计算

（4）单元特性定义 有限元单元中的每一个单元除了表现出一定的外部形状外，还 应具备一组计算所需的内部特征参数，这些参数用来定义结构材 料的性能、描述单元本身的物理特征和其他辅助几何特征等.
（5）网格划分 网格划分是建立有限元模型的中心工作，模型的合理性很大程
度上可以通过所划分的网格形式反映出来。目前广泛采用自动或 半自动网格划分方法，如在Ansys中采用的SmartSize网格划分方 法就是自动划分方法。
3、有限元分析计算模型的数据 原始数据的计算模型，模型中一般包括以下三类数据： （1）节点数据 有每个节点的编号、坐标值等； （2）单元数据 a）单元类 型； b）单元编号和组成单元的节点编号； c）单元材料特性，如弹性模量、泊松比、密度等； d）单元物理特征值，如弹簧单元的刚度系数、单元厚度、曲率
（1）桥梁设计的计算软件，如Midas/civil，GQJS（中规），桥 梁博士（同济），BRCAD（广市政）
（2）通用的计算软件，ANSYS，ADINA，ABAQUS，SAP， ALGOR
ANSYS软件在致力于线性分析的用户中具有很好的声誉，它在计算 机资源的利用，用户界面开发等方面也做出了较大的贡献。
第2个层次----局部应力分析 在该层次计算中，考虑的重点
是结构中构件之间的连接节点应 力，荷载作用的集中效应，如预 应力束（体外索、体内索、斜拉 索、吊杆索、主缆索）锚固节点 和支撑节点的局部应力分析，桥 梁墩台在支座作用下局部应力分 析以及塔梁、拱梁、柱梁、弦杆 的刚性节点局部应力分析等。
这个层次的分析一般采用块 体单元建立有限元模型。
有限元计算模型
横向（侧向）弯矩图
纵向弯Βιβλιοθήκη Baidu图
2、软件ANSYS介绍
ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型 通用有限元分析软件。
软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。 前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方 便地构造有限元模型； 分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非 线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及 多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分 析及优化分析能力； 后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、 粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部） 等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。 软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。
杂区域的面积，按照数学方法是先将复杂区域的面积分为小块，然后按
一定的方法对这些小块进行叠加求和，构成积分的计算式进行计算。
y
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因此在结构有限元的基本思想，按通俗的说法就是：对于复杂连续 弹性体的求解的问题，先从该连续体中选取微小单元体，然而按照能量 守恒原理将这些微小单元进行整合建立线性求解方程来进行求解。
半径等； e）一维单元的截面特征值，如截面面积、惯性矩等； f）相关几何数据
（3）边界条件数据 a）位移约束数据；b）载荷条件数据；c）热边界条件数据；
d）其他边界数据.
4、单元类型 1）平面应力单元，平面应变单元； 2）轴对称实体单元，空间实体单元； 3）板单元，壳单元，轴对称壳单元； 4）杆单元； 5）梁单元； 6）弹簧单元； 7）间隙单元； 8）界面单元； 9）刚体单元；
第3个层次----结构仿真分析 在该层次计算中，有限元计算模型逼近真实结构（即减少计算模型中 的简化处理），考虑的重点是模拟各种作用下（如荷载作用、温度作用 等）结构的实际工作状态。这个层次的分析一般采用空间梁单元、板壳 单元、块体单元和索单元建立有限元混合单元模型。
由此可见，单元分析就是对单元构造一个适合的近似解，即推导有限 单元的列式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某 种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵（结构力学 中称刚度阵或柔度阵）。
（2）单元集合 按照单元之间的联结方式，对整个求解问题系统进行整合。在弹性
力学中利用单元的内部势能力与外部作用势能一起守恒，建立内部单元 与外界作用之间的联系。
但是还是要处理许多与之相关的工作：如结构形式处理、集合模 型建立、单元特性定义、单元质量检查、编号顺序以及模型边界条件 的定义等。
（2）计算阶段 计算阶段的任务是完成有限元方法有关的数值计算。由于这一步运 算量非常大，所以这部分工作由有限元分析软件控制并在计算机上自 动完成。 （3）后处理阶段 它的任务是对计算输出的结果惊醒必要的处理，并按一定方式显示 或打印出来，以便对结构性能的好坏或设计的合理性进行评估，并作 为相应的改进或优化，这是结构有限元分析的目的所在。
MIDAS/Civil软件是以工程设计为对象，因此具有如下的特点： （1）以杆系有限元分析为核心，进行内力计算； （2）依据工程设计规范，确定组合设计内力值； （3）提供常用截面形式的图形数据输入； （4）适用于结构的承载力的计算和应力验算，并结合规范要求进行 自动校核； （5）提供预应力损失的计算和预应力构件的设计； （6）采用荷载工况，可以进行施工过程的内力、变形和应力分析； （7）可以进行结构振动、稳定性分析； （8）截面友好，使用方便。
在结构力学中，如以某一杆件为单元，利用杆件与杆件之间联结的 节点的变形协调条件与力的平衡关系，则确定结构中各个单元与外部作 用相联系，即形成一组线形方程。
也就是单元集合是将单元总装形成离散域的总矩阵方程（联合方程 组），反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足 一定的连续条件。总装是在相邻单元结点进行，状态变量及其导数（可 能的话）连续性建立在结点处。
1、结构有限元法的基本原理 结构有限元法的基本思想是将连续弹性体的求解的区域离散为一组
有限个、且按一定方式相互联结在一起的单元的组合体。由于单元能按 不同的联结方式组合，且单元本身又可以有不同的形状，因此可以模型 化几何形状复杂的求解域。
有限元模型
有限元法的基本思想就相当于高等数学中的微积分。例如：求某复
接法、选代法和随机法。求解结果是单元结点处状态变量的近似值。
3、有限元分析的基本步骤和表达式
二、有限元分析计算软件简介
有限元分析是对于结构力学分析迅速发展起来的一种现代计算方法。 它是50年代首先在连续体力学领域--飞机结构静、动态特性分析中应用 的一种有效的数值分析方法。有限元分析计算软件在桥梁结构中使用非 常广泛。将这些计算软件进行分类有：
10）约束单元；
四、桥梁结构的仿真分析
桥梁结构设计过程通常分为3个层次： 第1个层次----结构总体设计 在该层次计算中，考虑的重点是结构总体的力学行为，包括桥梁结构
设计过程中及成桥后主梁纵桥向应力的变化过程及主梁标高的变化过程 以及结构的稳定性。这个层次的分析一般采用杆单元建立有限元模型。
空间梁格有限元模型
在上述三个阶段中，建立有限元模型是整个有限元分析过程的关键。 （1）有限元模型为计算提供所以原始数据，这些输入数据的误差将 直接决定计算结果的精度； （2）有限元模型的形式将对计算过程产生很大的影响，合理的模型 既能保证计算结构的精度，又不致使计算量太大和对计算机存储容量的 要求太高； （3）由于结构形状和工况条件的复杂性，要建立一个符合实际的有 限元模型并非易事，它要考虑的综合因素很多，对分析人员提出了较高 的要求； （4）建模所花费的时间在整个分析过程中占有相当大的比重，约占 整个分析时间的70%，因此，把主要精力放在模型的建立上以及提高建 模速度是缩短整个分析周期的关键。 下面就主要介绍有限元分析中建模步骤。
（2）几何模型建立 几何模型是从结构实际形状中抽象出来的，并不是完全照搬结构的 实际形状，而是需要根据结构的具体特征对结构进行必要的简化、变化 和处理，以适应有限元分析的特点。
（3）单元类型选择 划分网格前首先要确定采用哪种类型的单元，包括单元的形状
和阶次。单元类型选择应根据结构的类型、形状特征、应力和变 形特点、精度要求和硬件条件等因素综合进行考虑。
2、结构有限元求解问题 依据有限元法的基本思想，结构有限元求解问题可以分解为两个问
题，即单元分析和单元集合问题。 （1）单元分析 所谓单元分析就是对某一复杂求解的结构取微小单元进行分析，依
据其力学物理特性寻找描述该单元特性的数学函数。即通常说的描述该 单元变形的形函数。
如在结构力学上，某一构件的变形是与该构件的边界条件有关系。
（3）问题的求解 获得内部单元与外界作用之间的联系，即系统的总刚度矩阵。要对
问题的求解，则需要依据系统的外部条件求解出各个内部单元的变形状 态，依据内部单元的变形，确定内部单元的应力。
在结构力学中，则是利用结构的边界条件求出各个构件两端的变 形，然而依据两端变形得到单元的内力。
因此，有限元法是最终导致联立方程组。联立方程组的求解可用直
ABAQUS软件则致力于更复杂和深入的工程问题，其强大的非线性 分析功能在设计和研究的高端用户群中得到了广泛的认可。
1、 MIDAS/Civil软件简介
MIDAS/Civil是针对土木结构，特别是分析象预应力箱型桥梁、悬索 桥、斜拉桥等特殊的桥梁结构形式，同时可以做非线性边界分析、水化 热分析、材料非线性分析、静力弹塑性分析、动力弹塑性分析。
2、建立有限元模型的一般过程 有限元分析中建模过程有下面7个步骤： （1）分析问题定义 在进行有限元分析之前，首先应对结果的形状、尺寸、工况条件等进
行仔细分析，只有正确掌握了分析结构的具体特征才能建立合理的几何 模型。
总的来说，要定义一个有限元分析问题时，应明确以下几点： a）结构类型；b）分析类型；c）分析内容；d）计算精度要求；e） 模型规模；f）计算数据的大致规律
桥梁有限元仿真分析计算
提纲目录
一、结构有限元的基本原理 二、有限元分析计算软件简介 三、桥梁结构的有限元分析 四、桥梁结构的仿真分析 五、结语
一、结构有限元的基本原理
在过去的30年里，有限元法作为一种通用工具在物理系统的建模和 模拟仿真领域已经得到了广泛的接受。在许多学科它已经成为至关重要 的分析技术，例如结构力学、流体力学、电磁学等等。
广泛的适用领域 （1）、钢筋混凝土桥梁 : 板型桥梁、刚架桥梁、预应力桥梁 （2）、结合桥梁 : 钢箱型桥梁、梁板桥梁 （3）、预应力混凝土箱型桥梁施工过程 : 悬臂法、顶推法、移动支 架法、满堂支架法 （4）大跨度桥梁 : 悬索桥、斜拉桥、拱桥 （5）大体积混凝土的水化热分析 : 预应力钢筋混凝土箱型桥梁、墩 台、基础、防波堤 （6）地下结构: 地铁、通信电缆管道、上下水处理设施、隧道 （7）工业建筑: 水塔、压力容器、电力输送塔、发电厂
（6）模型检查和处理 一般来说，用自动或半自动网格划分方法划分出来的网格模型还
不能立即应用于分析。由于结构和网格生成过程的复杂性，划分出来的 网格或多或少存在一些问题，如网格形状较差，单元和节点编号顺序不 合理等，这些都将影响有限元计算的计算精度和计算时间。
（7）边界条件定义 在对结构进行网格划分后称为离散模型，它还不是有限元模型，只 有在网格模型上定义了所需要的各类边界条件后，网格模型才能成为完 整的有限元模型。
工具条
将常用的命 令制成工具 条，方便调 用.
图形
显示由 ANSYS创 建或传递到 ANSYS的 图形.
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三、桥梁结构的有限元分析
1、有限元程序分析的过程 有限元程序分析的过程大致分为三个阶段： （1）建模阶段 建模阶段是根据结构实际形状和实际工况条件建立有限元分析的
计算模型——有限元模型，从而为有限元数值计算提供必要的输入数 据。有限元建模的中心任务是结构离散，即划分网格。
ANSYS GUI中六个窗口的总体功能
输入
显示提示信息，输入ANSYS命令，所 有输入的命令将在此窗口显示。
应用菜单
包含例如文件管理、选择、显 示控制、参数设置等功能.
主菜单 包含ANSYS 的主要功能 ，分为前处 理、求解、 后处理等。
输出
显示软件的文本 输出。通常在其 他窗口后面，需 要查看时可提到 前面2。012/5/13