利用ANSYS计算复杂薄壁杆件的截面特性

利用ANSYS计算复杂薄壁杆件的截面特性

胡晓伦杨鸿波

同济大学桥梁工程系，上海 200092

[ 摘要 ] 利用有限元通用软件ANSYS中用户自定义截面的功能，计算薄壁杆件复杂截面的几何特性，文中给出了详细的实施步骤和技巧，并计算了开闭口、分离式和组合薄壁截面三种

典型情况，可供工程技术人员参考。

[ 关键词]薄壁杆件；几何特性；自定义截面；ANSYS

Determining Geometrical Properties of Complex

Thin-walled Beams with ANSYS

Xiaolun HU Hongbo YANG

Department of Bridge Engineering,Tongji University,Shanghai,200092

[ Abstract ] ANSYS can create custom cross sections with a user-defined mesh and multiple materials. It can determine the geometrical properties of complex thin-walled beams.

This paper presents the detailed operations and skills, and calculates the geometrical

proper

[ Keyword ] thin-walled beam; geometrical properties; custom cross section; ANSYS

1前言

薄壁杆件在建筑、型钢、船体、桥梁等工程结构中应用极为广泛。对这些结构进行建模分析时,常将其简化为梁单元，需要计算其截面几何特性, 特别是扭转常数和翘曲

常数。对于一些简单的等壁厚截面，可以用公式直接求出。若壁厚不等，需要采用符拉

索夫开口截面薄壁杆件理论和乌曼斯基闭口截面薄壁杆件理论，逐段积分运算；若带有

U肋或是开闭口组合截面，需要按照乌曼斯基第二理论计算，首先求得主扇形极点和主

扇形面积，再得到其它截面常数，较为繁琐。文献[1]根据箱形薄壁梁约束扭转计算的

乌曼斯基第二理论，得出了梯形截面薄壁箱梁扭心位置的显式表达式，可考虑壁厚、形

状不同,但该表达式经过了简化，得到的是近似结果，且只适用于单箱室截面。文献[2]

根据势能驻值原理导出截面单元扇形坐标控制方程，采用有限元比拟的方法，建立了计

算薄壁截面几何特性的算法，并编制了相应程序。该法优点是概念明确，适用于任意形状的薄壁截面几何特性的计算机运算，但不能考虑带U 肋、T 肋等情况。Prokic,A

[3、4]根据“图形理论”编制了能计算任意开闭口薄壁梁截面的程序，能自动识别闭合环和U 肋，

但需要准备详细的节点描述数据。

对于工程技术人员而言，他们希望快速地求得截面的几何特性，而对计算原理和方

法并不关心。因此，运用现有软件计算截面几何特性是工程技术人员的首选。AutoCAD 应用最为广泛，能得到面积、惯性矩等结果，但不能求出扭转常数和剪切中心等，计算精度较低，不适用于复杂薄壁截面的计算。第二类是计算截面特性的工具软件，如Staad 、FlexPDE 等，能对各种截面进行计算，可以得到扭转常数和翘曲常数，但截面不能太复杂，原因在于不能人工进行网格划分。ANSYS 是通用有限元软件，通过了ISO9001质量体系认证。它具有网格划分和自定义截面的功能，利用ANSYS 计算截面几何特性正成为一种趋势。BEAM24梁单元是一种三维薄壁单元,它通过一系列的矩形节段来描述断面的几何形状，每个矩形节段由节段点坐标和厚度来表示。利用BEAM24单元，可以自定义任意形状的截面[5]，但节段点数不能超过20，功能有限。文献[6]给出了ANSYS 中自定义截面的方法，但步骤过于繁琐，没有讨论复杂薄壁截面的计算。作者通过实践摸索，找到了一种在ANSYS 中计算薄壁截面几何特性的方法，可适用于任何复杂程度的薄壁截面。 2 实施步骤和技巧

ANSYS 提供了两种梁横截面的定义方式，普通截面和用户

自定义截面[7]。工字型、T 型、H 型等11种常用截面属于普通

截面，存储在ANSYS 截面库中。实际工程中的梁横截面多为普

通截面的组合形式，或更为复杂，需要采取用户自定义截面的

方法求解截面的几何特性。ANSYS 将需要计算的截面视为面域采用PLANE82（缺省）或MESH200单元对面域进行网格划分

（图1），每个网格视为一个cell ，含9个节点和4个积分点。

ANSYS 将截面视为多区格（multi-cellular ）的有限元模型，迭代求解几何特性。区格cell 的网格尺寸可以人工控制。每个

node cell integration point

，

图1 ANSYS 将截面划分为多区格 cell 可以赋予各自独立的材料属性。 2.1 创建截面的几何模型

描述截面几何形状的面域可以在ANSYS 中通过点－线－面的方式直接生成，也可

以从外部文件导入。常用的建模软件有AutoCAD 、UG 、SAP2000、Staad 等，AutoCAD 是绘图的常用工具，应用最为普遍，本文即以AutoCAD 为工具创建截面的几何模型。从几何角度来看，复杂薄壁截面通常由外框线、内框线和U 肋（T 肋）这三部分组成，拓扑关系为薄壁截面＝外框线－内框线－U 肋（T 肋），如图2所示。在AutoCAD 中可以将三者绘制在不同的图层上，赋予各自的颜色，通过图层开关和颜色来进行标识和编辑。ANSYS 限制cell 数目不得超过8000个，否则不能求解。因此，控制网格尺寸和密度是创建面域时最为关键的一步。许多截面计算工具软件因为缺乏用户控制网格的工