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截面特性的I:具软件,如Staad、FlexPDE等,能对各种截厦进行计算,可以得到扭转常数和翘曲常数,但截面不能太复杂,原因在丁-不能人:【:进行网格划分。ANSYS是通用有限元软件,通过了IS09001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~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蹲1,但节段点数不能超过20,功能有限。文献”5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H’。 J: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‘1二控制。每个cell可以赋予各自独立的材料属性。图1ANSYS将截面划分为多区格2.1创建截面的几何模型的有限元模型.求解几何特性
描述截面几何形状的面域可以在ANSYS中通过点一线一面的方式直接生成,也可以从外部文件导入。常脯的建模软件有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I: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=外框线一内框线一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具,对复杂薄壁截面无能为力。譬如FlexPDE,它通过求解偏微分方程,反复加密网格,循环计算,直到精度满足要求。但对于复杂薄壁截面,这种循环求解会导致内存溢出。
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图2薄壁截面的拓扑关系图3局部位置的网格划分如图3所示,在U肋(T肋处,需要将薄壁与肋板对应的线段断开,形成线条一一对应的关系。这样,ANSYS通过拓扑关系能白动识别这种对应关系,并生成自由四边形网格。为保持四边形网格的长宽
比协调.对其它线段也需要作入J:剖分,长宽比不宜大于6。实际薄壁截蕊的U肋(T肋通常等间距布
图4闭口钢箱形截面4分离式薄壁截面l,i ■呻,u埘‘∞^n●■t ?295?
图5开闭口混合裁面
ANSYS可以将多个面域定义成~个截面文件.操作时完成一个面域的所有工作,复制、镜像生成其它面域,再定义成截面文件。西堠门大桥是浙江省舟山大陆连岛工程中的一座特大型悬索桥,主跨1600m。为了改善加劲梁断面的气动性能,设计成分离式钢箱梁断面(图6,中间开槽6m。借助ANSYS,我们成功求出截面的几何特性,为动力有限元模型提供数据。
图6分离式钢箱形截面 5组合截面
图7钢管混凝士截面
ANSYS可以对不同面域赋予不同的材料属性,甚至每个cell的材料属性都可以不同。利用这一功能,我们可以求解组合材料截面的几何特性。首先定义需要的材料,赋予面的单元属性时,对每个面域分别赋予材料性质,其它步骤同上。
广东珠江丫髻沙大桥是一座中承式拱桥,每片拱肋由6①750mm钢管混凝士结构组成,由横向平联板、腹杆连接成稳定的空间桁架结构。上面三根钢管通过横向平联扳形成共同受力的肋板式结构,下面同此。它的有限元模型通常简化为上下两根粱通过腹杆连接的平面桁架。利用ANSYS,我们计算了这种肋板式梁的截面特性。恻7显示了截面的形心平|l剪切中心坐标,其它结果为弹性参数,ANSYS住调用该截面时,白动读入。
6结语
