基于ANSYS的梁结构有限元分析

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1、万方数据公路2009年7月第7期HIGHWAYJul．2009No．7文章编号：0451—0712(2009)07--0159--03中圈分类号：U443．321文献标识码：B基于ANSYS的梁结构有限元分析王中要，郭秀文(河南省新开元路桥工程咨询有限公司郑州市450016)摘要：在桥梁结构中，固支梁结构是最常用的结构。利用大型有限元分析软件ANSYSlO．0对固支梁受集中载荷工况时进行有限元分析，通过分析比较在横截面积相同的情况下，不同宽高比矩形截面与工字形截面梁的变形及应力变化情况，通过比较得出在截面积相同的情况下，宽高比

2、决定了梁的刚度和强度，同时得出工字形截面梁比矩形截面粱的强度和刚度更好。此研究为优化桥梁设计，节省工程材料提供方法和参考．关t词：桥梁；梁结构}有限元分析；结构；应力梁结构是工程上一种较为常用的结构，尤其在道路桥梁、建筑设计中更是常见[1]。随着材料科学和桥梁施工工艺的发展，现代桥梁结构向大跨径、轻型化和柔性化方向发展，这就对桥梁的结构设计提出了更高的要求，需要对桥梁结构的各种力学性能进行计算与分析，如静力特性、强度、刚度与变形等【2]。随着计算机技术和计算方法的发展，用数值分析的方法进行此类问题的计算，可以节省大量的时间1"

3、3,43。目前最为有效的数值方法是有限元法[5]。ANSYS是大型通用有限元软件，被广泛地应用于房屋、桥梁、大坝、隧道以及地下建筑物等工程，它具有强大的前后处理及计算分析能力C6,73。文中运用ANSYSlO．0对固支梁受集中载荷工况时进行有限元分析，得到了固支梁在受到集中载荷时，梁的变形情况及应力分布。在分析过程中，比较相同截面面积，不同截面形状的梁在受到相同载荷时的强度和刚度变化。在对梁结构设计的过程中，如何在满足使用要求的情况下，使得梁的体积最小、材料最省和最有重要的经济意义。1有限元模型1．1分析工况分析模型中悬臂梁两

4、端固支，梁中间受竖向集中载荷作用，其示意图如图1所示，集中截荷大小为500N，梁长度为2m。梁的截面积为12251211212。收稿日期：2009--05--08，忱I，I／￡圈l同支梁工况示意在分析过程中，比较矩形截面梁与工字形截面梁受集中力作用下的变形量。其中矩形截面梁的截面尺寸由宽高比决定，工字形截面梁的几何形状如图2所示，具体参数见表1。卜-圈2工字形梁截面几何形状裹l工字形截面粱截面几何参数h／mmd／mmb／mm截面积／ram212556512251．2有限元模型在此次分析过程中，单元类型选用solid45实体单元

5、。solid45单元用于构造三维实体结构，单万方数据一160一2009年第7期元通过8个节点来定义，每个节点有3个沿着X、y、Z方向平移的自由度。此单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力强化、大变形和大应变能力，适合此次分析。对于材料模型，梁单元采用线弹性结构材料模型，其模型参数见表2。表2梁的材料参数密度／(g／cm3)弹性模量，一GPa泊松比7．832100．32有限元分析及结果讨论圈4梁有限元网格局部2．1矩形截面梁有限元分析此次分析，矩形截面梁的宽为40mm，高为30．625mm，即宽高约比为4：3。有限元网格的大小直接影响了

6、计算结果的精度。从理论上来说，网格划分得越密，越符合实际，计算精度越高，结果越可靠。但是网格划分过密，不可避免地增加了运算量，增加了运算时间。为了综合考虑计算精度和计算时间，在分析时，在梁的的横截面划分为48个单元，长度方向划分为100个单元。分析模型中共有4800个单元，节点数为6363个。图3为梁端面的网格图，图4为有限元离散后梁的局部放大图。圈3梁端面网格2．1．1梁的变形分析在梁的中间施加500N的集中载荷后，梁的变形过程及最终变形情况如图5所示。由分析结果可以看出，施加集中力后，梁开始发生缓慢变形，集中力处开始向下凸

7、，随着时间变化，变形从中间向两端传递。当分析终了时，梁竖直方图S梁变形分析结果向上的变形量从中间向两端递减，最大变形量出现在中间集中载荷处，最大变形为9．299mm。2．1．2梁的应力分析图6显示了集中力作用过程后，梁的X方向(长度方向)应力情况。图6(a)为轴侧图，图6(b)为俯视图，图6(c)为仰视图。由图6中可以看出，X方向上最大拉应力出现在梁的上表面的梁端和下表面的中间。X方向上最大压应力出现在梁的上表面的中间集中载荷处和下表面的梁端。这与假设情况相符，即在变形过程中，梁的中性面以上受压，中性面以下受拉。由分析得到的最

8、大拉应力和最大压应力的绝对值均为186MPa。万方数据2009年第7期王中要郭秀文：基于ANSYS的粱结构有限元分析一161一田7工字形截面粱模型圈6粟中X方向应力圈2．1．3矩形截面形状对变形及应力影响圈8工字形截面粱有限元网格当梁的横截面积不变，而宽高比改变时，梁的变形过