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1、100城市道桥与防洪2005年3月第2期ANSYS在道路路面结构计算中的应用11233李艳,张林春,张文君,王效杰,刘素平(1.内蒙古交通设计研究院有限责任公司,呼和浩特010010;2.上海浦东建筑设计研究院,上海201204;3.交通部第一公路工程总公司,北京100024)摘要:该文基于ANSYS5.5,论述了其在道路路面结构计算中的应用问题。针对两种典型的路面结构:温克勒地基上的板和弹性多层体系的静力和动力问题进行了分析。分别讨论了两种情况下的建模、分网、加载、求解、后处理等问题。关键词:路面结构;设计计算;ANSYS5.5;建模;分网;后处理中图分类
2、号:U416.01文献标识码:A文章编号:10097716(2005)02010003型,应用直接建模更为方便。对于路面结构的而言,0前言形状较为规则,应用实体建模更为方便,本文以弹性ANSYS软件是融结构、流体、电磁场、声场和多层体系和温克勒地基上的板为例,说明如何利用耦合场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由ANSYS构建模型。如图1、图2所示。美国ANSYS开发,它能与多数CAD软件接口,实现数据的共享和交换,如Pro/Engineer,NASTRAN,Alogor,IDEAS,AutoCAD等,是现代产品设计中的高级CAE工具之一。ANSYS
3、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图1温克勒地基上的板个强大的实体建模及网格划分工具可以方便地构造有限元模型,分析计算模块包括结构分析(线性或非线性分析)、动力学分析、耦合分析等,可模拟多种物理介质的相互作用,具有优化分析能力;后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、立体切片显示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。1道路结构的建模图2三层弹性体系1.1温克勒地基上的板ANSYS中常用的模型生成方法是实体建模和刚性路面
4、结构可以简化为温克勒地基上的板,直接生成。实体建模指的是应用ANSYS操作建立在此基础上进行位移、应力计算。ANSYS建模时实体,描述模型的几何边界,建立对单元大小及形状首先应用块命令(BLOCK)生成一个长方体,然后进的控制,然后令ANSYS程序自动生成所有的结点行网格划分,将板底面的结点沿某坐标轴偏移一段和单元的模型生成方法。直接生成的方法,必须在距离后,进行完全复制。然后通过复制结点和底面定义ANSYS实体模型之前,确定每一个结点的位对应的结点创建弹簧阻尼单元(COMBIN14)。然置,以及单元的大小、形状和连接。对三维实体模型后通过选择位置选择结点,将复制结点
5、三个方向的来说,实体建模是合适的,对于简单的或小型的模位置约束起来。这样就形成了图1所示的温克勒地基上的板模型。收稿日期:20040702作者简介:李艳(1974),女,内蒙古包头人,工程师,从事公路与桥梁1.2弹性多层体系勘察设计。通常柔性路面结构可视为半无限弹性多层体2005年3月第2期城市道桥与防洪101系,但在有限元的计算中,土基只能取有限尺寸。为材料常数。对于实体模型,通常可以选择简单的实确定半无限体厚度取值问题,可以选用不同深度的体单元等参八结点单元来划分网格,在AN均值体有限元解和理论计算结果进行比较,结果发SYS中命名为SOLID45,
6、也可以选用复杂的单元,现,对于静态问题,当厚度取值大于6m,动态问题如20结点的单元(SOLID95)。温克勒地基采用弹厚度取值大于11m时,两者的挠度接近。同时根簧和阻尼单元来模拟,命名为COMBIN14。如果据文献[2]的分析,对于FWD(落锤式弯沉仪)的冲不考虑阻尼的影响,只需要在单元实常数设定时,指击荷载,沿深度扩展到12m基本可满足计算要求。定阻尼为零。材料常数的定义在前处理的材料特性因此,静态问题厚度取值应大于6m,动态荷载时应下指定,对于静力学计算问题,只需要指定杨氏模量大于12m。在确定了土基的计算深度后,同样利用和泊松比,动力学问题需指定各材料的密度
7、和阻尼。块命令(BLOCK),经过多次即可形成弹性多层体系2.2控制网格生成的路面结构。需要指出的是,圆形荷载的作用面需网格的划分影响各个力学指标的计算精度。对要在表面上单独产生,注意圆心要和坐标轴中心重于三维有限元而言,网格太细或太粗都不好。网格合。经过一系列的命令产生体和加载面后,在网格密使得计算时间增长,消耗大量的计算机时和计算划分前应该进行粘合(GLUE),这样就可以模拟完存储,而且由于舍入误差的存在,计算结果不一定理全连续的多层体系结构。如图2所示。想。而网格划分太粗,使得计算结果和理论解相差太大,其计算结果没有参考意义。为此,需要控制网
