有限元分析及其在桥梁结构中的应用(马润平)

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1、中铁大桥勘测设计院科研所马润平2011－03－292011-3-301内容—一、有限元及软件概述—二、平面有限元软件—三、典型桥梁计算分析要点—四、ANSYS软件2011-3-302—参看书籍：《桥梁结构分析及程序系统》肖汝诚编著人民交通出版社2011-3-3031.有限元分析（FEA）定义—实际中应用很多，但较少谈定义。因为面太广泛了，定义太抽象了。—FEA（FiniteElementAnalysis)的基本概念：用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的)近似解，然后

2、推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件)，从而得到问题的解。2011-3-304—这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。注意：1）错误与误差的把握。2）当得到有限元的解答，须用怀疑的眼光去挑剔去接受。2011-3-305几个术语：—FEA(FiniteElementAnalysis)有限元分析DRAW?—CAD(ComputerAidedDesign)计算机辅助设计—CAM(ComputerAidedMan

3、ufacturing)计算机辅助制造—CAE(ComputerAidedEngineering)计算机辅助工程—FEM(FiniteElementMethods)有限单元法2011-3-3062.有限元的发展历史—有限元方法思想的萌芽可以追溯到18世纪末，欧拉在创立变分法的同时就曾用与现代有限元相似的方法求解轴力杆的平衡问题，但那个时代缺乏强大的运算工具解决其计算量大的困难。—波音飞机工程师Turner，Clough等人在1956年首次将有限元法用于飞机机翼的结构分析，吹响了有限元的号角，有限元这一名称在1960年正式提出。—有限元方法的理论和程序主

4、要来自高校和实验室，早期有限元的主要贡献来自于Berkeley大学。EdWilson发布了第一个程序，第一代的程序没有名字，第二代线性程序就是著名的SAP(structuralanalysisprogram)，非线性程序就是NONSAP。2011-3-307首次提出有限元名称的DavidHibbitt博士KlausJ.Bathe博士RayW.Clough博士ABAQUS公司创始人ADINA公司创始人86年以前代码是公开的2011-3-3083、有限元的应用领域—医学中的生物力学有限元法在牙体修复研究领域—航天航空领域—机械制造和设计—环境—能源—气象

5、—土建（道桥隧、工民建、水利）……2011-3-3094、有限元的学术领域—结构（静力、动力学、运动力学、冲击动力学）—流体力学机械军工—电和磁—温度—热传导航天航空—质量扩散—声学分析—岩土力学分析（流体渗透/应力耦合分析）2011-3-30105、国际大型通用软件—ANSYS:ANSYS公司成立于1970年，总部位于美国宾夕法尼亚洲的匹兹堡。—Fluent:原美国Fluent公司是全球最大的CFD――流体力学仿真分析软件及咨询公司。ANSYS收购Fluent后成为名副其实的全球最大的CAE软件公司，在三大洲拥有40多个全资机构，17个研发中心，近

6、1,400名员工。—ABAQUS:2005年5月，前美国ABAQUS软件公司（1978年成立）与世界知名的在产品生命周期管理软件方面拥有先进技术的法国达索集团合并，共同开发新一代的模拟真实世界的仿真技术平台SIMULIA。在我国的高校和岩土方面应用比较多。世界上最著名的非线性有限元分析软件。2011-3-3011—MARC：MSC.MARC，MSC（MSC.SoftwareCorporation）公司位于洛杉矶，63创立，66年参与了Nastran的开发。MSC对原始的Nastran做了大量的改进并于71年推出自己的专利版本MSC.Nastran，8

7、3年股票上市并开始了一系列并购重组的活动。美国国家宇航局（NASA）的资助—NASTRAN：MSC.Nastran软件获得美国联邦航空管理局（FAA）认证，成为领取飞行器适航证指定的唯一验证软件。2011-3-3012—Adina:在计算理论和求解问题的广泛性方面处于全球领先的地位，尤其针对结构非线性、流/固耦合等复杂问题的求解具有强大优势。近20年的商业化，被广泛应用于各个工业领域的工程仿真计算，包括土木建筑、交通运输、石油化工、机械制造、航空航天、汽车、国防军工、船舶、以及科学研究等各个领域。ADINA的最早版本出现于1975，在K.J.Bath

8、e博士的带领下，由其研究小组共同开发。86年Bathe博士在美国马萨诸塞州成立ADINAR&D公司。2011