Ansys計(jì)算薄壁截面幾何特性方法研究

胡騰飛，榮　浩，許汝武，賀劍輝

(廣西交通科學(xué)研究院，廣西　南寧　530007)

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Ansys計(jì)算薄壁截面幾何特性方法研究

胡騰飛，榮浩，許汝武，賀劍輝

(廣西交通科學(xué)研究院，廣西南寧530007)

摘要：文章針對現(xiàn)有的計(jì)算橋梁薄壁截面幾何特性方法的不足，介紹如何利用Ansys自定義截面方法計(jì)算大跨橋梁復(fù)雜薄壁鋼箱梁截面幾何特性的流程和步驟，并結(jié)合一個(gè)實(shí)例分析不同方法得到的截面特性。

關(guān)鍵詞：截面幾何特性；Ansys自定義截面；薄壁箱梁；工程實(shí)例

0引言

隨著我國橋梁向著大跨、輕質(zhì)、高強(qiáng)方向發(fā)展，橋梁截面形式也越趨復(fù)雜。為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，尋求一種合適的截面幾何特性求解方法，成為了一個(gè)急需解決的問題。在計(jì)算截面幾何特性方法中，文獻(xiàn)[1]采用了有限元比擬方法，可以計(jì)算任意形狀的薄壁構(gòu)件，但是沒有考慮帶U肋的情形，也沒有涉及扭轉(zhuǎn)常數(shù)的計(jì)算；而文獻(xiàn)[2]中節(jié)段點(diǎn)數(shù)有限，功能受限；文獻(xiàn)[3]雖然給出了Ansys中自定義截面的方法，卻對復(fù)雜薄壁截面缺乏必要的探討；文獻(xiàn)[4]針對復(fù)雜薄壁截面提出了專門的人工劃分網(wǎng)格法，雖然能夠計(jì)算出截面的幾何特性，卻并不一定是最優(yōu)的網(wǎng)格劃分方法。本文通過一個(gè)實(shí)例，重點(diǎn)介紹如何利用Ansys自定

義截面方法流程圖計(jì)算其截面幾何特性的方法。

1工程背景

以某在建特大橋?yàn)槔?，該橋全長10 444.659 m，主橋全長1 288 m，為三塔鋼箱鋼桁結(jié)合梁斜拉橋。下弦箱桿件內(nèi)高2 432 mm，頂板寬2 400 mm，底板寬1 950 mm，斜腹板凈距1 600 mm，鋼箱腹板與頂板夾角85.2°，板厚24 mm，整個(gè)截面長21 m。在下弦鋼箱外側(cè)，為提高結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能，設(shè)有風(fēng)嘴，寬2 200 mm，風(fēng)嘴頂板、腹板、底板及縱向加勁肋厚度均為6 mm。橋面系鋼箱梁如圖1所示。

圖1　橋面系鋼箱梁橫斷面圖

2Ansys計(jì)算截面幾何特性流程圖

因?yàn)槭褂美碚摲椒ㄓ?jì)算截面幾何特性比較復(fù)雜，而在Ansys中求解更加迅速，且對網(wǎng)格劃分的要求不高，因此建議在求解截面特性的計(jì)算方法時(shí)，一般采用如下的分析步驟：

圖2　Ansys計(jì)算截面幾何特性流程圖

3Ansys計(jì)算薄壁箱梁截面特性步驟

3.1形成面域并導(dǎo)入Ansys

在AutoCAD中形成整個(gè)薄壁箱梁的面域。為了使整個(gè)薄壁箱梁形成一個(gè)面域，可以先將箱梁的外輪廓線、內(nèi)輪廓線、U肋內(nèi)輪廓線以及風(fēng)嘴內(nèi)輪廓線分別形成一條多段線，與其對應(yīng)的多段線用一個(gè)圖層和一種顏色加以區(qū)分，再分別形成相應(yīng)的面域，最后一起導(dǎo)入Ansys中進(jìn)行布爾減運(yùn)算，形成唯一的一個(gè)面。

圖3　薄壁鋼箱型梁截面形成的多個(gè)面域圖

為了檢驗(yàn)在AutoCAD中進(jìn)行布爾“減”運(yùn)算是否會引起將其導(dǎo)入Ansys時(shí)的畸變，本文做了相關(guān)對比。工況(a)和工況(c)是先在AutoCAD中形成最后的單個(gè)面域再導(dǎo)入Ansys中，分別采用Ansys默認(rèn)的網(wǎng)格劃分和Ansys進(jìn)行網(wǎng)格控制劃分方法計(jì)算截面特性；工況(b)和工況(d)是在AutoCAD中形成多個(gè)面域，再到Ansys中進(jìn)行布爾運(yùn)算形成單個(gè)面域，分別采用Ansys默認(rèn)的網(wǎng)格劃分和Ansys進(jìn)行網(wǎng)格控制劃分方法來計(jì)算截面特性。截面的幾何特性計(jì)算結(jié)果匯總于表1。

表1　截面幾何特性匯總表

由上表可知，在其他條件相同，導(dǎo)入Ansys面域不相同的情況下，工況(b)的截面特性相比工況(a)較接近準(zhǔn)確值，其相對誤差在1%左右。但兩者都離精確值差距較大，這是因?yàn)椴捎昧薃nsys默認(rèn)網(wǎng)格劃分的結(jié)果，而沒有進(jìn)一步進(jìn)行精細(xì)化單元劃分控制，才會導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不夠準(zhǔn)確。當(dāng)對截面進(jìn)行細(xì)化網(wǎng)格劃分后，此時(shí)工況(c)與工況(d)的相對誤差減小到了1‰左右，即相對誤差降低了一個(gè)數(shù)量級，因此，在精細(xì)化分網(wǎng)格后，可以認(rèn)為兩者導(dǎo)入的方法在計(jì)算截面幾何特性時(shí)截面沒有發(fā)生畸變或者說發(fā)生的畸變很小。

3.2用Ansys對薄壁箱梁的截面特性進(jìn)行求解

由步驟1和步驟2已經(jīng)可以計(jì)算薄壁箱梁的面積、形心位置及抗彎慣性矩，還需要通過Ansys計(jì)算薄壁箱梁的面積、形心位置、抗彎慣性矩及扭轉(zhuǎn)常數(shù)，并通過AutoCAD的計(jì)算結(jié)果加以驗(yàn)證。

(1)用Ansys默認(rèn)的網(wǎng)格劃分方式對薄壁箱梁的截面特性進(jìn)行求解，記為工況(1)。

圖4　Ansys默認(rèn)網(wǎng)格劃分方法示例圖

步驟為“preprocessor→section→beam→write from area”，如果默認(rèn)網(wǎng)格劃分成功則對截面命名，如“21.sec”；再使用“Read sect mesh”命令，如果成功讀入網(wǎng)格數(shù)據(jù)并計(jì)算成功，則可以最后使用“Plot section”命令顯示截面特性。Ansys模型的網(wǎng)格劃分方式為四邊形網(wǎng)格與三角形網(wǎng)格結(jié)合的方式，這種劃分方式很可能會使得薄壁箱梁網(wǎng)格劃分失敗。

(2)如果默認(rèn)的網(wǎng)格劃分方式失敗，則可以用Ansys中的Meshtool工具進(jìn)行網(wǎng)格控制和劃分，初步精細(xì)化網(wǎng)格，此時(shí)記為工況(2)。

圖5　Ansys中進(jìn)行網(wǎng)格控制和劃分示例圖

在打開Meshtool前，需要對面域賦予單元屬性，包括單元類型(PLANE82或MESH200)和材料性質(zhì)等。在Meshtool中打開Smartsize選項(xiàng)，并把網(wǎng)格大小調(diào)到最粗，以對網(wǎng)格的最小數(shù)量進(jìn)行預(yù)估；選擇三角形網(wǎng)格或四邊形網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分。如果網(wǎng)格劃分失敗，且網(wǎng)格數(shù)量少于8 000，則在網(wǎng)格數(shù)量少于8 000的前提下，可以通過Smartsize逐步精細(xì)化網(wǎng)格。

如果以上劃分方法均失敗，則考慮在Meshtool工具中通過lesize命令控制線尺寸，以達(dá)到進(jìn)一步控制單元尺寸的目的。Lesize命令的使用應(yīng)以薄壁箱梁的最小壁厚為參考，長寬比盡量控制在1∶8以內(nèi)。

圖6　Ansys中進(jìn)行網(wǎng)格控制和劃分后的單元形狀圖

3.3人工劃分網(wǎng)格方法

對于一般普通截面，Ansys對其都可以成功網(wǎng)分，而對于復(fù)雜薄壁截面，如以上方式劃分網(wǎng)格均失敗，或者因?yàn)榫W(wǎng)格數(shù)量過多導(dǎo)致計(jì)算失敗，則必須要采用人工劃分網(wǎng)格法。

將截面在AutoCAD里面打斷，便于Ansys通過拓?fù)潢P(guān)系識別。首先，當(dāng)采用在AutoCAD中手動劃分網(wǎng)格時(shí)，需要人為地把較長的線打斷成較短的線，而且在加勁肋與箱梁的交匯處要特別地打斷處理，以形成規(guī)則的網(wǎng)格。然后用“pe”命令把組成輪廓線的多條線段形成閉合多段線，再通過“region”命令或“bo”命令把該多段線形成面域。

在AutoCAD中手動控制網(wǎng)格形狀和網(wǎng)格大小時(shí)，長寬比盡量控制在1∶6以內(nèi)。先打斷、陣列或者復(fù)制的方式形成網(wǎng)格線的關(guān)鍵點(diǎn)(使用到的AutoCAD命令有“break”、“array”、“copy”以及等分線段命令“divide”)，并形成多段線，即外輪廓線、內(nèi)輪廓線、風(fēng)嘴以及加勁肋輪廓線。然后再把薄壁箱梁外輪廓線、內(nèi)輪廓線、風(fēng)嘴及U肋形成的多個(gè)面域輸出為“.sat”文件，導(dǎo)入Ansys中并通過布爾運(yùn)算得到薄壁箱梁整體面域。得到單個(gè)面域并且定義單元類型和材料特性后，在Meshtool工具中利用用lesize命令和aesize命令控制網(wǎng)格的線尺寸和面尺寸，為了保證在Ansys中劃分的網(wǎng)格為AutoCAD中控制的網(wǎng)格，線尺寸和面尺寸均應(yīng)大于AutoCAD中的最大線尺寸和面尺寸。最后點(diǎn)擊Meshtool工具中的mesh進(jìn)行網(wǎng)分。

在AutoCAD中劃分網(wǎng)格時(shí)，進(jìn)行了兩種劃分，一種是只在交匯處及個(gè)別較長線段處斷開，記為工況(3)，另一種是按照網(wǎng)格長寬比進(jìn)行劃分，記為工況(4)。其網(wǎng)格劃分分別如圖7和圖8所示。

網(wǎng)格劃分成功之后，即可通過“preprocessor→section→beam→write from area”步驟寫入并讀取截面數(shù)據(jù)。值得注意的是，在AutoCAD中進(jìn)行手工劃分網(wǎng)格時(shí)，在滿足單元尺寸劃分比例的條件下盡可能減少單元數(shù)量，使得Ansys輸出的截面特性數(shù)據(jù)文件較小，利于節(jié)省后面對模型進(jìn)行動力特性分析時(shí)的運(yùn)行時(shí)間。

通過以上四步即可在Ansys中計(jì)算得到薄壁箱梁的截面特性，其截面特性匯總于表2。

圖7　AutoCAD手動網(wǎng)格劃分局部圖(僅在交匯處劃分網(wǎng)格)

圖8　AutoCAD手動網(wǎng)格劃分局部圖(按長寬比劃分網(wǎng)格)

工況面積Ax軸慣性矩y軸慣性矩翹曲常數(shù)扭轉(zhuǎn)常數(shù)AutoCAD1.11350.843945.5608//Ansys+(1)1.2110.89439747.22936.940.58000Ansys+(2)1.1140.84416345.60635.860.57428Ansys+(3)1.1130.84389945.56135.780.57442Ansys+(4)1.1130.84389945.56135.7970.567089

由上表可知，工況(1)采用Ansys默認(rèn)的網(wǎng)格劃分方式對薄壁箱梁的截面特性進(jìn)行求解時(shí)，誤差達(dá)到將近9%，其結(jié)果顯然是不夠準(zhǔn)確的；當(dāng)網(wǎng)格劃分進(jìn)入第二步流程，即工況(2)時(shí)，其結(jié)果已經(jīng)非常接近精確值，且誤差只有1‰左右，但是截面特性數(shù)據(jù)輸出文件占用內(nèi)存相對較大，不利于后期的動力分析；當(dāng)采用人工化分網(wǎng)格導(dǎo)入Ansys，即工況(3)時(shí)，其結(jié)果已經(jīng)非?？煽?，誤差遠(yuǎn)<1‰，且輸出文件可以控制在100 kb以內(nèi)，便于后期調(diào)用進(jìn)行計(jì)算分析。而工況(4)雖然與工況(3)的計(jì)算結(jié)果相當(dāng)，但因網(wǎng)格劃分過密，并不利于截面數(shù)據(jù)輸出文件的減小。

4結(jié)語

當(dāng)截面在AutoCAD中進(jìn)行布爾“減”運(yùn)算時(shí)，在Ansys中精細(xì)化網(wǎng)格的情況下可以認(rèn)為導(dǎo)入Ansys的截面不會發(fā)生畸變。

在求解薄壁桿件的截面特性，特別是鋼箱梁這樣大型的薄壁桿件的截面特性時(shí)，采用Ansys默認(rèn)的網(wǎng)格劃分方法(即工況(1))，往往會導(dǎo)致網(wǎng)格質(zhì)量太差或者網(wǎng)格數(shù)量過多，進(jìn)而造成求解錯誤或因計(jì)算機(jī)內(nèi)存不足而不能計(jì)算，即使能夠計(jì)算，因其截面幾何特性數(shù)據(jù)輸出文件過大，也不利于后期調(diào)用進(jìn)行計(jì)算分析。所以，在滿足計(jì)算要求的前提下應(yīng)優(yōu)先選擇工況(2)的方法，而對于復(fù)雜薄壁鋼箱梁截面特性計(jì)算時(shí)，最好是直接選擇手動網(wǎng)格劃分法。一般來說，截面越復(fù)雜，交匯處越多，劃分的線段越多且越短，此種情況下可以優(yōu)先考慮僅在交匯處劃分網(wǎng)格的方法，并且在某些局部過長處加以斷開即采用工況(3)的方法。

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Study on Geometrical Characteristics of Thin-walled Sections by Ansys Calculation Method

HU Teng-fei，RONG Hao，XU Ru-wu，HE Jian-hui

(Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007)

Abstract：Regarding the deficiency of calculating the sectional geometrical characteristics of bridge thin-wall by current methods，this article introduced the processes and procedures of using Ansys custom-section method to calculate the geometric characteristics of complex thin-walled steel box girder of long-span bridges，and combined with a case，it analyzed the sectional properties obtained through dif-ferent methods.

Keywords：Sectional geometry characteristics；ANSYS custom section；Thin-walled box girder；Engi-neering example

收稿日期：2015-12-07

文章編號：1673-4874(2016)01-0052-05

中圖分類號：U442.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.01.012

作者簡介

胡騰飛(1990—)，碩士，助理工程師，主要從事路橋工程設(shè)計(jì)與科研工作；

榮浩(1981—)，工程師，主要從事市政橋梁工程設(shè)計(jì)工作；

許汝武(1988—)，碩士，助理工程師，主要從事市政橋梁工程設(shè)計(jì)工作；

賀劍輝(1990—)，碩士，助理工程師，主要從事路橋工程設(shè)計(jì)與科研工作。