ANSYS軟件在力學(xué)系列課程中的應(yīng)用研究

張曉磊 王麗妍 鄭德庫 趙妍

【摘 要】在電力專業(yè)的力學(xué)課程教學(xué)中，鐵塔結(jié)構(gòu)是專業(yè)相關(guān)的實(shí)際工程結(jié)構(gòu)，屬于復(fù)雜力學(xué)問題。本文利用ANSYS軟件，建立符合實(shí)際的鐵塔結(jié)構(gòu)有限元模型，對(duì)其進(jìn)行了風(fēng)荷載的靜力分析，得出了位移和內(nèi)力，通過云圖直觀的給出了分析結(jié)果。本課題將ANSYS仿真軟件引入到力學(xué)系列課程輔助教學(xué)中，這將會(huì)使力學(xué)實(shí)踐與力學(xué)理論相結(jié)合，使教學(xué)過程更加完善，內(nèi)容更加豐富，從而激發(fā)學(xué)生的求知欲，該課題強(qiáng)化了對(duì)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的培養(yǎng)，提升了學(xué)習(xí)效果。

【關(guān)鍵詞】ANSYS；桿塔；結(jié)構(gòu)分析

中圖分類號(hào)：G712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）28-0104-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.28.046

【Abstract】In the mechanics course teaching of electric power major， the structure of tower is a practical engineering structure related to this major， which is a complex mechanics problem. In this paper. we use ANSYS software to establish a model of tower structure and carry out a static analysis under wind load. The displacement and internal force are obtained， and the analysis results are given intuitively through the nephograph. In this paper， the ANSYS software is introduced into the teaching of mechanics course， which makes the mechanics practice combined with mechanics theory， makes the teaching process more complete and the content more abundant， thus stimulating students 'thirst for knowledge. This topic strengthens the cultivation of students 'theoretical connection with practice and improves the learning effect.

【Key words】ANSYS； Tower； Structural analysis

0 前言

理論力學(xué)、材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)三大力學(xué)構(gòu)成了力學(xué)系列核心課程。力學(xué)課程對(duì)于一般工科專業(yè)來說是專業(yè)基礎(chǔ)課主干課程，尤其對(duì)于電力、熱能、土木、機(jī)械等專業(yè)，力學(xué)課程是作為必修課進(jìn)行講授。目前，在力學(xué)課程的教學(xué)中，學(xué)生接觸到的教材上的例題或者是習(xí)題都是實(shí)際工程所抽象出的計(jì)算簡圖，而實(shí)際的工程實(shí)例是比較少的；靜止的板書繪圖或者PPT演示圖相對(duì)較多，而動(dòng)態(tài)的講解演示的素材相對(duì)比較少。因此，對(duì)于教師和學(xué)生來說，力學(xué)系列課程的講授和學(xué)習(xí)都是充滿挑戰(zhàn)的，需要進(jìn)一步的探索[1-2]。

輸電線路相關(guān)課程是電力專業(yè)課程的主要組成部分，而在輸電線路課程中，鐵塔結(jié)構(gòu)是其重要組成部分。不論從鐵塔的結(jié)構(gòu)形式來說，還是其所承受的荷載形式來說，通過手算來準(zhǔn)確的求取結(jié)構(gòu)位移和桿件內(nèi)力是十分復(fù)雜的。本文將ANSYS軟件引入到力學(xué)系列課程中，運(yùn)用APDL參數(shù)化語言進(jìn)行命令流的編寫，通過對(duì)鐵塔結(jié)構(gòu)的仿真模擬，運(yùn)用圖形直觀的顯示結(jié)構(gòu)的模型、荷載、位移和內(nèi)力的結(jié)果，彌補(bǔ)了學(xué)生在理論聯(lián)系實(shí)際方面的不足，使學(xué)生更好的掌握和理解力學(xué)知識(shí)及專業(yè)知識(shí)，幫助學(xué)生拓展思維，為綜合性人才的培養(yǎng)打下基礎(chǔ)。

1 ANSYS軟件介紹

ANSYS 軟件是一種大型通用有限元軟件，其在結(jié)構(gòu)、流體、電流、磁場、聲場應(yīng)用分析領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。通常在利用ANSYS軟件對(duì)結(jié)構(gòu)分析時(shí)，其過程包括三個(gè)基本步驟[3]。首先是前處理，其目的是建立符合工程實(shí)際的有限元模型；其次是對(duì)結(jié)構(gòu)施加載荷、同時(shí)設(shè)置相關(guān)的求解參數(shù)并進(jìn)行求解；最后是對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理，包括進(jìn)入后處理器讀入計(jì)算結(jié)果、進(jìn)行后處理操作、輸出后處理操作結(jié)果這三個(gè)環(huán)節(jié)。

2 ANSYS軟件在力學(xué)中的應(yīng)用實(shí)例

2.1 輸電鐵塔有限元模型的建立

該實(shí)例以實(shí)際輸電鐵塔相關(guān)工程為研究背景，鐵塔為同塔四回路鋼管角鋼組合塔，塔全高為70.3m，鐵塔呼稱高為45m，根開為15m。導(dǎo)線為鋁包鋼芯鋁合金絞線，型號(hào)JLHA2/LB14-630/45，選取分裂導(dǎo)線（雙分裂），塔頂架設(shè)2根地線，其型號(hào)為JLHA2/LB14-95/55。設(shè)計(jì)風(fēng)速為35m/s，A類地貌。該鋼管角鋼組合塔主材使用Q345鋼管，其它材料采用Q235等邊角鋼。采用BEAM188單元和LINK8單元模擬各鋼管及角鋼桿件。桿件材料的彈性模量和泊松比分別取206 GPa和0.3。鐵塔的有限元模型見圖1[4-5]。

2.2 輸電鐵塔荷載的施加

鐵塔在90°平均風(fēng)荷載作用下，塔腳為固定約束，經(jīng)過計(jì)算，施加于鐵塔上的荷載示意圖如圖2所示。

2.3 鐵塔在90°平均風(fēng)荷載作用下的靜力分析

利用ANSYS軟件對(duì)鐵塔在90°平均風(fēng)荷載作用下的靜力分析計(jì)算得出圖3（a）位移云圖和圖3（b）結(jié)構(gòu)軸力云圖。由圖3（a）位移云圖可以得出鐵塔結(jié)構(gòu)的最大位移為186.46mm，其位置出現(xiàn)在塔頂。圖3（b）為結(jié)構(gòu)軸力云圖，由圖3（b）可以得出鐵塔結(jié)構(gòu)的最大軸力為1305.8kN（受壓），其位置出現(xiàn)在右側(cè)塔腿。鐵塔結(jié)構(gòu)經(jīng)過靜力分析不但可以得到圖形結(jié)果，還可輸出列表的數(shù)據(jù)結(jié)果，通過對(duì)位移和軸力的考察，可以判斷鐵塔結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度是否滿足要求。經(jīng)過分析計(jì)算，本鐵塔不論從結(jié)構(gòu)位移還是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度上都是滿足規(guī)范要求的[6]。

3 結(jié)語

通過上述工程實(shí)例的計(jì)算分析，可以看出運(yùn)用ANSYS軟件求解一些復(fù)雜的力學(xué)問題時(shí)，能夠得到較好的效果，另外分析結(jié)果可以通過云圖的形式直觀的顯示出來，這使得使抽象的力學(xué)問題變得具體。該教學(xué)方法將力學(xué)知識(shí)與工程實(shí)例相結(jié)合，有助于提高學(xué)生理論聯(lián)系工程實(shí)際的能力，有助于培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立解決具體工程問題的能力；另外，該教學(xué)方法還能調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，激發(fā)學(xué)生對(duì)力學(xué)知識(shí)的求知欲；最后，該教學(xué)方法彌補(bǔ)了傳統(tǒng)力學(xué)課程中教法的不足，進(jìn)一步完善了多樣化教學(xué)模式，豐富了教學(xué)的內(nèi)容。因此，將ANSYS仿真軟件引入教學(xué)中，必將為該類課程課堂教學(xué)質(zhì)量帶來較大的提升，值得在本?？葡嚓P(guān)力學(xué)系列課程中應(yīng)用推廣。

【參考文獻(xiàn)】

[1]翁劍成.ANSYS在理論力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].韶關(guān)學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，36（12）：77-80.

[2]李軍民，程新龍.ANSYS軟件在梁的彎曲中的輔助教學(xué)[J].安陽工學(xué)院學(xué)報(bào)，2015（4）：114-116.

[3]葛仁余.ANSYS在材料力學(xué)的彎曲變形教學(xué)中的運(yùn)用[J].科技視界，2014（15）：156-156.

[4]張曉磊，鞠彥忠.四回路鋼管角鋼組合塔的風(fēng)振響應(yīng)時(shí)程統(tǒng)計(jì)分析[J].結(jié)構(gòu)工程師，2014（5）：124-129.

[5]鞠彥忠，張曉磊.四回路鋼管角鋼組合塔的風(fēng)振響應(yīng)分析[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2014（5）：964-975.

[6]上海市建設(shè)和交通委員會(huì).高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[M].中國計(jì)劃出版社，2007.