CAE技術(shù)在力學(xué)課程中的應(yīng)用研究

張潔 馬魁 趙松 顏紅專

（武昌工學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院 湖北武漢 430065）

0 前言

國(guó)外的力學(xué)課程是按照“基礎(chǔ)，必修”這兩條標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇的，各個(gè)學(xué)?；A(chǔ)力學(xué)的學(xué)分占總學(xué)分比例均在10%以上。在國(guó)內(nèi)，土木工程專業(yè)力學(xué)課程學(xué)分占總學(xué)分的比例平均為8.2%，雖然國(guó)內(nèi)大學(xué)在土木工程專業(yè)中基礎(chǔ)力學(xué)的教學(xué)比重是低于國(guó)外的，但是力學(xué)課程在本科教學(xué)課程還是占有很大的比重。力學(xué)課程具有知識(shí)點(diǎn)多，理論推導(dǎo)復(fù)雜，概念抽象，公式多，難度大的特點(diǎn)，學(xué)生很難深入的研究力學(xué)計(jì)算簡(jiǎn)圖與實(shí)際工程之間的聯(lián)系，無(wú)法解決工程實(shí)踐問(wèn)題。

CAE的中文名字叫計(jì)算機(jī)輔助工程，本文采用ANSYS和MIDAS軟件建立梁結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型，分析了梁結(jié)構(gòu)在固定荷載以及移動(dòng)荷載作用下的內(nèi)力和應(yīng)力，在力學(xué)課程中引入CAE技術(shù)，可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。

1 ANSYS在連續(xù)梁結(jié)構(gòu)中的內(nèi)力分析

計(jì)算算例，兩跨連續(xù)梁，跨度為6m，第一跨上均布荷載為4.5kN/m，作用在第二跨跨中的集中荷載為8kN，EI=156N·m2，試對(duì)連續(xù)梁進(jìn)行內(nèi)力分析。

1.1 有限元模型的建立

利用ANSYS軟件進(jìn)行連續(xù)梁有限元模型建立時(shí)，采用beam4梁?jiǎn)卧Y(jié)構(gòu)單元類型，梁采用C50混凝土，彈性模型為3.45e7kPa，泊松比為0.2，主梁截面的實(shí)常數(shù)定義為“r，1，0.06，0.0002，0.00045，0.3，0.2，，rmore，，0.00065”，梁的單元長(zhǎng)度為 1m。

1.2 結(jié)果分析

在連續(xù)梁模型建立的基礎(chǔ)上進(jìn)行加載，開(kāi)始連續(xù)梁結(jié)構(gòu)的求解，定義單元表命令“ETABLE，A2，SMISC，2”和“ETABLE，A8，SMISC，8”，采用命令“PLLS，A2，A8”繪制剪力圖；定義單元表命令“ETABLE，A6，SMISC，6”和“ETABLE，A12，SMISC，12”，采用命令“PLLS，A6，A12”繪制彎矩圖，連續(xù)梁的彎矩圖如圖1所示。

圖1 彎矩

可以看出，原點(diǎn)處的截面彎矩為正的最大彎矩，其值為12.85kN·m；距原點(diǎn)8.72m處截面彎矩為負(fù)的最大值，其值為6.86kN·m?？梢钥闯觯c(diǎn)處的截面剪力值為-12.43kN，為負(fù)的最大剪力值；在距原點(diǎn)6m的截面剪力值由11.57kN突變至-5.93kN，其中11.57kN為正的最大剪力；在距原點(diǎn)9m的截面剪力值由-5.93kN突變至2.42kN，其中2.42kN為最小的剪力值。

2 ANSYS在懸臂梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力分析

懸臂梁的跨度10m，梁上的均布荷載為8kN/m，主梁截面為矩形截面，材料為C50混凝土。

2.1 有限元模型的建立

利用ANSYS軟件進(jìn)行懸臂梁有限元模型建立時(shí)，采用SOLID45實(shí)體單元定義主梁，采用“BLC5，0，0，0.2，0.2，10”定義主梁的截面尺寸；采用“ESIZE，0.1”，“MSHKEY，1”，“VMESH，ALL”命令進(jìn)行實(shí)體單元的劃分。

2.2 結(jié)果分析

對(duì)懸臂梁模型進(jìn)行加載，進(jìn)行懸臂梁結(jié)構(gòu)的求解計(jì)算，定義命令“PATH，MYPA1”，“PPATH，1，，0.1，0.1，0”，“PPATH，1，，-0.1，-0.1，0”，“PDEF，MYSX，S，X”，“PDEF，MYSX，S，Y”，“PDEF，MYSX，S，Z”顯示支座截面X，Y和Z方向的應(yīng)力分布。梁截面x方向的最大正應(yīng)力為11076kPa，最大負(fù)應(yīng)力為11179kPa；梁截面y方向的最大正應(yīng)力為66096kPa，最大負(fù)應(yīng)力為6713kPa；梁截面z方向的最大正應(yīng)力為60326kPa，最大負(fù)應(yīng)力為60856kPa。

3 MIDAS在簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)中的內(nèi)力分析

簡(jiǎn)支梁的標(biāo)準(zhǔn)跨徑為20m，主梁截面為T型截面，采用C50混凝土，試分析簡(jiǎn)支梁在車輛荷載作用下的內(nèi)力。

3.1 有限元模型的建立

為了分析MIDAS在移動(dòng)荷載作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，以簡(jiǎn)支梁為計(jì)算模型，通過(guò)定義材料、截面，建立節(jié)點(diǎn)、生成單元，定義邊界條件，施加自重和二期荷載步驟建立有限元模型。

3.2 結(jié)果分析

通過(guò)選擇移動(dòng)荷載規(guī)范，定義車道和車輛，移動(dòng)荷載工況三個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)移動(dòng)荷載的定義，運(yùn)行計(jì)算可得到簡(jiǎn)支梁截面量值的影響線，由截面剪力影響線可知，跨中截面剪力影響線是由左直線和右直線兩部分組成，左右兩直線部分平行。由截面彎矩影響線可以看出，跨中截面彎矩影響是由左、右兩段直線組成，并且當(dāng)移動(dòng)荷載作用在跨中截面時(shí)，此截面的彎矩為5m。

4 結(jié)論

其他力學(xué)課程的重點(diǎn)內(nèi)容，比如理論力學(xué)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)可以通過(guò)SOLIDWORKS以及ANSYSWROKBENCH進(jìn)行分析；材料力學(xué)桿件的強(qiáng)度、剛度穩(wěn)定性問(wèn)題可以通過(guò)SAP2000和ABAQUS軟件分析；力學(xué)課程的實(shí)驗(yàn)可以通過(guò)ABAQUS軟件進(jìn)行演示。基金項(xiàng)目：2018年度武昌工學(xué)院教學(xué)研究項(xiàng)目“基于土木工程專業(yè)新就業(yè)形勢(shì)下融合CAE技術(shù)的力學(xué)課程群整合研究”（2018JYZ10）。