Ansys計算薄壁截面幾何特性方法研究

胡騰飛，榮　浩，許汝武，賀劍輝

(廣西交通科學研究院，廣西　南寧　530007)

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Ansys計算薄壁截面幾何特性方法研究

胡騰飛，榮浩，許汝武，賀劍輝

(廣西交通科學研究院，廣西南寧530007)

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

關鍵詞：截面幾何特性；Ansys自定義截面；薄壁箱梁；工程實例

0引言

隨著我國橋梁向著大跨、輕質、高強方向發展，橋梁截面形式也越趨復雜。為了節省計算時間，尋求一種合適的截面幾何特性求解方法，成為了一個急需解決的問題。在計算截面幾何特性方法中，文獻[1]采用了有限元比擬方法，可以計算任意形狀的薄壁構件，但是沒有考慮帶U肋的情形，也沒有涉及扭轉常數的計算；而文獻[2]中節段點數有限，功能受限；文獻[3]雖然給出了Ansys中自定義截面的方法，卻對復雜薄壁截面缺乏必要的探討；文獻[4]針對復雜薄壁截面提出了專門的人工劃分網格法，雖然能夠計算出截面的幾何特性，卻并不一定是最優的網格劃分方法。本文通過一個實例，重點介紹如何利用Ansys自定

義截面方法流程圖計算其截面幾何特性的方法。

1工程背景

以某在建特大橋為例，該橋全長10 444.659 m，主橋全長1 288 m，為三塔鋼箱鋼桁結合梁斜拉橋。下弦箱桿件內高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，整個截面長21 m。在下弦鋼箱外側，為提高結構的抗風性能，設有風嘴，寬2 200 mm，風嘴頂板、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計算截面幾何特性流程圖

因為使用理論方法計算截面幾何特性比較復雜，而在Ansys中求解更加迅速，且對網格劃分的要求不高，因此建議在求解截面特性的計算方法時，一般采用如下的分析步驟：

圖2　Ansys計算截面幾何特性流程圖

3Ansys計算薄壁箱梁截面特性步驟

3.1形成面域并導入Ansys

在AutoCAD中形成整個薄壁箱梁的面域。為了使整個薄壁箱梁形成一個面域，可以先將箱梁的外輪廓線、內輪廓線、U肋內輪廓線以及風嘴內輪廓線分別形成一條多段線，與其對應的多段線用一個圖層和一種顏色加以區分，再分別形成相應的面域，最后一起導入Ansys中進行布爾減運算，形成唯一的一個面。

圖3　薄壁鋼箱型梁截面形成的多個面域圖

為了檢驗在AutoCAD中進行布爾“減”運算是否會引起將其導入Ansys時的畸變，本文做了相關對比。工況(a)和工況(c)是先在AutoCAD中形成最后的單個面域再導入Ansys中，分別采用Ansys默認的網格劃分和Ansys進行網格控制劃分方法計算截面特性；工況(b)和工況(d)是在AutoCAD中形成多個面域，再到Ansys中進行布爾運算形成單個面域，分別采用Ansys默認的網格劃分和Ansys進行網格控制劃分方法來計算截面特性。截面的幾何特性計算結果匯總于表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，這是因為采用了Ansys默認網格劃分的結果，而沒有進一步進行精細化單元劃分控制，才會導致計算結果不夠準確。當對截面進行細化網格劃分后，此時工況(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數量級，因此，在精細化分網格后，可以認為兩者導入的方法在計算截面幾何特性時截面沒有發生畸變或者說發生的畸變很小。

3.2用Ansys對薄壁箱梁的截面特性進行求解

由步驟1和步驟2已經可以計算薄壁箱梁的面積、形心位置及抗彎慣性矩，還需要通過Ansys計算薄壁箱梁的面積、形心位置、抗彎慣性矩及扭轉常數，并通過AutoCAD的計算結果加以驗證。

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

圖4　Ansys默認網格劃分方法示例圖

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

(2)如果默認的網格劃分方式失敗，則可以用Ansys中的Meshtool工具進行網格控制和劃分，初步精細化網格，此時記為工況(2)。

圖5　Ansys中進行網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)和材料性質等。在Meshtool中打開Smartsize選項，并把網格大小調到最粗，以對網格的最小數量進行預估；選擇三角形網格或四邊形網格進行網格劃分。如果網格劃分失敗，且網格數量少于8 000，則在網格數量少于8 000的前提下，可以通過Smartsize逐步精細化網格。

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，以達到進一步控制單元尺寸的目的。Lesize命令的使用應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。

圖6　Ansys中進行網格控制和劃分后的單元形狀圖

3.3人工劃分網格方法

對于一般普通截面，Ansys對其都可以成功網分，而對于復雜薄壁截面，如以上方式劃分網格均失敗，或者因為網格數量過多導致計算失敗，則必須要采用人工劃分網格法。

將截面在AutoCAD里面打斷，便于Ansys通過拓撲關系識別。首先，當采用在AutoCAD中手動劃分網格時，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，以形成規則的網格。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中手動控制網格形狀和網格大小時，長寬比盡量控制在1∶6以內。先打斷、陣列或者復制的方式形成網格線的關鍵點(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、內輪廓線、風嘴以及加勁肋輪廓線。然后再把薄壁箱梁外輪廓線、內輪廓線、風嘴及U肋形成的多個面域輸出為“.sat”文件，導入Ansys中并通過布爾運算得到薄壁箱梁整體面域。得到單個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命令控制網格的線尺寸和面尺寸，為了保證在Ansys中劃分的網格為AutoCAD中控制的網格，線尺寸和面尺寸均應大于AutoCAD中的最大線尺寸和面尺寸。最后點擊Meshtool工具中的mesh進行網分。

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

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

通過以上四步即可在Ansys中計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手動網格劃分局部圖(僅在交匯處劃分網格)

圖8　AutoCAD手動網格劃分局部圖(按長寬比劃分網格)

工況面積Ax軸慣性矩y軸慣性矩翹曲常數扭轉常數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默認的網格劃分方式對薄壁箱梁的截面特性進行求解時，誤差達到將近9%，其結果顯然是不夠準確的；當網格劃分進入第二步流程，即工況(2)時，其結果已經非常接近精確值，且誤差只有1‰左右，但是截面特性數據輸出文件占用內存相對較大，不利于后期的動力分析；當采用人工化分網格導入Ansys，即工況(3)時，其結果已經非常可靠，誤差遠<1‰，且輸出文件可以控制在100 kb以內，便于后期調用進行計算分析。而工況(4)雖然與工況(3)的計算結果相當，但因網格劃分過密，并不利于截面數據輸出文件的減小。

4結語

當截面在AutoCAD中進行布爾“減”運算時，在Ansys中精細化網格的情況下可以認為導入Ansys的截面不會發生畸變。

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，采用Ansys默認的網格劃分方法(即工況(1))，往往會導致網格質量太差或者網格數量過多，進而造成求解錯誤或因計算機內存不足而不能計算，即使能夠計算，因其截面幾何特性數據輸出文件過大，也不利于后期調用進行計算分析。所以，在滿足計算要求的前提下應優先選擇工況(2)的方法，而對于復雜薄壁鋼箱梁截面特性計算時，最好是直接選擇手動網格劃分法。一般來說，截面越復雜，交匯處越多，劃分的線段越多且越短，此種情況下可以優先考慮僅在交匯處劃分網格的方法，并且在某些局部過長處加以斷開即采用工況(3)的方法。

參考文獻

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[2]程進，江見鯨.用ANSYS軟件進行薄壁梁截面幾何特性的計算[J].交通與計算機，2001，19(增刊)：77-78.

[3]王玉琴.如何在ANSYS中實現自定義界面.陜西工學院學報，2003，19(2)：68-70.

[4]胡曉倫，陳艾榮，常英.利用ANSYS計算復雜薄壁桿件的截面特性[C].第十三屆全國結構工程學術會議論文集(第Ⅰ冊)，2004.

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

文獻標識碼：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計與科研工作；

榮浩(1981—)，工程師，主要從事市政橋梁工程設計工作；

許汝武(1988—)，碩士，助理工程師，主要從事市政橋梁工程設計工作；

賀劍輝(1990—)，碩士，助理工程師，主要從事路橋工程設計與科研工作。