ANSYS軟件在力學系列課程中的應用研究

張曉磊 王麗妍 鄭德庫 趙妍

【摘 要】在電力專業的力學課程教學中，鐵塔結構是專業相關的實際工程結構，屬于復雜力學問題。本文利用ANSYS軟件，建立符合實際的鐵塔結構有限元模型，對其進行了風荷載的靜力分析，得出了位移和內力，通過云圖直觀的給出了分析結果。本課題將ANSYS仿真軟件引入到力學系列課程輔助教學中，這將會使力學實踐與力學理論相結合，使教學過程更加完善，內容更加豐富，從而激發學生的求知欲，該課題強化了對學生理論聯系實際的培養，提升了學習效果。

【關鍵詞】ANSYS；桿塔；結構分析

中圖分類號：G712 文獻標識碼： A 文章編號： 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、材料力學和結構力學三大力學構成了力學系列核心課程。力學課程對于一般工科專業來說是專業基礎課主干課程，尤其對于電力、熱能、土木、機械等專業，力學課程是作為必修課進行講授。目前，在力學課程的教學中，學生接觸到的教材上的例題或者是習題都是實際工程所抽象出的計算簡圖，而實際的工程實例是比較少的；靜止的板書繪圖或者PPT演示圖相對較多，而動態的講解演示的素材相對比較少。因此，對于教師和學生來說，力學系列課程的講授和學習都是充滿挑戰的，需要進一步的探索[1-2]。

輸電線路相關課程是電力專業課程的主要組成部分，而在輸電線路課程中，鐵塔結構是其重要組成部分。不論從鐵塔的結構形式來說，還是其所承受的荷載形式來說，通過手算來準確的求取結構位移和桿件內力是十分復雜的。本文將ANSYS軟件引入到力學系列課程中，運用APDL參數化語言進行命令流的編寫，通過對鐵塔結構的仿真模擬，運用圖形直觀的顯示結構的模型、荷載、位移和內力的結果，彌補了學生在理論聯系實際方面的不足，使學生更好的掌握和理解力學知識及專業知識，幫助學生拓展思維，為綜合性人才的培養打下基礎。

1 ANSYS軟件介紹

ANSYS 軟件是一種大型通用有限元軟件，其在結構、流體、電流、磁場、聲場應用分析領域應用較為廣泛。通常在利用ANSYS軟件對結構分析時，其過程包括三個基本步驟[3]。首先是前處理，其目的是建立符合工程實際的有限元模型；其次是對結構施加載荷、同時設置相關的求解參數并進行求解；最后是對計算結果進行后處理，包括進入后處理器讀入計算結果、進行后處理操作、輸出后處理操作結果這三個環節。

2 ANSYS軟件在力學中的應用實例

2.1 輸電鐵塔有限元模型的建立

該實例以實際輸電鐵塔相關工程為研究背景，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。導線為鋁包鋼芯鋁合金絞線，型號JLHA2/LB14-630/45，選取分裂導線（雙分裂），塔頂架設2根地線，其型號為JLHA2/LB14-95/55。設計風速為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°平均風荷載作用下，塔腳為固定約束，經過計算，施加于鐵塔上的荷載示意圖如圖2所示。

2.3 鐵塔在90°平均風荷載作用下的靜力分析

利用ANSYS軟件對鐵塔在90°平均風荷載作用下的靜力分析計算得出圖3（a）位移云圖和圖3（b）結構軸力云圖。由圖3（a）位移云圖可以得出鐵塔結構的最大位移為186.46mm，其位置出現在塔頂。圖3（b）為結構軸力云圖，由圖3（b）可以得出鐵塔結構的最大軸力為1305.8kN（受壓），其位置出現在右側塔腿。鐵塔結構經過靜力分析不但可以得到圖形結果，還可輸出列表的數據結果，通過對位移和軸力的考察，可以判斷鐵塔結構的強度和剛度是否滿足要求。經過分析計算，本鐵塔不論從結構位移還是結構強度上都是滿足規范要求的[6]。

3 結語

通過上述工程實例的計算分析，可以看出運用ANSYS軟件求解一些復雜的力學問題時，能夠得到較好的效果，另外分析結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問題變得具體。該教學方法將力學知識與工程實例相結合，有助于提高學生理論聯系工程實際的能力，有助于培養學生獨立解決具體工程問題的能力；另外，該教學方法還能調動學生學習的主動性和積極性，激發學生對力學知識的求知欲；最后，該教學方法彌補了傳統力學課程中教法的不足，進一步完善了多樣化教學模式，豐富了教學的內容。因此，將ANSYS仿真軟件引入教學中，必將為該類課程課堂教學質量帶來較大的提升，值得在本專科相關力學系列課程中應用推廣。

【參考文獻】

[1]翁劍成.ANSYS在理論力學教學中的應用[J].韶關學院學報，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[J].安陽工學院學報，2015（4）：114-116.

[3]葛仁余.ANSYS在材料力學的彎曲變形教學中的運用[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振響應時程統計分析[J].結構工程師，2014（5）：124-129.

[5]鞠彥忠，張曉磊.四回路鋼管角鋼組合塔的風振響應分析[J].應用基礎與工程科學學報，2014（5）：964-975.

[6]上海市建設和交通委員會.高聳結構設計規范[M].中國計劃出版社，2007.