運用Ansys軟件模擬研究橋梁的結構

關善超

(1. 蘇州市陽山實驗初級中學校，江蘇 蘇州 215151; 2. 陜西師范大學物理學與信息技術學院，陜西 西安 710119)

橋梁的研究是人教版高中物理必修1的課題研究內容.該問題的選取既鞏固了剛剛學完的牛頓運動定律,又不局限于課本,緊密聯系生活實際,充分鍛煉學生分析解決問題的能力,很具有發散性和探究價值．但是,由于探究所需材料需要大量采購(如木板,膠水等),探究所需時間也相對較長,尤其是學生最終設計結果也難以有效判斷優劣,因此,該課題開展面臨很多困難,未起到預期的教學效果．近年來,隨著新技術的不斷發展和完善,計算機模擬解決物理教學中的問題也逐漸被大家所重視,并且很好地解決了一些以往常規試驗難以解決的問題．[1-2]計算機仿真模擬過程清晰,結果準確且生動形象,同樣適用于中學物理教學,可以極大地激發了學生的探究欲望和學科興趣,起到很好的教學效果.[3]本文運用Ansys軟件對學生設計的不同結構橋梁進行數值模擬,可以直接得到不同橋梁的形變及橋梁各部位的應力大小,清晰地選出設計的最優方案,并且根據模擬結果給出合理的改進建議．[4]既節約實驗成本,又節省課堂時間,同時讓學生參與橋梁的設計和改進過程,對于培養科學思維品質和發現解決問題能力有重要的意義．

1 橋梁草圖設計

設計要求:如圖1所示,兩橋墩間跨度為30 cm,橋面總長40 cm,即左右兩端各有5 cm和橋墩接觸,承重最好的設計勝出．

提供材料:厚度為3 mm的木板,502膠水．

學生小組合作,根據設計要求和所給材料在紙上進行設計．

圖1 設計示意圖

2 數值模擬過程

首先在Ansys Preferences中,選擇Structural結構分析模塊．

2.1 添加所需單元

進入Element Type來添加模擬所需單元,本次模擬只需添加結構單元Solid 183即可．

2.2 設置材料屬性

進入Material Props來設置材料屬性．根據結構靜力學分析,只需設置材料的楊氏模量和泊松比．在Iostropic中輸入木頭的楊氏模量EX=1.1×1010,泊松比PRXY=0.33．

2.3 建立模型

進入Modeling,根據學生設計的橋梁進行建模．這里取梁式橋、斜拉橋、桁架橋3種典型設計進行建模,最終3種模型如圖2所示．

圖2 3種橋梁建模

2.4 網格劃分

進入Meshing,選擇Meshing Tool網格劃分工具,然后定義網格邊界為1 mm,進行三角網格自由劃分．

2.5 定義分析類型

進入Analysis Type,該模擬應選擇Static靜力學分析．

2.6 施加邊界條件

根據設計要求,在Define Loads中,約束左右兩端5 cm的橋面位移自由度為0,即無法移動．然后在橋面中間施加大小為50 N垂直于橋面向下的力．

2.7 進行求解計算

進入Solution模塊,選擇Solve→Current LS進行求解計算．

3 模擬結果分析

進入General Postproc后處理器,使用Plot Results畫出3種橋梁在相同大小壓力下的形變云圖(圖3)．

圖3 形變云圖

由形變云圖可知3種橋的形變情況及最大形變出現在何位置．梁式橋、斜拉橋和桁架橋的最大形變量分別為0.29×10-3m、0.6×10-5m和0.16×10-5m．可以清楚得到桁架橋在這3種設計中變形最小,最具優勢．

然后畫出3種橋對應的等效應力云圖(圖4)．

由應力云圖可知3種橋的應力分布情況及最大應力出現在何位置．梁式橋、斜拉橋和桁架橋的最大應力分別為1.4×107Pa、3.2×105Pa和4.5×104Pa．一般普通木板承受的最大剪應力約為1.7×108Pa,3種設計均能承受50 N的壓力,但模擬結果可得桁架橋應力分布最均勻,承重效果最好．

模擬總結及改進建議:梁式橋結構最為簡單,耗材最少成本低,適用于承重量不大的小橋設計．斜拉橋承重量相對較好,拉繩角度和位置對承重有很大影響,同學們的設計造成應力集中在橋梁中部,會造成中部易斷,因此可以考慮加強中部結構強度．桁架橋承重最好,應力分布相對均勻,形變最小,是本次設計的最優方案．

圖4 應力云圖

4 結論

運用Ansys模擬來進行人教版高中物理必修1中課題研究是非常具有創意且便于實施的新思路．同學們通過本節課的學習既鞏固完善了所學知識,明確了各種設計的優缺點,又了解了橋梁設計中的真實過程——數值模擬靜態結構分析．運用現代教學手段進行教學,極大地提高了學生的學科興趣,激發了學習動力,開拓了學生視野,明確了學習方向,培養了發現問題提出問題解決問題的能力,對全面提高學生科學核心素養有十分重要的意義．