基于桁架結構的有限元軟件對比分析

康星，袁志煬 （安徽建筑大學土木工程學院，安徽 合肥 230601）

1 引言

隨著有限元理念在高校、設計院的深入，不論是學生、老師還是設計工作者都不可避免地會在日常生活中接觸或使用到有限元軟件。目前市場上有許多種有限元數值模擬軟件可供我們選擇，但是當我們遇到結構復雜、荷載繁多或者模型不易建立、工況不易簡化的項目時，選擇合適的有限元軟件以保證計算結果的準確和快速，顯得尤為重要。但是每個有限元軟件都有自己的特點，有自己擅長的領域，我們需要找出每個有限元軟件的優劣勢，以保證在面對陌生、復雜的結構時，能夠使用最優的軟件進行計算。

在結構分析設計方面，SAP2000屬于經常用到的一種軟件，有著極其廣泛的運用領域，特別是在一些結構復雜的模型方面，例如橋梁、第二產業建筑、海洋應用平臺、發電工作站等，假如是少數高層的民用住宅建筑，也能夠運用SAP展開建立模型、研究并設計。在國內，SAP2000程序受到了廣大高校以及工程行業的認可與熱愛，特別是在航空領域、土木工程、機械制造、船舶重工、石油領域等，都在廣泛運用該程序軟件，其缺陷主要是彈塑性分析能力不強，在非線性計算收斂性方面表現也不好。ANSYS操作應用軟件，通常都是由美國的ANSYS公司所研發出的一類大規模常用型有限元研究分析(FEA)操作應用軟件，截至當前，屬于全球增加速率最為迅速的一類電腦計算機輔助項目工程的操作應用軟件(CAE)，能夠與普通的電腦計算機輔助性綜合設計(CAD)操作應用軟件展開鏈接，從而進行數據共享以及交換 ，例 如 Creo，NASTRAN、Algor、IDEAS、AutoCAD等。所以在土木項目工程、機械設備加工制造、石油領域、國防軍工、生物醫學等諸多領域都有著極其普遍的應用。ANSYS有著非常強大的功能，便于操作，目前已經發展成為全球應用最多的一種有限元分析軟件，在FEA評比當中多年蟬聯第一。當前，我國總共有100多所院校在運用這個操作應用軟件來展開有限元研究分析，或者是把其看作為參考標準化的教學操作應用軟件。

隨著十四五開局之年，我國政府正在大力建設基礎設施，而橋梁在基礎設施中有著極其重要的地位[1]，因此選擇橋梁工程中比較常見的檢修車桁架結構作為背景，分別使用ANSYS和SAP2000進行計算，對比分析二者在數值模擬各個環節的區別，以期為后來者在面對類似的情況時，提供一些思路和指導方法[2]。

2 項目概況及荷載工況

2.1 項目概況

該項目是某地路橋的橋梁檢修車，軌道型號為 HM294×200mm×8mm×12mm，軌道中心距19400mm。檢查車由三部分組成，主桁架、伸縮桁架和軌道系統，主桁架總高約為1.42m，跨度約為20.5m，伸縮型桁架的整體高度大約是1.25m，而跨度大約是20.4m，主要使用規格為100mm×6mm與50mm×5mm的鋁合金鋼管。

2.2 荷載工況

2.2.1 荷載工況一

伸縮型桁架居最左（右），對主桁架進行結構受力分析，計算模型取為懸挑，所受荷載為均布荷載、自重、風、震等。

2.2.2 荷載工況二

伸縮型桁架居最左（右），主桁架作為伸縮型桁架的錨固支撐點，對伸縮型桁架進行結構受力分析，運算實驗模型主要是應用兩側的簡支，所受負載是均布負載、自身重量等。

2.2.3 荷載工況三

此為不工作狀態時，伸縮型桁架居中間，對主桁架結構受力分析，運算實驗模型主要是取兩側的簡支，其所受負載是均布負載、自身重量等。

3 ANSYS、SAP2000分別進行有限元計算

3.1 截面參數設定

3.1.1 ANSYS單元選擇及參數設定

在ANSYS前處理階段需要先根據結構的類型選擇合適的單元類型，本次選擇了ANSYS15.0來進行有限元計算。由于版本的原因，在APDL界面的Link單元雖然屬于線單元，但是由于桁架桿件是空心的方管，Link單元并不能進行截面的設定，故本次選擇了可以設定空心方管的Beam單元。對于材料彈性模量E以及泊松比進行查詢，并且將結果填入到ANSYS當中。

3.1.2 SAP2000的截面尺寸和參數設定

在SAP2000里面可以直接選擇Aluminum材料，截面的尺寸按照圖紙所給數據選擇合適的截面形狀，將對應的數據填入進去。彈性模量以及泊松比等數值，查閱相關規范后，在填入到SAP2000里面。

圖1 SAP2000材料屬性

圖2 ANSYS截面屬性及單元選擇

3.2 模型建立

3.2.1 ANSYS建模思路

由于ANSYS和CAD、REVIT等軟件在模型導入和導出方面銜接的并不是很好，再加上此桁架結構并不復雜，故本次選擇直接在ANSYS建立模型。按照由點到線再到面、體的思路，在csys=0直角坐標系下，按照桁架的節點分布一次性形成所有keypoints，然后連接keypoint形成 lines[3]。

3.2.2 SAP2000建模思路

雖然SAP2000里面也是可以建立模型的，但是從以往的經驗來看，SAP2000里面的建模過程復雜且麻煩。另外，SAP2000和第三方繪圖軟件如CAD在模型導入和導出銜接方面做得比較好，所以，我們可以先在CAD里面建立好模型，然后導入到SAP2000中[4]。

圖3 SAP2000桁架模型

圖4 ANSYS桁架模型

首先是在CAD操作應用軟件里，選擇三維立體建立模型，然后再運用多種圖層對桁架構件里截斷面的有效尺寸來展開劃分，有利于在SAP2000里面截面參數的賦予。建模完成之后，選擇保存成Dxf文件類型，導入到SAP2000里面。

圖5 網格劃分

圖6 屬性分配

3.3 不同工況下的荷載施加

ANSYS在添加荷載之前，需要先進行屬性分配和網格劃分。在Meshing中通過拾取線Lines的方法來進行截面尺寸和參數的分配。

3.3.1 工況一

伸縮桁架居最左（右），并且當檢修車運動到伸縮桁架最左（右）時，對應的位置是最不利位置。伸縮桁架的自重ANSYS手動計算約為12.102kN，SAP2000可以自動計算為11.970kN，活載為1kN/m2，風荷載取0.12kN/m2，伸縮桁架簡化為懸挑模型。

ANSYS、SAP2000分析結果對比表

圖7 工況一

3.3.2 工況二

伸縮桁架居最左（右），并且當檢修車運動到伸縮桁架最左（右）時，對應的位置是最不利位置。伸縮桁架的自重ANSYS手動計算約為12.102kN，SAP2000可以自動計算為11.970kN，活載為1kN/m2，風荷載取0.12kN/m2，主桁架簡化為兩端簡支模型。

圖8 工況二

圖9 工況三

圖10 SAP2000桁架位移、應力、軸力圖（以工況一為例）

圖11 ANSYS工況三桁架變形和位移圖

3.3.3 工況三

此時為桁架不工作時的情況，伸縮桁架居中位于主桁架上，檢修車運動到最中間，此時主桁架計算模型為兩端簡支，伸縮桁架自重ANSYS取12.102kN，SAP2000取11.970kN。活載取1kN/m2，伸縮桁架對主桁架的力分別按照ANSYS、SAP2000的計算結果加到主桁架上。風荷載按照百年才出現一次的大風進行計算。根據《建筑組成結構負載標準規范》改為《建筑結構荷載規范》（GB50009-2012），規定要求風荷載與建筑構筑物表層相互垂直，從而可以通過下式進行計算確定：

ωk= βzμsμzω0

ωk——風荷載標準值（kN/m2）；

βz——高度z處的風振系數；

μs——風荷載體型系數；

μz——風壓高度變化系數；

ω0——基本風壓（kN/m2）。

計算得出風荷載為4.635kN

3.4 結果分析對比

為確保檢查車在工程中正常使用，桁架的設計強度驗算[5]是重中之重。桁架的支座最大反力、最大位移和最大軸力是關鍵性指標，為了更加直觀地顯示出二者之間的計算結果，通過表格形式展現出來見上表所示。

圖12 ANSYS運行工況一桁架變形示意圖

圖13 ANSYS運行工況二桁架位移示意圖

通過上表ANSYS和SAP2000的結果表明，結構的支座反力、位移、軸力、桿件的強度都是在設計允許的安全范圍之內。既說明此桁架是可以投入生產使用的，又說明在使用不同軟件分析計算過程中是準確的。

從本次具體工程實例應用對比上可以看出，ANSYS在模型建立上的工作量比較大，但效果好，SAP2000則和第三方繪圖軟件的兼容性更強。在施加具體荷載和約束時，二者的思路大致是一樣的，都是施加在節點上。在計算結果方面，結合實際的測量結果，可以看出ANSYS比SAP2000更接近實際，并且ANSYS在后處理階段有更多的呈現形式可供選擇。但是SAP2000可以直接顯示桿件的強度比，有利于設計工作者進行設計校核工作。

4 結語

本文以某實際工程桁架結構為背景，在解決實際問題的同時，對比分析了市面上常見的兩種有限元軟件的優劣勢：ANSYS具有強大的有限元計算以及后處理能力，適合要求精確、結果表現形式多樣的項目；SAP2000則顯得簡單、明了，有利于初學者上手以及簡單結構的設計校核工作。但有限元軟件不局限此兩種，還有其他諸如ABAQUS、MIDAS等，希望本文的分析結果可為后來者在解決類似問題時，提供思路和指導方法，也為此類新型桁架的設計、使用提供理論支持。