Ansys计算薄壁截面几何特性方法研究

胡腾飞，荣　浩，许汝武，贺剑辉

(广西交通科学研究院，广西　南宁　530007)



Ansys计算薄壁截面几何特性方法研究

胡腾飞，荣浩，许汝武，贺剑辉

(广西交通科学研究院，广西南宁530007)

摘要：文章针对现有的计算桥梁薄壁截面几何特性方法的不足，介绍如何利用Ansys自定义截面方法计算大跨桥梁复杂薄壁钢箱梁截面几何特性的流程和步骤，并结合一个实例分析不同方法得到的截面特性。

关键词：截面几何特性；Ansys自定义截面；薄壁箱梁；工程实例

0引言

随着我国桥梁向着大跨、轻质、高强方向发展，桥梁截面形式也越趋复杂。为了节省计算时间，寻求一种合适的截面几何特性求解方法，成为了一个急需解决的问题。在计算截面几何特性方法中，文献[1]采用了有限元比拟方法，可以计算任意形状的薄壁构件，但是没有考虑带U肋的情形，也没有涉及扭转常数的计算；而文献[2]中节段点数有限，功能受限；文献[3]虽然给出了Ansys中自定义截面的方法，却对复杂薄壁截面缺乏必要的探讨；文献[4]针对复杂薄壁截面提出了专门的人工划分网格法，虽然能够计算出截面的几何特性，却并不一定是最优的网格划分方法。本文通过一个实例，重点介绍如何利用Ansys自定

义截面方法流程图计算其截面几何特性的方法。

1工程背景

以某在建特大桥为例，该桥全长10 444.659 m，主桥全长1 288 m，为三塔钢箱钢桁结合梁斜拉桥。下弦箱杆件内高2 432 mm，顶板宽2 400 mm，底板宽1 950 mm，斜腹板净距1 600 mm，钢箱腹板与顶板夹角85.2°，板厚24 mm，整个截面长21 m。在下弦钢箱外侧，为提高结构的抗风性能，设有风嘴，宽2 200 mm，风嘴顶板、腹板、底板及纵向加劲肋厚度均为6 mm。桥面系钢箱梁如图1所示。

图1　桥面系钢箱梁横断面图

2Ansys计算截面几何特性流程图

因为使用理论方法计算截面几何特性比较复杂，而在Ansys中求解更加迅速，且对网格划分的要求不高，因此建议在求解截面特性的计算方法时，一般采用如下的分析步骤：

图2　Ansys计算截面几何特性流程图

3Ansys计算薄壁箱梁截面特性步骤

3.1形成面域并导入Ansys

在AutoCAD中形成整个薄壁箱梁的面域。为了使整个薄壁箱梁形成一个面域，可以先将箱梁的外轮廓线、内轮廓线、U肋内轮廓线以及风嘴内轮廓线分别形成一条多段线，与其对应的多段线用一个图层和一种颜色加以区分，再分别形成相应的面域，最后一起导入Ansys中进行布尔减运算，形成唯一的一个面。

图3　薄壁钢箱型梁截面形成的多个面域图

为了检验在AutoCAD中进行布尔“减”运算是否会引起将其导入Ansys时的畸变，本文做了相关对比。工况(a)和工况(c)是先在AutoCAD中形成最后的单个面域再导入Ansys中，分别采用Ansys默认的网格划分和Ansys进行网格控制划分方法计算截面特性；工况(b)和工况(d)是在AutoCAD中形成多个面域，再到Ansys中进行布尔运算形成单个面域，分别采用Ansys默认的网格划分和Ansys进行网格控制划分方法来计算截面特性。截面的几何特性计算结果汇总于表1。

表1　截面几何特性汇总表

由上表可知，在其他条件相同，导入Ansys面域不相同的情况下，工况(b)的截面特性相比工况(a)较接近准确值，其相对误差在1%左右。但两者都离精确值差距较大，这是因为采用了Ansys默认网格划分的结果，而没有进一步进行精细化单元划分控制，才会导致计算结果不够准确。当对截面进行细化网格划分后，此时工况(c)与工况(d)的相对误差减小到了1‰左右，即相对误差降低了一个数量级，因此，在精细化分网格后，可以认为两者导入的方法在计算截面几何特性时截面没有发生畸变或者说发生的畸变很小。

3.2用Ansys对薄壁箱梁的截面特性进行求解

由步骤1和步骤2已经可以计算薄壁箱梁的面积、形心位置及抗弯惯性矩，还需要通过Ansys计算薄壁箱梁的面积、形心位置、抗弯惯性矩及扭转常数，并通过AutoCAD的计算结果加以验证。

(1)用Ansys默认的网格划分方式对薄壁箱梁的截面特性进行求解，记为工况(1)。

图4　Ansys默认网格划分方法示例图

步骤为“preprocessor→section→beam→write from area”，如果默认网格划分成功则对截面命名，如“21.sec”；再使用“Read sect mesh”命令，如果成功读入网格数据并计算成功，则可以最后使用“Plot section”命令显示截面特性。Ansys模型的网格划分方式为四边形网格与三角形网格结合的方式，这种划分方式很可能会使得薄壁箱梁网格划分失败。

(2)如果默认的网格划分方式失败，则可以用Ansys中的Meshtool工具进行网格控制和划分，初步精细化网格，此时记为工况(2)。

图5　Ansys中进行网格控制和划分示例图

在打开Meshtool前，需要对面域赋予单元属性，包括单元类型(PLANE82或MESH200)和材料性质等。在Meshtool中打开Smartsize选项，并把网格大小调到最粗，以对网格的最小数量进行预估；选择三角形网格或四边形网格进行网格划分。如果网格划分失败，且网格数量少于8 000，则在网格数量少于8 000的前提下，可以通过Smartsize逐步精细化网格。

如果以上划分方法均失败，则考虑在Meshtool工具中通过lesize命令控制线尺寸，以达到进一步控制单元尺寸的目的。Lesize命令的使用应以薄壁箱梁的最小壁厚为参考，长宽比尽量控制在1∶8以内。

图6　Ansys中进行网格控制和划分后的单元形状图

3.3人工划分网格方法

对于一般普通截面，Ansys对其都可以成功网分，而对于复杂薄壁截面，如以上方式划分网格均失败，或者因为网格数量过多导致计算失败，则必须要采用人工划分网格法。

将截面在AutoCAD里面打断，便于Ansys通过拓扑关系识别。首先，当采用在AutoCAD中手动划分网格时，需要人为地把较长的线打断成较短的线，而且在加劲肋与箱梁的交汇处要特别地打断处理，以形成规则的网格。然后用“pe”命令把组成轮廓线的多条线段形成闭合多段线，再通过“region”命令或“bo”命令把该多段线形成面域。

在AutoCAD中手动控制网格形状和网格大小时，长宽比尽量控制在1∶6以内。先打断、阵列或者复制的方式形成网格线的关键点(使用到的AutoCAD命令有“break”、“array”、“copy”以及等分线段命令“divide”)，并形成多段线，即外轮廓线、内轮廓线、风嘴以及加劲肋轮廓线。然后再把薄壁箱梁外轮廓线、内轮廓线、风嘴及U肋形成的多个面域输出为“.sat”文件，导入Ansys中并通过布尔运算得到薄壁箱梁整体面域。得到单个面域并且定义单元类型和材料特性后，在Meshtool工具中利用用lesize命令和aesize命令控制网格的线尺寸和面尺寸，为了保证在Ansys中划分的网格为AutoCAD中控制的网格，线尺寸和面尺寸均应大于AutoCAD中的最大线尺寸和面尺寸。最后点击Meshtool工具中的mesh进行网分。

在AutoCAD中划分网格时，进行了两种划分，一种是只在交汇处及个别较长线段处断开，记为工况(3)，另一种是按照网格长宽比进行划分，记为工况(4)。其网格划分分别如图7和图8所示。

网格划分成功之后，即可通过“preprocessor→section→beam→write from area”步骤写入并读取截面数据。值得注意的是，在AutoCAD中进行手工划分网格时，在满足单元尺寸划分比例的条件下尽可能减少单元数量，使得Ansys输出的截面特性数据文件较小，利于节省后面对模型进行动力特性分析时的运行时间。

通过以上四步即可在Ansys中计算得到薄壁箱梁的截面特性，其截面特性汇总于表2。

图7　AutoCAD手动网格划分局部图(仅在交汇处划分网格)

图8　AutoCAD手动网格划分局部图(按长宽比划分网格)

工况面积Ax轴惯性矩y轴惯性矩翘曲常数扭转常数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，工况(1)采用Ansys默认的网格划分方式对薄壁箱梁的截面特性进行求解时，误差达到将近9%，其结果显然是不够准确的；当网格划分进入第二步流程，即工况(2)时，其结果已经非常接近精确值，且误差只有1‰左右，但是截面特性数据输出文件占用内存相对较大，不利于后期的动力分析；当采用人工化分网格导入Ansys，即工况(3)时，其结果已经非常可靠，误差远<1‰，且输出文件可以控制在100 kb以内，便于后期调用进行计算分析。而工况(4)虽然与工况(3)的计算结果相当，但因网格划分过密，并不利于截面数据输出文件的减小。

4结语

当截面在AutoCAD中进行布尔“减”运算时，在Ansys中精细化网格的情况下可以认为导入Ansys的截面不会发生畸变。

在求解薄壁杆件的截面特性，特别是钢箱梁这样大型的薄壁杆件的截面特性时，采用Ansys默认的网格划分方法(即工况(1))，往往会导致网格质量太差或者网格数量过多，进而造成求解错误或因计算机内存不足而不能计算，即使能够计算，因其截面几何特性数据输出文件过大，也不利于后期调用进行计算分析。所以，在满足计算要求的前提下应优先选择工况(2)的方法，而对于复杂薄壁钢箱梁截面特性计算时，最好是直接选择手动网格划分法。一般来说，截面越复杂，交汇处越多，划分的线段越多且越短，此种情况下可以优先考虑仅在交汇处划分网格的方法，并且在某些局部过长处加以断开即采用工况(3)的方法。

参考文献

[1]周建春，刘光栋，魏琴.薄壁杆件截面几何特性计算的比拟有限元法[J].工程力学，2002，19(1)：38-41.

[2]程进，江见鲸.用ANSYS软件进行薄壁梁截面几何特性的计算[J].交通与计算机，2001，19(增刊)：77-78.

[3]王玉琴.如何在ANSYS中实现自定义界面.陕西工学院学报，2003，19(2)：68-70.

[4]胡晓伦，陈艾荣，常英.利用ANSYS计算复杂薄壁杆件的截面特性[C].第十三届全国结构工程学术会议论文集(第Ⅰ册)，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

文章编号：1673-4874(2016)01-0052-05

中图分类号：U442.5

文献标识码：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.01.012

作者简介

胡腾飞(1990—)，硕士，助理工程师，主要从事路桥工程设计与科研工作；

荣浩(1981—)，工程师，主要从事市政桥梁工程设计工作；

许汝武(1988—)，硕士，助理工程师，主要从事市政桥梁工程设计工作；

贺剑辉(1990—)，硕士，助理工程师，主要从事路桥工程设计与科研工作。