基于桁架结构的有限元软件对比分析

康星，袁志炀 （安徽建筑大学土木工程学院，安徽 合肥 230601）

1 引言

随着有限元理念在高校、设计院的深入，不论是学生、老师还是设计工作者都不可避免地会在日常生活中接触或使用到有限元软件。目前市场上有许多种有限元数值模拟软件可供我们选择，但是当我们遇到结构复杂、荷载繁多或者模型不易建立、工况不易简化的项目时，选择合适的有限元软件以保证计算结果的准确和快速，显得尤为重要。但是每个有限元软件都有自己的特点，有自己擅长的领域，我们需要找出每个有限元软件的优劣势，以保证在面对陌生、复杂的结构时，能够使用最优的软件进行计算。

在结构分析设计方面，SAP2000属于经常用到的一种软件，有着极其广泛的运用领域，特别是在一些结构复杂的模型方面，例如桥梁、第二产业建筑、海洋应用平台、发电工作站等，假如是少数高层的民用住宅建筑，也能够运用SAP展开建立模型、研究并设计。在国内，SAP2000程序受到了广大高校以及工程行业的认可与热爱，特别是在航空领域、土木工程、机械制造、船舶重工、石油领域等，都在广泛运用该程序软件，其缺陷主要是弹塑性分析能力不强，在非线性计算收敛性方面表现也不好。ANSYS操作应用软件，通常都是由美国的ANSYS公司所研发出的一类大规模常用型有限元研究分析(FEA)操作应用软件，截至当前，属于全球增加速率最为迅速的一类电脑计算机辅助项目工程的操作应用软件(CAE)，能够与普通的电脑计算机辅助性综合设计(CAD)操作应用软件展开链接，从而进行数据共享以及交换 ，例 如 Creo，NASTRAN、Algor、IDEAS、AutoCAD等。所以在土木项目工程、机械设备加工制造、石油领域、国防军工、生物医学等诸多领域都有着极其普遍的应用。ANSYS有着非常强大的功能，便于操作，目前已经发展成为全球应用最多的一种有限元分析软件，在FEA评比当中多年蝉联第一。当前，我国总共有100多所院校在运用这个操作应用软件来展开有限元研究分析，或者是把其看作为参考标准化的教学操作应用软件。

随着十四五开局之年，我国政府正在大力建设基础设施，而桥梁在基础设施中有着极其重要的地位[1]，因此选择桥梁工程中比较常见的检修车桁架结构作为背景，分别使用ANSYS和SAP2000进行计算，对比分析二者在数值模拟各个环节的区别，以期为后来者在面对类似的情况时，提供一些思路和指导方法[2]。

2 项目概况及荷载工况

2.1 项目概况

该项目是某地路桥的桥梁检修车，轨道型号为 HM294×200mm×8mm×12mm，轨道中心距19400mm。检查车由三部分组成，主桁架、伸缩桁架和轨道系统，主桁架总高约为1.42m，跨度约为20.5m，伸缩型桁架的整体高度大约是1.25m，而跨度大约是20.4m，主要使用规格为100mm×6mm与50mm×5mm的铝合金钢管。

2.2 荷载工况

2.2.1 荷载工况一

伸缩型桁架居最左（右），对主桁架进行结构受力分析，计算模型取为悬挑，所受荷载为均布荷载、自重、风、震等。

2.2.2 荷载工况二

伸缩型桁架居最左（右），主桁架作为伸缩型桁架的锚固支撑点，对伸缩型桁架进行结构受力分析，运算实验模型主要是应用两侧的简支，所受负载是均布负载、自身重量等。

2.2.3 荷载工况三

此为不工作状态时，伸缩型桁架居中间，对主桁架结构受力分析，运算实验模型主要是取两侧的简支，其所受负载是均布负载、自身重量等。

3 ANSYS、SAP2000分别进行有限元计算

3.1 截面参数设定

3.1.1 ANSYS单元选择及参数设定

在ANSYS前处理阶段需要先根据结构的类型选择合适的单元类型，本次选择了ANSYS15.0来进行有限元计算。由于版本的原因，在APDL界面的Link单元虽然属于线单元，但是由于桁架杆件是空心的方管，Link单元并不能进行截面的设定，故本次选择了可以设定空心方管的Beam单元。对于材料弹性模量E以及泊松比进行查询，并且将结果填入到ANSYS当中。

3.1.2 SAP2000的截面尺寸和参数设定

在SAP2000里面可以直接选择Aluminum材料，截面的尺寸按照图纸所给数据选择合适的截面形状，将对应的数据填入进去。弹性模量以及泊松比等数值，查阅相关规范后，在填入到SAP2000里面。

图1 SAP2000材料属性

图2 ANSYS截面属性及单元选择

3.2 模型建立

3.2.1 ANSYS建模思路

由于ANSYS和CAD、REVIT等软件在模型导入和导出方面衔接的并不是很好，再加上此桁架结构并不复杂，故本次选择直接在ANSYS建立模型。按照由点到线再到面、体的思路，在csys=0直角坐标系下，按照桁架的节点分布一次性形成所有keypoints，然后连接keypoint形成 lines[3]。

3.2.2 SAP2000建模思路

虽然SAP2000里面也是可以建立模型的，但是从以往的经验来看，SAP2000里面的建模过程复杂且麻烦。另外，SAP2000和第三方绘图软件如CAD在模型导入和导出衔接方面做得比较好，所以，我们可以先在CAD里面建立好模型，然后导入到SAP2000中[4]。

图3 SAP2000桁架模型

图4 ANSYS桁架模型

首先是在CAD操作应用软件里，选择三维立体建立模型，然后再运用多种图层对桁架构件里截断面的有效尺寸来展开划分，有利于在SAP2000里面截面参数的赋予。建模完成之后，选择保存成Dxf文件类型，导入到SAP2000里面。

图5 网格划分

图6 属性分配

3.3 不同工况下的荷载施加

ANSYS在添加荷载之前，需要先进行属性分配和网格划分。在Meshing中通过拾取线Lines的方法来进行截面尺寸和参数的分配。

3.3.1 工况一

伸缩桁架居最左（右），并且当检修车运动到伸缩桁架最左（右）时，对应的位置是最不利位置。伸缩桁架的自重ANSYS手动计算约为12.102kN，SAP2000可以自动计算为11.970kN，活载为1kN/m2，风荷载取0.12kN/m2，伸缩桁架简化为悬挑模型。

ANSYS、SAP2000分析结果对比表

图7 工况一

3.3.2 工况二

伸缩桁架居最左（右），并且当检修车运动到伸缩桁架最左（右）时，对应的位置是最不利位置。伸缩桁架的自重ANSYS手动计算约为12.102kN，SAP2000可以自动计算为11.970kN，活载为1kN/m2，风荷载取0.12kN/m2，主桁架简化为两端简支模型。

图8 工况二

图9 工况三

图10 SAP2000桁架位移、应力、轴力图（以工况一为例）

图11 ANSYS工况三桁架变形和位移图

3.3.3 工况三

此时为桁架不工作时的情况，伸缩桁架居中位于主桁架上，检修车运动到最中间，此时主桁架计算模型为两端简支，伸缩桁架自重ANSYS取12.102kN，SAP2000取11.970kN。活载取1kN/m2，伸缩桁架对主桁架的力分别按照ANSYS、SAP2000的计算结果加到主桁架上。风荷载按照百年才出现一次的大风进行计算。根据《建筑组成结构负载标准规范》改为《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012），规定要求风荷载与建筑构筑物表层相互垂直，从而可以通过下式进行计算确定：

ωk= βzμsμzω0

ωk——风荷载标准值（kN/m2）；

βz——高度z处的风振系数；

μs——风荷载体型系数；

μz——风压高度变化系数；

ω0——基本风压（kN/m2）。

计算得出风荷载为4.635kN

3.4 结果分析对比

为确保检查车在工程中正常使用，桁架的设计强度验算[5]是重中之重。桁架的支座最大反力、最大位移和最大轴力是关键性指标，为了更加直观地显示出二者之间的计算结果，通过表格形式展现出来见上表所示。

图12 ANSYS运行工况一桁架变形示意图

图13 ANSYS运行工况二桁架位移示意图

通过上表ANSYS和SAP2000的结果表明，结构的支座反力、位移、轴力、杆件的强度都是在设计允许的安全范围之内。既说明此桁架是可以投入生产使用的，又说明在使用不同软件分析计算过程中是准确的。

从本次具体工程实例应用对比上可以看出，ANSYS在模型建立上的工作量比较大，但效果好，SAP2000则和第三方绘图软件的兼容性更强。在施加具体荷载和约束时，二者的思路大致是一样的，都是施加在节点上。在计算结果方面，结合实际的测量结果，可以看出ANSYS比SAP2000更接近实际，并且ANSYS在后处理阶段有更多的呈现形式可供选择。但是SAP2000可以直接显示杆件的强度比，有利于设计工作者进行设计校核工作。

4 结语

本文以某实际工程桁架结构为背景，在解决实际问题的同时，对比分析了市面上常见的两种有限元软件的优劣势：ANSYS具有强大的有限元计算以及后处理能力，适合要求精确、结果表现形式多样的项目；SAP2000则显得简单、明了，有利于初学者上手以及简单结构的设计校核工作。但有限元软件不局限此两种，还有其他诸如ABAQUS、MIDAS等，希望本文的分析结果可为后来者在解决类似问题时，提供思路和指导方法，也为此类新型桁架的设计、使用提供理论支持。