【正文】 度。例如結構分析中的壓力，熱力學分析中的對流和熱通量。例如結構分析中的力和力矩，熱力分析中的熱流速度，磁場分析中的電流段。例如在結構分析中約束是指位移和對稱邊界條件，而在熱力學分析中則指的是溫度和熱通量平行的邊界條件。在 ANSYS 中，載荷包括邊界條件和外部或內(nèi)部作用力函數(shù)，在不同的分析領域中有不同的表征，但基本上可以分為 6 大類：自由度約束、力（集中載荷） 、面載荷、體載荷、慣性載荷以及耦合場載荷。軟件提供了 100 種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結構和材料。自適應網(wǎng)格劃分是在生成了具有邊界條件的實體模型以后，用戶指示程序自動地生成有限元網(wǎng)格，分析、估計網(wǎng)格的離散誤差，然后重新定義網(wǎng)格大小，再次分析計算、估計網(wǎng)格的離散誤差，直至誤差低于用戶定義的值或達到用戶定義的求解次數(shù)。映像網(wǎng)格劃分允許用戶將幾何模型分解成簡單的幾部分，然后選擇合適的單元屬性和網(wǎng)格控制，生成映像網(wǎng)格。包括四種網(wǎng)格劃分方法：延伸劃分、映像劃分、自由劃分和自適應劃分。自底向上進行實體建模時，用戶從最低級的圖元向上構造模型，即：用戶首先定義關鍵點，然后依次是相關的線、面、體。ANSYS 程序還提供了拖拉、延伸、旋轉(zhuǎn)、移動、延伸和拷貝實體模型圖元的功能。ANSYS 程序提供了完整的布爾運算，諸如相加、相減、相交、分割、粘結和重疊。用戶利用這些高級圖元直接構造幾何模型，如二維的圓和矩形以及三維的塊、球、錐和柱。（1）實體建模北京交通大學畢業(yè)設計（論文）16ANSYS 程序提供了兩種實體建模方法：自頂向下與自底向上。軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。這種分析類型可用于換熱器、振蕩器、諧振器、麥克風等部件及其它電子設備的結構動態(tài)性能分析。這些功能可用來確定音響話筒的頻率響應，研究音樂大廳的聲場強度分布，或預測水對振動船體的阻尼效應。另外，還可以使用三維表面效應單元和熱－流管單元模擬結構的流體繞流并包括對流換熱效應。分析結果可以是每個節(jié)點的壓力和通過每個單元的流率。還可用于螺線管、調(diào)節(jié)器、發(fā)電機、變換器、磁體、加速器、電解槽及無損檢測裝置等的設計和分析領域。熱分析還具有可以模擬材料固化和熔解過程的相變分析能力以及模擬熱與結構應力之間的熱－結構耦合分析能力。（5）熱分析程序可處理熱傳遞的三種基本類型：傳導、對流和輻射。北京交通大學畢業(yè)設計（論文）15（4）動力學分析ANSYS 程序可以分析大型三維柔體運動。（3）結構非線性分析結構非線性導致結構或部件的響應隨外載荷不成比例變化。與靜力分析不同，動力分析要考慮隨時間變化的力載荷以及它對阻尼和慣性的影響。ANSYS 程序中的靜力分析不僅可以進行線性分析，而且也可以進行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應變及接觸分析。 ANSYS 軟件提供的分析類型（1）結構靜力分析用來求解外載荷引起的位移、應力和力。僅僅提供熱分析和線性結構分析工程的批處理程序，發(fā)展成一個融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的可在大多數(shù)計算機及操作系統(tǒng)中運行的大型通用有限元分析軟件，在航天、機械制造、交通運輸、土木工程、國防工程、船舶、電子、生物醫(yī)學、核工業(yè)、水利、能源、石油化工等行業(yè)有廣泛的應用。北京交通大學畢業(yè)設計（論文）14第三章 建立 ANSYS 模型 ANSYS 簡介ANSYS 公司創(chuàng)立于 1970 年，總部位于美國賓夕法尼亞州的匹茲堡，是世界 CAE 行業(yè)中的著名公司，其創(chuàng)始人 John Swanson 博士是匹茲堡大學力學系教授、是有限元界的權威。m/mm)最大軸力/(N/mm)30 2968 40 2747 50 2560 60 2398 70 2256 80 2131 通過分析可以發(fā)現(xiàn)：彈性模量越大，土體的土拱效果越顯著，結構的內(nèi)力與位移越小；內(nèi)摩擦角變大后，結構位移略有減小，最大彎矩變小，而最大軸力變大。結構的位移和內(nèi)力隨土參數(shù)的變化如表所示。為了討論二者對分析結果的影響，固定內(nèi)摩擦角為 30176?！?0176。分層示意圖如下所示。即在填土封頂之前的 5 層，每次回填土壓實后的高度為50cm，拱兩側同時回填；封頂之后的 6 層按照每層壓實后 30cm 回填。則單位長度慣性矩為 /395681402220 ???xyltylI等效為平鋼板的等效厚度為 ???It因此，按重量相等原則，平鋼板等效密度為 30/?其中：波紋鋼的密度 ρ=7850 kg/m179。圖 24 截面等效示意圖在 1/4 波長內(nèi)，即 l0=400/4=100mm，波紋形狀函數(shù)為 ?????????????????0202 ,tanlaxRHlxRy，其中：圓弧部分的角度△=176。國外的規(guī)范中，可以查到每種型號的波紋鋼板的截面慣性矩、截面積、抗彎剛度等數(shù)據(jù)，由于我國還未形成相應規(guī)范，而這項工程選用的波紋板波紋形狀并不是國外規(guī)范規(guī)定的型號尺寸，所以我們需要計算所用波紋鋼板的各項數(shù)據(jù)。波紋鋼板壓模成型后的形狀如下圖所示。 剛度等效方法本文以內(nèi)蒙錫盟國道 207 桑根達來至寶昌段 K199+480 小橋建設工程為實體結構原型進行有限元模擬和數(shù)值計算，首先進行剛度等效計算。表 22 計算值與規(guī)范比較截面積 A（mm 2/mm） 轉(zhuǎn)動慣量 I（mm 4/mm）鋼板厚度計算值 規(guī)范值 計算誤差% 計算值 規(guī)范值 計算誤差%3 4 5 6 7 從計算結果可以看出，按照波紋形狀積分來計算截面特性，計算結果與規(guī)范提供值幾乎完全吻合，誤差極小，可見規(guī)范中的截面特性數(shù)據(jù)是根據(jù)波紋板截面實際形狀積分計算而得。(3)板的等效材料參數(shù)(或者等效剛度)不隨邊界條件和外荷載狀況的不同而變化。為了保證等效后計算結果的精確性，要求原波紋板具有如下的性質(zhì)：(1)波紋的間距與波紋板的邊長相比應該足夠小，即橫向波紋應密布。由于一個波長的面積和轉(zhuǎn)動慣量都是 1/4 波長的 4 倍，所以只需要計算 1/4 波長的曲線積分。美國 ASTM 規(guī)范中所提供數(shù)據(jù)如下表。在研究波紋板管涵結構時，重點關注的是管涵環(huán)向的彎矩位移等，所以簡化模型采用環(huán)向抗彎剛度等效的方法。 截面特性計算方法從國外的規(guī)范中可以看出，波紋鋼板有固定的規(guī)格，每種規(guī)格的波紋鋼板可以在規(guī)范中查到截面特性數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)可以方便計算分析、簡化模型。引用理論分析結果和實驗結果，驗證等效簡化方法的可行性。如果能把波紋鋼板等效成平板，會在計算上帶來較大的便利，通過等效簡化之后，計算結果可以保證一定的準確性。本文以內(nèi)蒙錫盟國道 207 桑根達來至寶昌段 K199+480 小橋建設工程為實體結構原型進行有限元模擬和數(shù)值計算，主要研究本工程的有限元模擬分析方法，有限元力學計算分析，不同有限元模型特點分析，根據(jù)計算結果總結該類結構的動力與穩(wěn)定特點和規(guī)律。本文首先探討實際結構簡化等效方法，然后基于實際工程考慮土與結構共同作用，根據(jù)結果分析實際結構的動力與穩(wěn)定性能。覆土波紋鋼板橋涵的設計很大程度上需要結構動力與穩(wěn)北京交通大學畢業(yè)設計（論文）7定分析的理論支持，重點在于研究覆土波紋鋼板拱橋的動力及穩(wěn)定性能特性和規(guī)律。但波紋鋼板拱橋的受力機理復雜，目前國內(nèi)對土–鋼橋梁結構的研究剛剛起步，因此，需要對土–鋼相互作用的機理進行深入分析，對土–鋼橋梁結構的結構分析理論進行系統(tǒng)研究，為該類型橋梁在我國的廣泛應用打下基礎。工程多用直徑 1—2 米的圓管涵，目前我國拱形波紋鋼板結構只有位于內(nèi)蒙的跨度 和位于湖北的半徑 、斜跨 的兩座實體工程，基本是借鑒國外的相關規(guī)范修建，沒有進行系統(tǒng)的結構分析理論研究。波紋管的結構形式和受力狀態(tài)有待進一步研究，不同地區(qū)波紋管涵的基礎(墊層)深度設計有待進一步探討。波紋管涵為無基涵洞，基底材料為具有一定級配的天然砂礫，試驗涵基底采用砂礫換填，深度為管徑的 倍— 倍，最大粒徑 50mm，粉粘粒含量不超過3％，壓實度 90％～93％，管兩側填料與基底材料相同。波紋管由工廠制造，分上下兩片，兩片間、節(jié)段間由螺栓聯(lián)結形成整體。交通部第一公路勘察設計院根據(jù)青藏公路第二期整治工程科研項目，1997 年在多年凍土區(qū)修建了 3 座波紋管涵作為試驗工程，進行結構設計、施工工藝、力學分析等大量的科學研究工作。公路部門率先在青藏公路多年凍土區(qū)進行了試驗研究，取得成功。國內(nèi)最早使用波紋鋼管涵洞的是在 20 世紀 50 年代青藏公路不凍泉段的搶修工程中，到 70 年代時發(fā)現(xiàn)其使用狀況仍然良好，具有很好的耐久性，但由于我國的歷史和經(jīng)濟原因，以后很長時間沒有得到進一步應北京交通大學畢業(yè)設計（論文）6用。直到現(xiàn)在，埋式鋼結構在恒載和活載作用下的力學行為仍是一個有待研究和發(fā)展的問題。從試驗中所獲得數(shù)據(jù)為新設計方法的發(fā)展和確認做出了很大的貢獻。在 1975 年，加利福尼亞進行了一項非常著名的研究項目《》 ，該涵管的直徑為 10 英尺()厚度為 英寸()，回填土高度為 200 英尺()。鋼波紋管結構可以接近這種理想的條件。土體和鋼波紋管的相互作用意味著柔性的鋼管與周圍的回填士共同承擔荷載。在美國，對于鋼波紋管的設計、安裝都制定了相應的指導手冊。由于鋼波紋管的適應性和優(yōu)越性，發(fā)展到現(xiàn)在其不僅僅應用于涵洞，還可以廣泛的應用水利治理、小跨度橋梁等等許多方面。之后此項技術不斷得到應用，到 20 世紀 70 年代中期，國際波紋鋼管聯(lián)合組織(NCSPA)僅在美國就有 130 多家波紋管制造廠，波紋鋼管被廣泛應用于涵北京交通大學畢業(yè)設計（論文）5洞、排水管和其他排水系統(tǒng)中。1923 年，美國鐵路工程協(xié)會在伊利諾斯州中央鐵路進行鋼質(zhì)波紋板通道的測試，證明了埋式結構存在明顯的土–鋼相互作用，首先土體作為一個彈性層不斷對上部荷載均衡調(diào)整，在埋置深度足夠深后，土體會通過應力環(huán)分散上部荷載，實測表明，對于回填土高度為 35m 的圓管涵洞，鋼波紋管只承擔 60％的上部土壓力，而相鄰的土體承擔 40％。1896 年首次出現(xiàn)了利用波形鋼板卷制的鋼管，并被用作涵管，美國率先進行波紋板通道、涵管的可行性研究。由于鋼板的供給不足，波形鋼板未能及時得到推廣應用。 研究背景 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀波紋鋼管是由波形鋼板制作而成。雖然波紋鋼板橋涵有一些缺點，但是在目前技術條件下，完全是可以解決的。二是易銹蝕。(7)缺點：一是耗用鋼材比混凝土多。(6)美觀耐久。(5)受力性能好。(4)技術開發(fā)成本不高。同時，產(chǎn)生建筑垃圾少，對周圍環(huán)境影響降低到最小程度。(3)施工便捷。如 1997 年上海浦東張橋鎮(zhèn)工業(yè)區(qū)內(nèi)一條波紋鋼板通道試驗。(2)強度大。和上述兩種材料建造的橋涵相比，波紋鋼板橋涵具有如下特點：(1)重量比較輕。近年來出現(xiàn)的玻璃纖維增強塑料夾砂管和鋼筋混凝土管相比，具有很多優(yōu)點如：質(zhì)量輕、強度高、剛度大；輸水性能良好；耐熱、防凍、抗藻性能好；耐磨性好；設計靈活，運輸安裝方便；使用壽命長、綜合經(jīng)濟效益好。(3)使用壽命短，易腐蝕，一般達不到五年使用期限。傳統(tǒng)的鋼筋混凝土和圬工砌體結構原材料價格比較低，一次性建設成本比較低，適合當時的國民經(jīng)濟建設，幾十年來在小橋和涵洞的建設中占有主要的位置，但是其缺點是很明顯的：(1)施工較繁瑣，圬工工程量比較大，從開始施工到單幅通車所需工期較長。對預防和解決涵洞因融沉和凍脹而導致的破壞十分有效，且具有施工簡單、工期較短、運輸方便等特點，尤其是鋼波紋板橋涵對地基擾動小，對土層的熱擾動小，不滲水，有利于保持寒區(qū)水土，較混凝土蓋板涵更適用于寒區(qū)公路。箱涵 —矢高較小，跨度較大的涵洞，是小跨度橋梁的較好替代。高弧拱 —涵洞，小橋，小水管，矢高較大，斷面較大，無損天然河床的環(huán)境友好型界面。結構工程師可以從規(guī)范中的截面形式一覽表中選出對應于各功能要求時最優(yōu)的結構方案，這些功能滿足了不同埋深、不同荷載(公路、鐵路、機場跑道)、不同應用功能(過水與通行)下的要求。小橋通常是指單孔跨徑為 5—20 米，多孔跨徑總長為 8—30 米的橋涵；涵洞通常是單孔跨徑在 5 米以下，多孔跨徑總長在 8 米以下的橋涵結構。波紋鋼板橋涵包括波紋板小橋和波紋鋼管涵。(5)適應性：波紋鋼板結構可很好地適應惡劣的土壤環(huán)境，在運輸線路、深埋結構、替代鐵路高架橋上的一些應用僅僅是它應用的一個方面。(3)設計的多功能性：預制的檢修孔，拱肩和零件都可以拆開來水運，結構質(zhì)輕且易于控制。(1)耐久性：波紋鋼板具有很長的使用年限。在工廠中，特大的波紋鋼被加工成結構板，再經(jīng)過成形與鍍漆。相較其它材料，波紋鋼管具有明顯的優(yōu)勢，具體表現(xiàn)在強重比，抗破壞性，耐火性，耐腐蝕性