1、论 文题 目: 基于 Ansys 的索道桥有限元分析姓 名: 张 健 系（院）: 机电学院 专 业: 机械制造及其自动化 学 号: 091207324 索道桥的有限元分析第 1 页摘要索道桥是一种典型的柔性索桥，关于索道桥的研究已经愈发被人重视。本文是主要对现代索道桥进行静力方面解析计算，计算之前介绍了以往常用的索道桥计算方法。计算过程中主要运用有限元计算方法，整体运算过程使用有限元软件进行建模和分析。通过使用流行有限元软件 ANSYS 对索道桥进行静力计算，计算黄河白浪索道桥成桥在集中荷载下的索的索力及索型，并产生分析数据和图表。算例中对索网“找形”进行介绍，采用有限元方法，利用 ANSYS
2、 有限元软件进行“找形” ，算例结果表明该方法用来确定结构初始形状是切实可行的。关键词：索道桥 有限元 ansys 1.1 索道桥概述索道桥的历史我国索道桥历史悠久,早在汉代就已出现铁链索桥。我国重点文物保护的世界著名的铁链桥四川省泸定县大渡河上的泸定桥，就是一座单孔铁链桥。我国古代索道桥传到日本、西方各国，英国最早建成铁链桥是在 1741 年，美国是 1796 年，德国和俄国是 1824 年 【1-3】 。索道桥材料最省，结构最简单，但一直未引起重视，未有明显进步。1958 年，土耳其博斯普鲁斯海峡大桥征求方案时，德国工程师芬斯特华尔德提出“薄带桥” ，即索道桥方案。但方案较新，问题未摸透彻
3、，虽然设计时对该方案曾做过计算和模型风动实验，振动和稳定都没有什么问题，为了慎重起见，博斯普鲁斯海峡大桥最终建成钢索吊桥而非索道桥，联邦德国在 1970 年试建了人行薄带桥，以作试验。之后索道桥由于重量轻、造价低、易于架设、跨度大能适用于各种地形条件等优点，成为工程兵部队为适应战备需要而开发出来的一种施工简便、架设速度快、能过大型装备（如坦克、大炮等）的桥型，主要是在悬索桥的基础上将主索的矢跨比减小，取消塔架和吊杆，将桥面系直接置于主索上，使之成为一种典型的柔性索桥。从 20 世纪 80 年代开始引进到水电、水利、交通等工程上，并以其独特的优势很快得到了广泛的应用。索道桥构造现代索道桥主要由锚
4、碇，承重索系统，桥面，稳定结构四大部分组成。（图 1-1）纵断面图锚碇 桥面索 稳定索 桥面索道桥的有限元分析第 1 页锚碇锚碇对称布置于江河、沟谷两岸，用来固定整座索道桥的承重索，是索道桥的重要基础。锚碇有多种形式，随两岸地质土壤性质和承重索的材料变化而各有不同。承重索系统承重索是索道桥主要承重构件，多索并列，锚固在两岸的锚碇中。承重索分为桥面索和稳定索。桥面索和锚碇之间需要连接器和长度调节器用以连接和调整索的矢度和长度。稳定结构稳定结构主要功能是增强桥梁的稳定性。稳定结构主要由稳定索，横梁，抗风索构成。其中横梁一般是倒八字梁或者一字梁。桥面系统构件桥面系统主要有桥面板，护轮木，护栏等。1.
5、2 索道桥静力方面研究现状承重索和稳定索是索道桥的重要承重构件，对于索道桥的静力学的研究主要集中承重索上。关于静态悬索的研究历史较久 【4-5】 。早在 17 世纪，伽俐略就研究了悬挂于两固定支架上、且不可伸长的索或链的曲线线型，称之为“悬链曲线” 。现代索道桥分析理论最初是弹性理论，认为缆索完全柔性，缆索曲线形状及坐标取决于满跨均不荷载而不随外荷载的加载而变化，吊杆受力后不伸长，加劲梁在无活荷载时处于无应力状态。弹性理论用普通结构力学方法即可以求解，计算简便，但弹性理论假定索形状在加载前后不发生改变，这与悬索桥的可挠性不符，所以目前弹性理论只在跨径小于 200m 的悬索桥设计中应用，因此发展
6、出计入变形影响悬索桥挠度理论。古典的挠度理论是将悬索桥的全部吊杆近似看成是一种连续不变形的膜，当缆索产生挠度时，加劲梁也随之产生相同的挠度。固该理论也称为“膜理论” 。根据作用于缆索单元上吊杆力与缆索拉力的垂直分力平衡以及作用于加劲梁单元上的外荷载及吊杆力与加劲梁单元弹性抗力平衡条件建立的平衡微分方程而求解。该理论极大的接近悬索桥主索的实际工作状态，对悬索桥的发展起了很大的推动作用。计算方面，张志国 【6】 等从悬索微元体平衡出发,分别推导以悬索张力分量、索长等为参变量,考虑和不考虑悬索自重集度变化的两种悬索解析式。王伯惠提出了斜拉桥拉索弹性线方程的精确解及有关参数的解析表达式,同时又提出了根
7、据斜拉索受力特点得出的简单而又有同等精度的拉索两端有关参数计算方法。索道桥的有限元分析第 2 页索道桥的分析，主要是对悬索找形分析 【7-9】 ，目前采用的找形方法主要有力密度法 【10】 ，动力松弛法 【11】 ，能量法 【12】 。随着有限单元法和电子计算机的推广应用 【12-14】 ，在索道桥的研究上，许多学者建立了以有限位移为基础的矩阵分析法 【15-16】 ，其中以 saafan 法较为完善地考虑了结构大位移问题。1.3 本文研究的主要内容本文研究各章主要内容如下：1首先对索道桥的历史、基本结构、特点、设计过程进行了介绍，然后阐述了索道桥静力方面研究现状。2介绍索道桥悬索结构的有限元
8、分析法，两节点单元模型的建立以及各种方法解非线性方程。3简单介绍 ANSYS 软件。讲述使用 ANSYS 分析有限元问题的方法，介绍本文将使用到的单元模型及悬索静力分析的方法。4索道桥有限元 ANSYS 算例，建立 ANSYS 模型列出图表得出结论。索道桥的有限元分析第 3 页2 基于 Ansys 的索道桥静力有限元分析2.1 Ansys 简介Ansys 概况ANSYS【22-23】 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国 ANSYS 开发，是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰
9、撞等问题。因此它可应用于 航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。各个领域。它能与多数 CAD 软件接口，实现数据的共享和交换，如 Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, IDEAS, AutoCAD 等， 是现代产品设计中的高级工具之一。ANSYS 软件提供的分析类型1.结构静力分析2.结构动力学分析3.结构非线性分析4.动力学分析5.热分析6.电磁场分析7.流体动力学分析8.声场分析9.压电分析Ansys 分析过程软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。ANSYS 的前处理模块ANSYS 的前处理模块主
10、要有两部分内容：实体建模和网格划分。实体建模ANSYS 程序提供了两种实体建模方法：自顶向下与自底向上。ANSYS 程序提供了完整的布尔运算，诸如相加、相减、相交、分割、粘结和重叠。在创建复杂实体模型时，对线、面、体、基元的布尔操作 能减少相当可观的建模工作量。 ANSYS 程序还提供了拖拉、延伸、旋转、移动、延伸和拷贝实体模型图元的功能。附加的功能还包括 圆弧构造、切线构造、通过拖拉与旋转生成面和体、线与面的自动相交运算、自动倒角生成、用于网格划分的硬点的建立、移动、拷贝和索道桥的有限元分析第 4 页删除。网格划分ANSYS 程序提供了使用便捷、高质量的对 CAD 模型进行网格划分的功能。包
11、括四种网格划分方法：延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。分析计算模块分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析） 、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。后处理模块后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。有限元分析如下图所示：图 2-1 原模型图索道桥的有限元分析第 5 页图 2-2图 2-3索道桥的有限元分析第 6 页图 2-4
12、图 2-5索道桥的有限元分析第 7 页图 2-6图 2-7索道桥的有限元分析第 8 页图 2-8图 2-9索道桥的有限元分析第 9 页图 2-10图 2-11索道桥的有限元分析第 10 页图 2-12 图 2-13索道桥的有限元分析第 11 页图 2-14 从图中可以看出，索道桥离支座越近，变形越快，桥中心变形量小，位移的最大值在桥中心处。索道桥的有限元分析第 12 页结 论本文建立索道桥的有限元模型。通过结果分析，我们认为采用 ANSYS 有限元结构，使用本文的方法，在考虑大变形的情况下整体分析索道桥结构的受力特性情况，可计算出全面、合理和准确的结果，从而解决了此类结构设计的精确计算问题,提
13、高工程设计的科学性和合理性。同类问题建模过程也可采用本文所用的关键点连线的方法，算例表明该方法在静力计算方面切实可行，且建模方法简便，可写成特定命令流，只需要改变某些参数就可以对同类问题进行计算。索道桥的有限元分析第 13 页参考文献1) 黄绍金 刘陌生。现代索道桥M。北京：人民交通出版社，2004,112) 张洪信。有限元基础理论与 ANSYS 应用M。北京：机械工业出版社，2006，23) 刘坤. ANSYS 有限元方法精解M. 北京:国防工业出版社,2005.4) 邢静忠 王永岗 陈晓霞。ANSYS 分析实例与工程应用M。北京：机械工业出版社，2004,15) 屈本宁,刘北辰. 索梁混合有限元模型及其在索桥分析中的应用J . 计算结构力学及其应用,1990
