ANSYS在桥工程中的应用前景.docVIP

ANSYS在桥梁工程中的应用前景毕桂平 魏红一 范立础（同济大学土木工程防灾国家重点实验室）【摘要】本文论述了大型有限元分析软件ANSYS在土木工程尤其是桥梁工程中的广泛用途，展望了大型有限元软件--ANSYS在桥梁工程中应用的广阔前景，尤其对于近几年来由于计算机科学的飞速发展引起的桥梁工程界全桥仿真分析模型的热潮，分析了ANSYS在其中的地位和应用前景。关键词 ANSYS 计算机辅助工程 桥梁工程 仿真分析一、引言计算机技术正以超乎寻常的速度，给工程、科学以至人类社会带来急剧的革命性变化。以虚拟样机模拟为代表的计算机辅助工程（Computer Aid Engineering,下简称 CAE），是这一技术革命在工程分析、设计中的具体表现。CAE在工程开发、项目研制及设计中所显示出的无与伦比的优越性，使其成为现代化工程业在日趋激烈的竞争中取胜的一个重要条件。这还要归结于CAE可以极有效地缩短新技术、新产品的研发周期，对于提高竞争力起着至关重要的作用。据统计，发达国家产品成本的80％是由研究发展过程决定的，同时这一过程决定整个产品从研制到推入市场所需时间的70％。【1】而虚拟样机的引入能从很大程度上降低实际模型的规模及试验次数。由CAE完全取代实物模型试验的例子不胜枚举，CAE的应用大大加快了研究速度，同时又降低了成本。纵观未来，CAE在土木工程界将成为主角。ANSYS程序【1】是顺应潮流而发展起来的 CAE仿真设计工具，它牢牢把握了CAE的发展方向，提供了通用到专用的全线CAE解决方案。作为有限元界的先导，ANSYS公司70年代率先在有限元软件中引入了图形技术及交互式操作方式，使有限元的前、后处理进入一个崭新的历史阶段；1983年，ANSYS公司又充分预计了PC机的发展，开发出世界上第一个PC机上的分析程序，并实现了PC机与其他硬件平台上完全一致的用户界面；90年代初期，ANSYS深刻领会到未来的设计技术将进入虚拟样机的仿真阶段，从而推出了与虚拟样机技术相对应的多物理场仿真技术。在当今世界正迈入网络时代的同时，ANSYS又适时地推出了异种异构平台的全网络浮动技术，通过不同硬件平台数据文件统一、用户界面统一为CAE的应用提供了空前灵活的工作环境。ANSYS公司为设计界提供了三大类产品：涉及多交叉学科的多物理场仿真工具（ANSYS/Multiphysics)智能化的快速设计校验及优化工具（ANSYS/DesignSpace）、针对某些专业领域的专用软件包（板成形专用软件包、土木工程专用软件包、疲劳及耐久性专用软件包）等。ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，可广泛用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造。能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究。近几年，由于计算机技术及大型有限元软件的发展，桥梁工程界掀起了全桥结构仿真分析技术（structural Simulation for Entire Bridge,SSEB)[2]研究的热潮。其核心是建立完整、统一的整座桥梁结构分析体系，在该体系下构造全桥所有承载构件的组合形式数学模型，准确模拟承载构件的空间位置、尺寸、材料特性、连接形式和荷载作用等，在此基础上进行大规模的全桥结构效应分析计算，由此得到相对详尽、精确和可靠的分析结果。该技术克服了传统算法中实施某些假设带来的不足。因此，全桥结构仿真分析比传统的桥梁分析计算有实质性的提高，可以更广泛地应用到设计桥梁方案、桥梁结构计算分析、桥梁施工过程模拟、准确计算桥梁承载能力、甚至部分替代小比例尺桥梁模型试验等各个方面。本文着重探讨ANSYS这一强大的CAE仿真工具和我国桥梁工程发展的结合点。 二、ANSYS在桥梁工程中的应用作者在使用ANSYS过程中，对ANSYS在桥梁工程中的功能有一定程度的理解，预感到这一大型有限元软件将对于桥梁工程界仿真学科的兴起起到不可低估的推动作用。下面仅结合桥梁工程实际，谈一下ANSYS的主要功能模块。该软件和其他大型有限元软件一样包括三个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；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。1．完备的前处理器ANSYS提供了一个强大的实体