張潔 馬魁 趙松 顏紅專
(武昌工學院城市建設學院 湖北武漢 430065)
國外的力學課程是按照“基礎,必修”這兩條標準進行選擇的,各個學?;A力學的學分占總學分比例均在10%以上。在國內,土木工程專業力學課程學分占總學分的比例平均為8.2%,雖然國內大學在土木工程專業中基礎力學的教學比重是低于國外的,但是力學課程在本科教學課程還是占有很大的比重。力學課程具有知識點多,理論推導復雜,概念抽象,公式多,難度大的特點,學生很難深入的研究力學計算簡圖與實際工程之間的聯系,無法解決工程實踐問題。
CAE的中文名字叫計算機輔助工程,本文采用ANSYS和MIDAS軟件建立梁結構的計算模型,分析了梁結構在固定荷載以及移動荷載作用下的內力和應力,在力學課程中引入CAE技術,可以提高學生學習積極性和解決實際工程問題的能力。
計算算例,兩跨連續梁,跨度為6m,第一跨上均布荷載為4.5kN/m,作用在第二跨跨中的集中荷載為8kN,EI=156N·m2,試對連續梁進行內力分析。
利用ANSYS軟件進行連續梁有限元模型建立時,采用beam4梁單元結構單元類型,梁采用C50混凝土,彈性模型為3.45e7kPa,泊松比為0.2,主梁截面的實常數定義為“r,1,0.06,0.0002,0.00045,0.3,0.2,,rmore,,0.00065”,梁的單元長度為 1m。
在連續梁模型建立的基礎上進行加載,開始連續梁結構的求解,定義單元表命令“ETABLE,A2,SMISC,2”和“ETABLE,A8,SMISC,8”,采用命令“PLLS,A2,A8”繪制剪力圖;定義單元表命令“ETABLE,A6,SMISC,6”和“ETABLE,A12,SMISC,12”,采用命令“PLLS,A6,A12”繪制彎矩圖,連續梁的彎矩圖如圖1所示。
圖1 彎矩
可以看出,原點處的截面彎矩為正的最大彎矩,其值為12.85kN·m;距原點8.72m處截面彎矩為負的最大值,其值為6.86kN·m??梢钥闯?,原點處的截面剪力值為-12.43kN,為負的最大剪力值;在距原點6m的截面剪力值由11.57kN突變至-5.93kN,其中11.57kN為正的最大剪力;在距原點9m的截面剪力值由-5.93kN突變至2.42kN,其中2.42kN為最小的剪力值。
懸臂梁的跨度10m,梁上的均布荷載為8kN/m,主梁截面為矩形截面,材料為C50混凝土。
利用ANSYS軟件進行懸臂梁有限元模型建立時,采用SOLID45實體單元定義主梁,采用“BLC5,0,0,0.2,0.2,10”定義主梁的截面尺寸;采用“ESIZE,0.1”,“MSHKEY,1”,“VMESH,ALL”命令進行實體單元的劃分。
對懸臂梁模型進行加載,進行懸臂梁結構的求解計算,定義命令“PATH,MYPA1”,“PPATH,1,,0.1,0.1,0”,“PPATH,1,,-0.1,-0.1,0”,“PDEF,MYSX,S,X”,“PDEF,MYSX,S,Y”,“PDEF,MYSX,S,Z”顯示支座截面X,Y和Z方向的應力分布。梁截面x方向的最大正應力為11076kPa,最大負應力為11179kPa;梁截面y方向的最大正應力為66096kPa,最大負應力為6713kPa;梁截面z方向的最大正應力為60326kPa,最大負應力為60856kPa。
簡支梁的標準跨徑為20m,主梁截面為T型截面,采用C50混凝土,試分析簡支梁在車輛荷載作用下的內力。
為了分析MIDAS在移動荷載作用下結構的內力,以簡支梁為計算模型,通過定義材料、截面,建立節點、生成單元,定義邊界條件,施加自重和二期荷載步驟建立有限元模型。
通過選擇移動荷載規范,定義車道和車輛,移動荷載工況三個步驟實現移動荷載的定義,運行計算可得到簡支梁截面量值的影響線,由截面剪力影響線可知,跨中截面剪力影響線是由左直線和右直線兩部分組成,左右兩直線部分平行。由截面彎矩影響線可以看出,跨中截面彎矩影響是由左、右兩段直線組成,并且當移動荷載作用在跨中截面時,此截面的彎矩為5m。
其他力學課程的重點內容,比如理論力學的運動學和動力學可以通過SOLIDWORKS以及ANSYSWROKBENCH進行分析;材料力學桿件的強度、剛度穩定性問題可以通過SAP2000和ABAQUS軟件分析;力學課程的實驗可以通過ABAQUS軟件進行演示?;痦椖浚?018年度武昌工學院教學研究項目“基于土木工程專業新就業形勢下融合CAE技術的力學課程群整合研究”(2018JYZ10)。