截面特性如何計(jì)算——從橋梁學(xué)子視角看開(kāi)去

2016-10-29 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

橋梁系的同學(xué)怎樣計(jì)算截面特性

隨著專業(yè)學(xué)習(xí)的深入,截面特性將越來(lái)越多地出現(xiàn)在我們的專業(yè)學(xué)習(xí)、作業(yè)和各種各樣的任務(wù)中。因此,能夠迅速、準(zhǔn)確地獲得截面特性成為你能夠完成工程分析的基本技能。本期給您帶來(lái)作為橋梁系的同學(xué),應(yīng)該逐漸習(xí)得的截面特性的計(jì)算方法。這些方法對(duì)于橋梁系同學(xué)的多種課程設(shè)計(jì)、后續(xù)專業(yè)課、畢業(yè)設(shè)計(jì)等會(huì)非常實(shí)用。(其實(shí)各個(gè)方向及專業(yè)的同學(xué)都可以借鑒使用,只是筆者為橋梁學(xué)子,切身感受)

1. 常用公式+簡(jiǎn)化計(jì)算
比如我們?cè)诨炷翗蛄褐薪?jīng)常遇到的T形或I形截面梁,其實(shí)可以近似地分成幾個(gè)矩形,然后按照面積=長(zhǎng)*寬進(jìn)行計(jì)算,截面慣性矩也可以結(jié)合矩形的慣性矩公式+平行移軸公式(+轉(zhuǎn)軸公式)進(jìn)行計(jì)算。如果你覺(jué)得按計(jì)算器麻煩,當(dāng)然也可以采用Excel埋入公式進(jìn)行表格法計(jì)算。實(shí)際設(shè)計(jì)中用到的T形或I形截面有倒角、圓角,并非嚴(yán)格的矩形組合體,但是在通常的分析中(特別是初步設(shè)計(jì)時(shí)),上述簡(jiǎn)化的精度可以接受。
2. AutoCAD計(jì)算
AutoCAD應(yīng)該是學(xué)工程的同學(xué)使用頻率極高的繪圖軟件,也是進(jìn)行設(shè)計(jì)、尺寸布置等的必備工具。其實(shí)AutoCAD可以進(jìn)行截面特性的計(jì)算。在AutoCAD中繪制截面后,采用“region”命令生成面域,然后采用“massprop”命令即可得到選中截面的幾何特性。注意,massprop命令使用前必須采用region命令生成面域,生成面域的條件是線條必須封閉,沒(méi)有缺口也不得有多余的“線頭”。若是有空心截面,還需要在幾個(gè)面域之間進(jìn)行布爾運(yùn)算。計(jì)算完成后的截面特性輸出窗口如下:
此處需要注意的是:該窗口中給出的慣性矩、慣性積和旋轉(zhuǎn)半徑,均是截面針對(duì)AutoCAD的總體直角坐標(biāo)系x、y軸的,而往往我們需要的是截面關(guān)于自身形心主軸的。關(guān)于自身形心主軸的慣性矩在輸出窗口的最下:“主力矩與質(zhì)心的x-y方向”,而關(guān)于形心的截面旋轉(zhuǎn)半徑需要依此自行計(jì)算。此處切勿濫用!
AutoCAD計(jì)算截面特性的有點(diǎn)在于方便快捷,融繪圖與計(jì)算于一體,無(wú)需數(shù)據(jù)導(dǎo)來(lái)導(dǎo)去,精度較高。缺點(diǎn)在于不能計(jì)算與截面扭轉(zhuǎn)性能有關(guān)的各種特性,也無(wú)法處理組合截面。
3. Midas/Civil計(jì)算
Midas/Civil是橋梁工程專業(yè)后續(xù)學(xué)習(xí)、日后從事設(shè)計(jì)工作最常用的專用有限元設(shè)計(jì)分析軟件之一,如果在本科階段即開(kāi)始學(xué)習(xí)并逐漸應(yīng)用,對(duì)后續(xù)學(xué)習(xí)及日后的工作將大有幫助。
Midas/Civil計(jì)算截面特性主要有兩種途徑:在主程序中采用“截面特性”輸入及計(jì)算功能或采用Midas/Civil自身配帶的“截面特性計(jì)算器”,兩者均很方便且功能強(qiáng)大。
主程序中的“截面特性”輸入及計(jì)算功能,將橋梁工程常見(jiàn)的各種類型截面編入數(shù)據(jù)庫(kù),使用者指定尺寸單位,并對(duì)照?qǐng)D示輸入各部分的具體尺寸,即可實(shí)現(xiàn)截面的實(shí)時(shí)顯示和截面特性的計(jì)算與列表。列表可以與Excel相互粘貼,編輯非常方便。其中的“聯(lián)合截面”與施工階段共同使用,可以定義各種組合截面。
Midas/Civil自身配帶的“截面特性計(jì)算器”,是一個(gè)專門用來(lái)計(jì)算各類截面特性的工具?！敖孛嫣匦杂?jì)算器”本身具有較好的繪圖功能,操作與AutoCAD非常類似,可以直接繪制各種截面;也可以通過(guò)dxf文件格式導(dǎo)入AutoCAD繪制的截面?！敖孛嫣匦杂?jì)算器”除了可以繪制各種復(fù)雜外形的截面外,還可以通過(guò)“composite section”定義、生成并計(jì)算組合截面(即由不同材料組成的截面)。
Midas/Civil計(jì)算截面特性更貼近工程應(yīng)用的需要。其計(jì)算速度快,精度高,且可以輸出面積、形心位置、慣性矩、剪切面積以及扭轉(zhuǎn)剛度等,這是AutoCAD難以做到的。
Midas/Civil主程序截面特性計(jì)算窗口如下:
4. Ansys計(jì)算
Ansys是當(dāng)前大型商用通用有限元軟件中使用范圍最廣泛的一個(gè),其求解功能強(qiáng)大、性質(zhì)穩(wěn)定、可控度高,能夠滿足工程分析的相當(dāng)一部分需要。采用Ansys計(jì)算截面特性,特別是復(fù)雜截面的特性是高水平工程技術(shù)人員的素質(zhì)。
與Midas/Civil一樣,Ansys本身也具有很強(qiáng)大的建模功能,可以自行繪制截面,也可以通過(guò)sat文件或iges文件與AutoCAD進(jìn)行交互。然后采用plane82平面單元或mesh200網(wǎng)分單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分并通過(guò)積分得到截面特性。Ansys比起Midas/Civil在截面特性計(jì)算上更增強(qiáng)了一點(diǎn),就是除了與Midas/Civil一樣能計(jì)算得到截面扭轉(zhuǎn)剛度以外,還能準(zhǔn)確地得到截面扭轉(zhuǎn)中心的位置坐標(biāo),從而便于進(jìn)行扭轉(zhuǎn)方面的各種分析。
Ansys計(jì)算截面特性的圖示如下:
5. 大神方法——純手算

據(jù)說(shuō)橋梁史上有些大牛是可以采用純解析的辦法求解復(fù)雜截面的幾何性質(zhì)的。本人不屬于這一類,因此該方法不做介紹。

兩類復(fù)雜問(wèn)題

在橋梁工程專業(yè)中,通常遇到的最復(fù)雜的截面有兩類:一是組合截面,二是鋼橋中經(jīng)常使用的薄壁鋼箱梁。

對(duì)于組合截面,在Midas/Civil中組合截面可以采用Midas/Civil的“聯(lián)合截面”或“截面特性計(jì)算器”中通過(guò)“composite section”生成并計(jì)算;在Ansys中,通過(guò)選擇不同部分的幾何形狀并賦予不同的材料屬性來(lái)生成;

對(duì)于薄壁鋼箱梁,在Midas/Civil中主要采用“截面特性計(jì)算器”的“l(fā)ine”型截面定義并生成;在Ansys中則需要結(jié)合AutoCAD,生成不同的面域,通過(guò)面-面的拓?fù)潢P(guān)系生成薄壁截面,再調(diào)試網(wǎng)格大小,劃分后獲得。由于操作復(fù)雜、技巧繁多,茲不詳述。有感興趣的同學(xué)可以私信我。

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