截面特性如何計算——從橋梁學子視角看開去

2016-10-29 by:CAE仿真在線來源:互聯網

橋梁系的同學怎樣計算截面特性

隨著專業學習的深入,截面特性將越來越多地出現在我們的專業學習、作業和各種各樣的任務中。因此,能夠迅速、準確地獲得截面特性成為你能夠完成工程分析的基本技能。本期給您帶來作為橋梁系的同學,應該逐漸習得的截面特性的計算方法。這些方法對于橋梁系同學的多種課程設計、后續專業課、畢業設計等會非常實用。(其實各個方向及專業的同學都可以借鑒使用,只是筆者為橋梁學子,切身感受)

1. 常用公式+簡化計算
比如我們在混凝土橋梁中經常遇到的T形或I形截面梁,其實可以近似地分成幾個矩形,然后按照面積=長*寬進行計算,截面慣性矩也可以結合矩形的慣性矩公式+平行移軸公式(+轉軸公式)進行計算。如果你覺得按計算器麻煩,當然也可以采用Excel埋入公式進行表格法計算。實際設計中用到的T形或I形截面有倒角、圓角,并非嚴格的矩形組合體,但是在通常的分析中(特別是初步設計時),上述簡化的精度可以接受。
2. AutoCAD計算
AutoCAD應該是學工程的同學使用頻率極高的繪圖軟件,也是進行設計、尺寸布置等的必備工具。其實AutoCAD可以進行截面特性的計算。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,還需要在幾個面域之間進行布爾運算。計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、慣性積和旋轉半徑,均是截面針對AutoCAD的總體直角坐標系x、y軸的,而往往我們需要的是截面關于自身形心主軸的。關于自身形心主軸的慣性矩在輸出窗口的最下:“主力矩與質心的x-y方向”,而關于形心的截面旋轉半徑需要依此自行計算。此處切勿濫用!
AutoCAD計算截面特性的有點在于方便快捷,融繪圖與計算于一體,無需數據導來導去,精度較高。缺點在于不能計算與截面扭轉性能有關的各種特性,也無法處理組合截面。
3. Midas/Civil計算
Midas/Civil是橋梁工程專業后續學習、日后從事設計工作最常用的專用有限元設計分析軟件之一,如果在本科階段即開始學習并逐漸應用,對后續學習及日后的工作將大有幫助。
Midas/Civil計算截面特性主要有兩種途徑:在主程序中采用“截面特性”輸入及計算功能或采用Midas/Civil自身配帶的“截面特性計算器”,兩者均很方便且功能強大。
主程序中的“截面特性”輸入及計算功能,將橋梁工程常見的各種類型截面編入數據庫,使用者指定尺寸單位,并對照圖示輸入各部分的具體尺寸,即可實現截面的實時顯示和截面特性的計算與列表。列表可以與Excel相互粘貼,編輯非常方便。其中的“聯合截面”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“截面特性計算器”,是一個專門用來計算各類截面特性的工具。“截面特性計算器”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dxf文件格式導入AutoCAD繪制的截面。“截面特性計算器”除了可以繪制各種復雜外形的截面外,還可以通過“composite section”定義、生成并計算組合截面(即由不同材料組成的截面)。
Midas/Civil計算截面特性更貼近工程應用的需要。其計算速度快,精度高,且可以輸出面積、形心位置、慣性矩、剪切面積以及扭轉剛度等,這是AutoCAD難以做到的。
Midas/Civil主程序截面特性計算窗口如下:
4. Ansys計算
Ansys是當前大型商用通用有限元軟件中使用范圍最廣泛的一個,其求解功能強大、性質穩定、可控度高,能夠滿足工程分析的相當一部分需要。采用Ansys計算截面特性,特別是復雜截面的特性是高水平工程技術人員的素質。
與Midas/Civil一樣,Ansys本身也具有很強大的建模功能,可以自行繪制截面,也可以通過sat文件或iges文件與AutoCAD進行交互。然后采用plane82平面單元或mesh200網分單元進行網格劃分并通過積分得到截面特性。Ansys比起Midas/Civil在截面特性計算上更增強了一點,就是除了與Midas/Civil一樣能計算得到截面扭轉剛度以外,還能準確地得到截面扭轉中心的位置坐標,從而便于進行扭轉方面的各種分析。
Ansys計算截面特性的圖示如下:
5. 大神方法——純手算