截面特性如何计算——从桥梁学子视角看开去

2016-10-29 by:CAE仿真在线来源:互联网

桥梁系的同学怎样计算截面特性

随着专业学习的深入,截面特性将越来越多地出现在我们的专业学习、作业和各种各样的任务中。因此,能够迅速、准确地获得截面特性成为你能够完成工程分析的基本技能。本期给您带来作为桥梁系的同学,应该逐渐习得的截面特性的计算方法。这些方法对于桥梁系同学的多种课程设计、后续专业课、毕业设计等会非常实用。(其实各个方向及专业的同学都可以借鉴使用,只是笔者为桥梁学子,切身感受)

1. 常用公式+简化计算
比如我们在混凝土桥梁中经常遇到的T形或I形截面梁,其实可以近似地分成几个矩形,然后按照面积=长*宽进行计算,截面惯性矩也可以结合矩形的惯性矩公式+平行移轴公式(+转轴公式)进行计算。如果你觉得按计算器麻烦,当然也可以采用Excel埋入公式进行表格法计算。实际设计中用到的T形或I形截面有倒角、圆角,并非严格的矩形组合体,但是在通常的分析中(特别是初步设计时),上述简化的精度可以接受。
2. AutoCAD计算
AutoCAD应该是学工程的同学使用频率极高的绘图软件,也是进行设计、尺寸布置等的必备工具。其实AutoCAD可以进行截面特性的计算。在AutoCAD中绘制截面后,采用“region”命令生成面域,然后采用“massprop”命令即可得到选中截面的几何特性。注意,massprop命令使用前必须采用region命令生成面域,生成面域的条件是线条必须封闭,没有缺口也不得有多余的“线头”。若是有空心截面,还需要在几个面域之间进行布尔运算。计算完成后的截面特性输出窗口如下:
此处需要注意的是:该窗口中给出的惯性矩、惯性积和旋转半径,均是截面针对AutoCAD的总体直角坐标系x、y轴的,而往往我们需要的是截面关于自身形心主轴的。关于自身形心主轴的惯性矩在输出窗口的最下:“主力矩与质心的x-y方向”,而关于形心的截面旋转半径需要依此自行计算。此处切勿滥用!
AutoCAD计算截面特性的有点在于方便快捷,融绘图与计算于一体,无需数据导来导去,精度较高。缺点在于不能计算与截面扭转性能有关的各种特性,也无法处理组合截面。
3. Midas/Civil计算
Midas/Civil是桥梁工程专业后续学习、日后从事设计工作最常用的专用有限元设计分析软件之一,如果在本科阶段即开始学习并逐渐应用,对后续学习及日后的工作将大有帮助。
Midas/Civil计算截面特性主要有两种途径:在主程序中采用“截面特性”输入及计算功能或采用Midas/Civil自身配带的“截面特性计算器”,两者均很方便且功能强大。
主程序中的“截面特性”输入及计算功能,将桥梁工程常见的各种类型截面编入数据库,使用者指定尺寸单位,并对照图示输入各部分的具体尺寸,即可实现截面的实时显示和截面特性的计算与列表。列表可以与Excel相互粘贴,编辑非常方便。其中的“联合截面”与施工阶段共同使用,可以定义各种组合截面。
Midas/Civil自身配带的“截面特性计算器”,是一个专门用来计算各类截面特性的工具。“截面特性计算器”本身具有较好的绘图功能,操作与AutoCAD非常类似,可以直接绘制各种截面;也可以通过dxf文件格式导入AutoCAD绘制的截面。“截面特性计算器”除了可以绘制各种复杂外形的截面外,还可以通过“composite section”定义、生成并计算组合截面(即由不同材料组成的截面)。
Midas/Civil计算截面特性更贴近工程应用的需要。其计算速度快,精度高,且可以输出面积、形心位置、惯性矩、剪切面积以及扭转刚度等,这是AutoCAD难以做到的。
Midas/Civil主程序截面特性计算窗口如下:
4. Ansys计算
Ansys是当前大型商用通用有限元软件中使用范围最广泛的一个,其求解功能强大、性质稳定、可控度高,能够满足工程分析的相当一部分需要。采用Ansys计算截面特性,特别是复杂截面的特性是高水平工程技术人员的素质。
与Midas/Civil一样,Ansys本身也具有很强大的建模功能,可以自行绘制截面,也可以通过sat文件或iges文件与AutoCAD进行交互。然后采用plane82平面单元或mesh200网分单元进行网格划分并通过积分得到截面特性。Ansys比起Midas/Civil在截面特性计算上更增强了一点,就是除了与Midas/Civil一样能计算得到截面扭转刚度以外,还能准确地得到截面扭转中心的位置坐标,从而便于进行扭转方面的各种分析。
Ansys计算截面特性的图示如下:
5. 大神方法——纯手算