【ANSYS 算例】3.4.2(1) 基于图形界面的桁架桥梁结构分析(step by step)
下面以一个简单桁架桥梁为例，以展示有限元分析的全过程。背景素材选自位于密执
安的"Old North Park Bridge" (1904 - 1988)，见图 3-22。该桁架桥由型钢组成，顶梁及侧梁，
桥身弦杆，底梁分别采用 3 种不同型号的型钢，结构参数见表 3-6。桥长 L=32m,桥高 H=5.5m。
桥身由 8 段桁架组成，每段长 4m。该桥梁可以通行卡车，若这里仅考虑卡车位于桥梁中间
位置，假设卡车的质量为 4000kg，若取一半的模型，可以将卡车对桥梁的作用力简化为 P
1
，
P
2
和 P
3
，其中 P
1
= P
3
=5000 N, P
2
=10000N，见图 3-23。
图 3-22 位于密执安的"Old North Park Bridge" (1904 - 1988)
图 3-23 桥梁的简化平面模型(取桥梁的一半)
表 3-6 桥梁结构中各种构件的几何性能参数
构件
惯性矩 m
4
横截面积 m
2
顶梁及侧梁(Beam1)
6 4
3.83 10 m
-
´
3 2
2.19 10 m
-
´
桥身弦梁(Beam2)
6
1.87 10
-
´
3
1.185 10
-
´
底梁(Beam3)
6
8.47 10
-
´
3
3.031 10
-
´
解答 以下为基于 ANSYS 图形界面(Graphic User Interface , GUI)的菜单操作流程。
(1) 进入 ANSYS（设定工作目录和工作文件）
�� 程序 → ANSYS → ANSYS Interactive → Working directory（设置工作目录）→ Initial jobname
（设置工作文件名）:TrussBridge → Run → OK
(2) 设置计算类型
��ANSYS Main Menu：Preferences… → Structural → OK
(3) 定义单元类型
ANSYS Main Menu：Preprocessor → Element Type → Add/Edit/Delete... → Add…→ Beam: 2d elastic
3 → OK（返回到 Element Types 窗口）→ Close
(4) 定义实常数以确定梁单元的截面参数
ANSYS Main Menu: Preprocessor → Real Constants…→ Add/Edit/Delete → Add…→ select Type 1
Beam 3 → OK → input Real Constants Set No. : 1 , AREA: 2.19E-3，Izz: 3.83e-6(1 号实常数用于顶梁和
侧梁) → Apply → input Real Constants Set No. : 2 , AREA: 1.185E-3，Izz: 1.87E-6 (2 号实常数用于弦杆) →
Apply → input Real Constants Set No. : 3, AREA: 3.031E-3，Izz: 8.47E-6 (3 号实常数用于底梁) → OK
(back to Real Constants window) → Close (the Real Constants window)
(5) 定义材料参数
ANSYS Main Menu: Preprocessor → Material Props → Material Models → Structural → Linear →
Elastic → Isotropic → input EX: 2.1e11, PRXY: 0.3(定义泊松比及弹性模量) → OK → Density (定义材
料密度) → input DENS: 7800, → OK → Close（关闭材料定义窗口）
(6) 构造桁架桥模型
生成桥体几何模型
ANSYS Main Menu：Preprocessor → Modeling → Create → Keypoints → In Active CS → NPT
Keypoint number：1，X，Y，Z Location in active CS：0，0 → Apply → 同样输入其余 15 个特征点坐
标（最左端为起始点，坐标分别为 (4,0), (8,0), (12,0), (16,0), (20,0), (24,0), (28,0), (32,0), (4,5.5), (8,5.5),
(12,5.5), (16.5.5), (20,5.5), (24,5.5), (28,5.5)）→ Lines → Lines → Straight Line → 依次分别连接特征点 →
OK
网格划分
ANSYS Main Menu: Preprocessor → Meshing → Mesh Attributes → Picked Lines → 选择桥顶梁及
侧梁 → OK → select REAL: 1, TYPE: 1 → Apply → 选择桥体弦杆 → OK → select REAL: 2, TYPE: 1
→ Apply → 选择桥底梁 → OK → select REAL: 3, TYPE:1 → OK → ANSYS Main Menu：Preprocessor
→ Meshing → MeshTool → 位于 Size Controls 下的 Lines：Set → Element Size on Picked → Pick all →
Apply → NDIV：1 → OK → Mesh → Lines → Pick all → OK (划分网格)
(7) 模型加约束
ANSYS Main Menu: Solution → Define Loads → Apply → Structural→ Displacement → On Nodes
→ 选取桥身左端节点 → OK → select Lab2: All DOF(施加全部约束) → Apply → 选取桥身右端节点 →
OK → select Lab2: UY(施加 Y 方向约束) → OK
(8) 施加载荷
ANSYS Main Menu: Solution → Define Loads → Apply → Structural → Force/Moment → On
Keypoints → 选取底梁上卡车两侧关键点（X 坐标为 12 及 20） → OK → select Lab: FY，Value: -5000
→ Apply → 选取底梁上卡车中部关键点（X 坐标为 16）→ OK → select Lab: FY，Value: -10000 → OK
→ ANSYS Utility Menu：→ Select → Everything
(9) 计算分析
ANSYS Main Menu：Solution → Solve → Current LS → OK
(10) 结果显示
ANSYS Main Menu：General Postproc → Plot Results → Deformed shape → Def shape only → OK
（返回到 Plot Results） → Contour Plot → Nodal Solu → DOF Solution, Y-Component of Displacement
→ OK（显示 Y 方向位移 UY）(见图 3-24(a))
定义线性单元 I 节点的轴力
ANSYS Main Menu → General Postproc → Element Table → Define Table → Add → Lab:
[bar_I], By sequence num: [SMISC,1] → OK → Close
定义线性单元 J 节点的轴力
ANSYS Main Menu → General Postproc → Element Table → Define Table → Add → Lab: [bar_J],
By sequence num: [SMISC,1] → OK → Close
画出线性单元的受力图(见图 3-24(b))
ANSYS Main Menu → General Postproc → Plot Results → Contour Plot → Line Elem Res → LabI:
[ bar_I], LabJ: [ bar_J], Fact: [1] → OK
(11) 退出系统
ANSYS Utility Menu：File → Exit → Save Everything → OK
(a)桥梁中部最大挠度值为 0.003 374m (b)桥梁中部轴力最大值为 25 380N
图 3.24 桁架桥挠度 UY 以及单元轴力计算结果
【ANSYS 算例】3.4.2(2) 基于命令流方式的桁架桥梁结构分析
!%%%%% [ANSYS 算例]3.4.2(2) %%%%% begin %%%%%%
!------注：命令流中的符号$，可将多行命令流写成一行------
/prep7 !进入前处理
/PLOPTS,DATE,0 !设置不显示日期和时间
!=====设置单元和材料
ET,1,BEAM3 !定义单元类型
R,1,2.19E-3,3.83e-6, , , , , !定义 1 号实常数用于顶梁侧梁
R,2,1.185E-3,1.87e-6,0,0,0,0, !定义 2 号实常数用于弦杆
R,3,3.031E-3,8.47E-6,0,0,0,0, !定义 3 号实常数用于底梁
MP,EX,1,2.1E11 !定义材料弹性模量
MP,PRXY,1,0.30 !定义材料泊松比
MP,DENS,1,,7800 !定义材料密度
!-----定义几何关键点
K,1,0,0,, $ K,2,4,0,, $ K,3,8,0,, $K,4,12,0,, $K,5,16,0,, $K,6,20,0,, $K,7,24,0,, $K,8,28,0,, $K,9,32,0,, $K,10,4,5.5,,
$K,11,8,5.5,, $K,12,12,5.5,, $K,13,16,5.5,, $K,14,20,5.5,, $K,15,24,5.5,, $K,16,28,5.5,,
!-----通过几何点生成桥底梁的线
L,1,2 $L,2,3 $L,3,4 $L,4,5 $L,5,6 $L,6,7 $L,7,8 $L,8,9
!------生成桥顶梁和侧梁的线
L,9,16 $L,15,16 $L,14,15 $L,13,14 $L,12,13 $L,11,12 $L,10,11 $L,1,10
!------生成桥身弦杆的线
L,2,10 $L,3,10 $L,3,11 $L,4,11 $L,4,12 $L,4,13 $L,5,13 $L,6,13 $L,6,14 $L,6,15 $L,7,15 $L,7,16 $L,8,16
!------选择桥顶梁和侧梁指定单元属性
LSEL,S,,,9,16,1,
LATT,1,1,1,,,,
!-----选择桥身弦杆指定单元属性
LSEL,S,,,17,29,1,
LATT,1,2,1,,,,
!-----选择桥底梁指定单元属性
LSEL,S,,,1,8,1,
LATT,1,3,1,,,,
!------划分网格
AllSEL,all !再恢复选择所有对象
LESIZE,all,,,1,,,,,1 !对所有对象进行单元划分前的分段设置
LMESH,all !对所有几何线进行单元划分
!=====在求解模块中，施加位移约束、外力，进行求解
/solu
NSEL,S,LOC,X,0 !根据几何位置选择节点
D,all,,,,,,ALL,,,,, !对所选择的节点施加位移约束
AllSEL,all !再恢复选择所有对象
NSEL,S,LOC,X,32 !根据几何位置选择节点
D,all,,,,,,,UY,,,, !对所选择的节点施加位移约束
ALLSEL,all !再恢复选择所有对象
!------基于几何关键点施加载荷
FK,4,FY,-5000 $FK,6,FY,-5000 $FK,5,FY,-10000
/replot !重画图形
Allsel,all !选择所有信息(包括所有节点、单元和载荷等)
solve !求解
!=====进入一般的后处理模块
/post1 !后处理
PLNSOL, U,Y, 0,1.0 !显示 Y 方向位移
PLNSOL, U,X, 0,1.0 !显示 X 方向位移
!------显示线单元轴力------
ETABLE,bar_I,SMISC, 1
ETABLE,bar_J,SMISC, 1
PLLS,BAR_I,BAR_J,0.5,1 !画出轴力图
finish !结束
!%%%%% [ANSYS 算例]3.4.2(2) %%%%% end %%%%%%
【ANSYS 算例】3.2.5(3) 四杆桁架结构的有限元分析
下面针对【典型例题】3.2.5(1)的问题，在 ANSYS 平台上，完成相应的力学分析。即
如 图 3-8 所 示 的 结 构 ， 各 杆 的 弹 性 模 量 和 横 截 面 积 都 为
4 2
29.5 10 N/mmE = ´
,
2
100mmA =
，基于 ANSYS 平台，求解该结构的节点位移、单元应力以及支反力。
图 3-8 四杆桁架结构
解答 对该问题进行有限元分析的过程如下。
以下为基于 ANSYS 图形界面( graphic user interface，GUI)的菜单操作流程；注意：符
号“→”表示针对菜单中选项的鼠标点击操作。关于 ANSYS 的操作方式见附录 B。
1． 基于图形界面的交互式操作(step by step)
(1) 进入 ANSYS(设定工作目录和工作文件)
程序 →ANSYS → ANSYS Interactive →Working directory (设置工作目录) →Initial jobname(设置
工作文件名): planetruss→Run → OK
(2) 设置计算类型
ANSYS Main Menu: Preferences… → Structural → OK
(3) 选择单元类型
ANSYS Main Menu: Preprocessor →Element Type→Add/Edit/Delete… →Add… →Link：2D spar 1
→OK (返回到 Element Types 窗口) →Close
(4)
定义材料参数
ANSYS Main Menu: Preprocessor → Material Props → Material Models → Structural → Linear →
Elastic→ Isotropic: EX:2.95e11 (弹性模量)，PRXY: 0 (泊松比) → OK → 鼠标点击该窗口右上角的“”
来关闭该窗口
(5) 定义实常数以确定单元的截面积
ANSYS Main Menu: Preprocessor →Real Constants… →Add/Edit/Delete →Add →Type 1→ OK→Real
Constant Set No: 1 (第 1 号实常数), AREA: 1e-4 (单元的截面积) →OK→Close
(6) 生成单元
ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling →Creat→Nodes→ In Active CS→Node number 1 →
X:0,Y:0,Z:0 →Apply→Node number 2 → X:0.4,Y:0,Z:0 →Apply→Node number 3 → X:0.4,Y:0.3,Z:0→
Apply→Node number 4 → X:0,Y:0.3,Z:0→OK
ANSYS Main Menu: Preprocessor → Modeling → Create → Elements→Elem Attributes （接受默认
值）→User numbered→Thru nodes→ OK→选择节点 1，2→ Apply→选择节点 2，3→ Apply→选择节
点 1，3→ Apply→选择节点 3， 4→ Apply→OK
(7) 模型施加约束和外载
添加位移的约束，分别将节点 1 X 和 Y 方向、节点 2 Y 方向、节点 4 的 X 和 Y 方向位移约束。
