探讨力学课程当中CAE技术的运用

关键词： ANSYS和MIDAS CAE软件 力学课程 结构分析

国外的力学课程是按照“基础，必修”这两条标准进行选择的，各个学校基础力学的学分占总学分比例均在10%以上。在国内，土木工程专业力学课程学分占总学分的比例平均为8.2%，虽然国内大学在土木工程专业中基础力学的教学比重是低于国外的，但是力学课程在本科教学课程还是占有很大的比重。力学课程具有知识点多，理论推导复杂，概念抽象，公式多，难度大的特点，学生很难深入的研究力学计算简图与实际工程之间的联系，无法解决工程实践问题。

1、ANSYS在连续梁结构中的内力分析

计算算例，两跨连续梁，跨度为6m，第一跨上均布荷载为4.5kN/m，作用在第二跨跨中的集中荷载为8kN，EI=156N·m2，试对连续梁进行内力分析。

1.1 有限元模型的建立

用ANSYS软件进行连续梁有限元模型建立时，采用beam4梁单元结构单元类型，梁采用C50混凝土，弹性模型为3.45e7kPa，泊松比为0.2，主梁截面的实常数定义为“r，1，0.06，0.0002，0.00045，0.3，0.2，，rmore，，0.00065”，梁的单元长度为1m。

1.2 结果分析

在连续梁模型建立的基础上进行加载，开始连续梁结构的求解，定义单元表命令“ETABLE，A2，SMISC，2”和“ETABLE，A8，SMISC，8”，采用命令“PLLS，A2，A8”绘制剪力图；定义单元表命令“ETABLE，A6，SMISC，6”和“ETABLE，A12，SMISC，12”，采用命令“PLLS，A6，A12”绘制弯矩图，连续梁的弯矩图如图1所示。

可以看出，原点处的截面弯矩为正的最大弯矩，其值为12.85kN·m；距原点8.72m处截面弯矩为负的最大值，其值为6.86kN·m。可以看出，原点处的截面剪力值为-12.43kN，为负的最大剪力值；在距原点6m的截面剪力值由11.57kN突变至-5.93kN，其中11.57kN为正的最大剪力；在距原点9m的截面剪力值由-5.93kN突变至2.42kN，其中2.42kN为最小的剪力值。

2、ANSYS在悬臂梁结构中的应力分析

悬臂梁的跨度10m，梁上的均布荷载为8kN/m，主梁截面为矩形截面，材料为C50混凝土。

2.1 有限元模型的建立

利用ANSYS软件进行悬臂梁有限元模型建立时，采用SOLID45实体单元定义主梁，采用“BLC5，0，0，0.2，0.2，10”定义主梁的截面尺寸；采用“ESIZE，0.1”，“MSHKEY，1”，“VMESH，ALL”命令进行实体单元的划分。

2.2 结果分析

对悬臂梁模型进行加载，进行悬臂梁结构的求解计算，定义命令“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”显示支座截面X，Y和Z方向的应力分布。梁截面x方向的最大正应力为11076kPa，最大负应力为11179kPa；梁截面y方向的最大正应力为66096kPa，最大负应力为6713kPa；梁截面z方向的最大正应力为60326kPa，最大负应力为60856kPa。3MIDAS在简支梁结构中的内力分析简支梁的标准跨径为20m，主梁截面为T型截面，采用C50混凝土，试分析简支梁在车辆荷载作用下的内力。

3、MIDAS在简支梁结构中的内力分析

简支梁的标准跨径为20m，主梁截面为T型截面，采用C50混凝土，试分析简支梁在车辆荷载作用下的内力。

3.1 有限元模型的建立

为了分析MIDAS在移动荷载作用下结构的内力，以简支梁为计算模型，通过定义材料、截面，建立节点、生成单元，定义边界条件，施加自重和二期荷载步骤建立有限元模型。

3.2 结果分析

通过选择移动荷载规范，定义车道和车辆，移动荷载工况三个步骤实现移动荷载的定义，运行计算可得到简支梁截面量值的影响线，由截面剪力影响线可知，跨中截面剪力影响线是由左直线和右直线两部分组成，左右两直线部分平行。由截面弯矩影响线可以看出，跨中截面弯矩影响是由左、右两段直线组成，并且当移动荷载作用在跨中截面时，此截面的弯矩为5m。

4、结论

其他力学课程的重点内容，比如理论力学的运动学和动力学可以通过SOLIDWORKS以及ANSYSWROKBENCH进行分析；材料力学杆件的强度、刚度稳定性问题可以通过SAP2000和ABAQUS软件分析；力学课程的实验可以通过ABAQUS软件进行演示。