桥梁结构cae仿真技术

科学技术　ＣＡＥ技术在制造业中的发展　姜兰兰　（东营职业学院，山东东营２５７０９１）　摘要：制造业和信息化产业是国民经济的支柱产业，ＣＡＥ仿真技术则是制造技术和信息技术结合的桥梁。ＣＡＥ仿真技术是２１世纪制造业的一项　关键性支撑技术。　关键词：ＣＡＥ；制造业；发展　１引肓　近年来，随着计算机仿真技术的飞速发展，各种各样的仿真软　件不断诞生，功能也日渐强大和完善。计算机仿真主要可以分为ＣＡＤ　类（如ＵＧ、ＣＡＴＩＡ、ＡｕｔｏＣＡＤ、Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ、Ｐｒｏ／Ｅ等）、ＣＡＥ类（有　限元软件￣ＮＮａｓｔｒａｎ、Ａｂａｑｕｓ、Ｈｙｐｅｒ—ｗｏｒｋｓ、Ａｎｓｙｓ等；ＣＦＤ软件如　Ｆｌｕｅｎｔ、Ｓｔａｒ－ＣＤ等；还有多体动力学仿真软件Ａ　ｓ等）、ＣＡＭ类（如　Ｍａｓｔｅｒｅａｍ等）等。其中ＣＡＥ技术在现代制造业的发展中发挥着重要作　用。　２　ＣＡＥ的概念曩其发展历程　ＣＡＥ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ａｉｄｅｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）从字面上讲是计算机辅助工　程，其概念很广，可以包括工程和制造业信息化的所有方面。　２Ｏ世纪６Ｏ一７Ｏ年代，有限元技术主要针对结构分析进行发展，以　解决航空航天技术中的结构强度、刚度以及模态实验和分析问题。世　界上ＣＡＥ的三大公司先后成立，致力于大型商用ＣＡＥ软件的研究与开　发。　１９６３年ＭＳＣ公司成立，开发称之为ＳＡＤＳＡＭ（Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｂｙ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ａｎａｌｏｇ　Ｍｅｔｈｏｄｓ）结构分析软件。１９６５年ＭＳＣ参与美　国国家航空及宇航局（ＮＡＳＡ）发起的计算结构分析方法研究，其程序　ＳＡＤｓＡＭ更名为ＭＳＣ／Ｎａｓｔｒａｎ。　１９６７年Ｓｔｒｕｃｔｒａｌ　Ｄｙｎａｍｉｃｓ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（ＳＤＲＣ）公司成立。　并于１９６８年发布世界上第一个动力学测试及模态分析软件包，１９７１年　推出商用有限元分析软件ｓｕｐｅｒｔａｂ（后并入Ｉ—ＤＥＡＳ）。　１９７０年Ｓｗａｎｓｏｎ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　Ｓｙｓｔｅｍ，Ｉｎｃ．（ＳＡＳＩ）公司成立，后来重组　后改为称ＡＮｓＹＳ公司，开发了ＡＮＳＹＳ软件。　２０世纪７Ｏ一８Ｏ年代是ＣＡＥ技术的蓬勃发展时期，这期间许多ＣＡＥ软　件公司相继成立。如致力于发展用于高级工程分析通用有限元程序的　ＭＡＲＣ公司；致力于机械系统仿真软件开发的ＭＤＩ公司；针对大结构、　流固耦合、热及噪声分析的ｃｓＡＲ公司；致力于结构、流体及流固耦合　分析的ＡＤＩＮＤ公司等等。　在这个时期，有限元分析技术在结构分析和场分析领域获得了很　大的成功。从力学模型开始拓展到各类物理场（如温度场、电磁场、　声波场等）的分析，从线性分析向非线性分析（如材料为非线性、　几何大变形导致的非线性、接触行为引起的边界条件非线性等）发　展，从单一场的分析向几个场的耦合分析发展。出现了许多著名的分　析软件￣ＩＮａｓｔｒａｎ、Ｉ－ＤＥＡＳ、ＡＮＳＹＳ、ＡＤＩＮＤ、ＳＡＰ系列、ＤＹＮＡ３Ｄ、　ＡＢＡＱＵＳ等。软件的开发主要集中在计算精度、速度及硬件平台的匹　配，使用者多数为专家且集中在航空、航天、军事等几个领域。从软　件结构和技术来说，这些ＣＡＥ软件基本上是用结构化软件设计方法，　采用ＦＯＲ１　Ｎ语言开发的结构化软件，其数据管理技术尚存在一定的　缺陷，运行环境仅限于当时的大型计算机和高档工作站。　进入２Ｏ世纪９Ｏ年代以来，ＣＡＥ开发商为满足市场需求和适应计算　机硬、软件技术的迅速发展，对软件的功能、性能，特别是用户界面　和前后处理能力进行了大幅扩充，对软件的内部结构和部分模块，特　别是数据管理和图形处理部分，进行了重大改造，使得ＣＡＥ软件在功　能、性能、可用性和可靠性以及对运行环境的适应性方面基本满足了　用户的需要，它们可以在超级并行机、分布式微机群、大、中　小、　微各类计算机和各种操作系统平台上运行。　３　ＣＡＥ在制造业应用现状　目前，ＣＡＥ软件在国内主要应用于汽车、电子、航空航天、土木　工程、石油等行业，在汽车行业的应用尤为广泛。软件的类型主要包　括通用前后处理软件、通用有限元求解软件和行业专用软件。汽车行　业在国外是有限元软件的主要应用行业，其所涉及的专业领域相当广　泛，并且应用历史长、应用成熟度高。　国内常见的前后处理软件包括Ａｌｔ血公司的ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ、ＥＤＳ公司的　ＦＥＭＡＰ和ＭＳＣ公司的Ｐａｔｒａｎ，这些软件在美国的汽车厂商中都有着广泛　的应用。这些前后处理软件都具有良好的接口，可与众多的有限元求　解软件相结合，以便用户更快、更方便地解算问题。　近年来，分析软件正朝着多物理场的方向发展。例如，ＡＮＳＹＳ公　司收购ＣＦＸ流体软件，并加强与ＥＭＳＳ公司的合作，不断加强其多物理　场耦合的功能。同源于ＳＡＰ的ＡＤＩＮＡ；（￣流固耦合上则非常有特色。由于　解算多物理场问题更多是从物理方程出发，因此另外还有一些软件在　这方面有着良好的应用，比￣ＩＩＭａｔｈＷｏｒｋｓ公司在数值计算软件ＭＡＴＬＡＢ　基础上发展起来的ＦＥＭＬＡＢ，又如国内飞箭公司针对微分方程的ＦＥＰＧ　系统。　此外，专用有限元软件受其应用领域的限制，只能在各自的行业　领域得到应用。例如，ＭＡＧＭＡ公司的ＭＡＧＭＡ系列铸造软件，可进行　各种金属材料浇铸、流动性、固化、压力、应力、温度及热平衡的仿　真分析。工程师可根据计算结果更改设计，调整帽口的位置和数量，　进而提高铸造质量。法国ＥｓＩ公司的ＰｒｏＣＡＳＴ，软件功能与ＭＡＧＭＡ大同　小异。另外还有在锻造领域应用比较多的Ｄｅｆｏｒｍ系统，也得到了国内　很多企业的认可。　在板材成型行业里，有ＡＵＴＯＦＯＲＭ系列软件，该软件单元架　构基于膜单元形式，因此其运算速度在同行业内相对较快。ＭＳＣ／　ＤＹＴＲＡＮ，其特有的材料流动性分析可直观地预测出冲压件厚度及应　力分布、开裂和皱褶的形成等。另外，来自ＥＴＡ公司的ＤＹＮＡＦＯＲＭ　可以预测成形过程中板料的破裂、起皱、减薄、划痕和回弹，评估板　料的成形性能，从而为板料成形工艺及模具设计提供帮助。由于这　一类分析工作与模具设计有着非常大的关联，因此以上这些软件都　注重与ＣＡＤ软件的接口，基本都与流行的三维设计软件ＣＡＴＩＡ、Ｐｒｏ／　ＥＮＧＩＮＥＥＲ和ｕＧ有着良好的接口，软件的使用操作也都比较方便。　另外，在汽车行业应用中，经常要对整车进行机械动力学仿真，　在这一领域中，国内常见的软件有Ｍｓｃ／ＡＤＡＭＳ。其被广泛用来进行汽　车操纵稳定性、汽车行驶平顺性的动态仿真。另外在国内应用比较广　泛的还有美国ＥＴＡ公司的ＶＰＧ（Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｐｒｏｖｉｎｇ　Ｇｒｏｕｎｄ）虚拟试验场。　从总体上讲，ＣＡＥ技术的发展趋势是变量化、智能化、三维化、　集成化、网络化和标准化。　４结束语　、　制造业是国民经济的支柱产业，在制造业中应用ＣＡＥ技术最直接　的效果是缩短研发时间和成本，使设计人员通过现有的知识对产品　实现过程作出可靠的预测，大大促进了产品设计、过程设计、过程运　行，甚至企业管理水平的提高。　作者简介　姜兰兰（１９７８一），女，山东威海市人，硕士，现就职于山东东营职　业学院，讲师，主要从事机械设计与自动化方面的教学、研究工作。　所以我国机床企业必须奋发图强，不断扩大技术队伍和提高人员的技　术素质，学习和引进国外技术的先进科学技术，以便早日赶上世界先　进水平。　．．２２８．．　参考文献　［１］戴同．ＣＡＤ／ＣＡＰＰ／ＣＡＭ基本教程．机械工业出版社．１９９７．４　［２］薛劲松宋宏等．ＣＩＭＳ￣总体设计．机械工业出版社．１９９７．４　【３］数控加工编程的理论基础浏雄伟．机械工业出版社．

！　专家视点　・　

土木工程与ＣＡＥ技术应用　

张其林　

土木工程是一门古老而传统的学科。早期的土木工程材料为土、木、石，设计建造基　

本依据经验。工业革命以后，钢筋混凝土和钢材成为土木工程的主流材料，设计建造必须　

依据数学和力学原理。土木工程学科的研究宗旨是在数力学研究成果和工程实践之间构　

建一座桥梁，而支承这座桥梁的３大支柱为理论分析、实验研究和计算机应用。其中，计　

算机应用所起的作用和所占的比重越来越大，大型数学推导软件和通用力学分析软件正　

在承担和替代着越来越多的原本属于理论分析和实验研究的功能。　

土木工程中的ＣＡＥ技术应用有６个层面：（１）通用数值计算模拟；（２）专业规范辅助　

设计；（３）图形生成绘制；（４）辅助制造；（５）概预算及工程算量；（６）材料采购和建造管理。　

我国是当今世界土木工程建设的热点地区，因而也是土木工程计算机应用领域的大国，但　

遗憾的是，在这一领域我国远非强国。首先，在通用数值计算模拟层面，种种原因导致我　

国专业人才精于细节和微观的技术研究，疏于统筹和宏观的管理规划，尽管我国研发、推　

广和应用的起步不是很晚，但基本上已尽失通用力学分析软件市场。其次，在通用二维和　

三维图形的生成绘制层面，无论是政府、学术研究单位还是企业，在很长一段时间内都没　

有创建自主品牌的意识，国内市场均为境外系统所垄断。再次，辅助制造系统与机电制造　

行业密切相关，在这一层面我国与先进国家仍有很大差距。最后，我国学术研究单位在材　

料采购和建造管理层面还没有清晰概念时，发达国家已经以天价成功地向我国建造企业　

推广他们的成熟产品。　

当然，在部分专业性很强的领域里，因为水土不服，境外软件和系统很难与国内自主　

品牌的产品竞争。例如，在需要内置国内设计规范的辅助设计（ＣＡＤ）层面，在需要依据国　

家定额标准的概预算及工程算量层面，目前还是国内软件和系统一统天下。但是，我们也　

门。，

　维普资讯 不能高枕无忧，境外产品正在试图通过垄断产品的功能延伸和高技术平台强挤市场份额。　

常用CAE分析简介

1. 有限元分析（FEA）：有限元分析是一种将复杂结构分解为简单单元的方法，通过求解这些单元的力学行为，从而得到整个结构的力学性能。有限元分析广泛应用于结构分析、热分析、流体分析等领域，可以帮助工程师评估设计的强度、刚度、稳定性等性能指标。

2. 计算流体动力学（CFD）：计算流体动力学是一种利用数值方法模拟流体流动问题的方法。通过CFD分析，工程师可以了解流体在特定条件下的速度、压力、温度等参数，从而优化设计，提高设备的性能。CFD分析广泛应用于航空航天、汽车、化工、建筑等领域。

3. 多体动力学（MBD）：多体动力学是一种模拟多个刚体之间相互作用的力学分析方法。通过MBD分析，工程师可以研究机械系统的运动特性、动力学性能和振动特性，从而优化设计，提高设备的可靠性。MBD分析广泛应用于汽车、、航天器等领域。

4. 优化设计：优化设计是一种在满足一定约束条件下，寻找最优设计方案的方法。通过优化设计，工程师可以在保证产品质量的前提下，降低成本、提高性能。优化设计方法包括线性规划、非线性规划、遗传算法等。

5. 可靠性分析：可靠性分析是一种评估产品在使用过程中发生故障的概率的方法。通过可靠性分析，工程师可以了解产品的故障模式和故障原因，从而优化设计，提高产品的可靠性。可靠性分析方法包括故障树分析、故障模式与影响分析等。 CAE分析在工程领域具有广泛的应用，可以帮助工程师在设计阶段发现潜在问题，优化设计，提高产品质量和降低成本。随着计算机技术的不断发展，CAE分析将在未来发挥越来越重要的作用。

6. 热分析：热分析是一种评估产品在温度变化下的热传导、热对流和热辐射性能的方法。通过热分析，工程师可以了解产品在不同温度条件下的热性能，从而优化设计，提高产品的热效率和热稳定性。热分析广泛应用于电子设备、汽车、航空航天等领域。

7. 声学分析：声学分析是一种评估产品在声波作用下的声学性能的方法。通过声学分析，工程师可以了解产品在不同频率下的声压级、声强级和声功率级等参数，从而优化设计，提高产品的声学性能。声学分析广泛应用于音响设备、建筑声学、汽车噪声等领域。

󰀁第31卷󰀁第3期2005年6月四川建筑科学研究SichuanBuildingScience󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

󰀁󰀁

收稿日期:2004-05-10作者简介:段󰀁凯(1979-),男,湖北武汉人,工学硕士,主要从事桥梁结构及有限元数值计算方面的研究。用ANSYS软件计算桥梁结构的温度应力

段󰀁凯1,杨新华1,杨文兵1(华中科技大学土木工程与力学学院,湖北武汉󰀁430074)

摘󰀁要:温度应力是混凝土桥梁开裂的主要因素,曾造成多座预应力混凝土桥梁结构严重损害,所以在进行桥梁结构设计时,必须考虑温度应力的影响。本文在分析桥梁结构温度应力基本特点和ANSYS软件特性的基础上,利用ANSYS软件及其提供的二次开发工具开发了一个计算模块,实现了桥梁结构温度应力的求解。关键词:温度应力;ANSYS软件;桥梁结构中图分类号:TU311󰀁41󰀁󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁󰀁文章编号:1008-1933(2005)03-0055-05

1󰀁概󰀁述

暴露在自然环境中的混凝土结构,受到周围环

境气温以及日照等因素影响,外表面温度可能发生

急变(升高或降低)。由于混凝土材料的导热系数小

(一般仅为黑色金属的几十分之一),混凝土内部的

温度变化非常缓慢,从而产生明显的滞后现象,并且

在混凝土结构内部形成较大的温度梯度。当由此产

生的温度变形被结构的内、外约束阻碍时,会产生相

当大的温差应力。在混凝土桥梁结构中,温度应力

有时甚至比活载产生的应力还要大,不少预应力混

凝土桥梁因此发生严重裂损。随着大跨度预应力混

凝土箱形桥梁结构的发展,温度应力对桥梁结构的

影响和危害越来越大,因此在桥梁结构设计中,必须

考虑温度应力的影响。

目前,桥梁结构温度应力的计算基本上采用力等效原理,由于过于简化,在处理复杂温度场时面临

很大困难;计算使用的桥梁专用程序大多基于二维

有限元理论,难以考虑梁的空间效应。近十几年来,

随着计算机技术的日益发展和有限元法的广泛应