ANSYS软件在力学系列课程中的应用研究

张晓磊 王丽妍 郑德库 赵妍

【摘 要】在电力专业的力学课程教学中，铁塔结构是专业相关的实际工程结构，属于复杂力学问题。本文利用ANSYS软件，建立符合实际的铁塔结构有限元模型，对其进行了风荷载的静力分析，得出了位移和内力，通过云图直观的给出了分析结果。本课题将ANSYS仿真软件引入到力学系列课程辅助教学中，这将会使力学实践与力学理论相结合，使教学过程更加完善，内容更加丰富，从而激发学生的求知欲，该课题强化了对学生理论联系实际的培养，提升了学习效果。

【关键词】ANSYS；杆塔；结构分析

中图分类号：G712 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）28-0104-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.28.046

【Abstract】In the mechanics course teaching of electric power major， the structure of tower is a practical engineering structure related to this major， which is a complex mechanics problem. In this paper. we use ANSYS software to establish a model of tower structure and carry out a static analysis under wind load. The displacement and internal force are obtained， and the analysis results are given intuitively through the nephograph. In this paper， the ANSYS software is introduced into the teaching of mechanics course， which makes the mechanics practice combined with mechanics theory， makes the teaching process more complete and the content more abundant， thus stimulating students 'thirst for knowledge. This topic strengthens the cultivation of students 'theoretical connection with practice and improves the learning effect.

【Key words】ANSYS； Tower； Structural analysis

0 前言

理论力学、材料力学和结构力学三大力学构成了力学系列核心课程。力学课程对于一般工科专业来说是专业基础课主干课程，尤其对于电力、热能、土木、机械等专业，力学课程是作为必修课进行讲授。目前，在力学课程的教学中，学生接触到的教材上的例题或者是习题都是实际工程所抽象出的计算简图，而实际的工程实例是比较少的；静止的板书绘图或者PPT演示图相对较多，而动态的讲解演示的素材相对比较少。因此，对于教师和学生来说，力学系列课程的讲授和学习都是充满挑战的，需要进一步的探索[1-2]。

输电线路相关课程是电力专业课程的主要组成部分，而在输电线路课程中，铁塔结构是其重要组成部分。不论从铁塔的结构形式来说，还是其所承受的荷载形式来说，通过手算来准确的求取结构位移和杆件内力是十分复杂的。本文将ANSYS软件引入到力学系列课程中，运用APDL参数化语言进行命令流的编写，通过对铁塔结构的仿真模拟，运用图形直观的显示结构的模型、荷载、位移和内力的结果，弥补了学生在理论联系实际方面的不足，使学生更好的掌握和理解力学知识及专业知识，帮助学生拓展思维，为综合性人才的培养打下基础。

1 ANSYS软件介绍

ANSYS 软件是一种大型通用有限元軟件，其在结构、流体、电流、磁场、声场应用分析领域应用较为广泛。通常在利用ANSYS软件对结构分析时，其过程包括三个基本步骤[3]。首先是前处理，其目的是建立符合工程实际的有限元模型；其次是对结构施加载荷、同时设置相关的求解参数并进行求解；最后是对计算结果进行后处理，包括进入后处理器读入计算结果、进行后处理操作、输出后处理操作结果这三个环节。

2 ANSYS软件在力学中的应用实例

2.1 输电铁塔有限元模型的建立

该实例以实际输电铁塔相关工程为研究背景，铁塔为同塔四回路钢管角钢组合塔，塔全高为70.3m，铁塔呼称高为45m，根开为15m。导线为铝包钢芯铝合金绞线，型号JLHA2/LB14-630/45，选取分裂导线（双分裂），塔顶架设2根地线，其型号为JLHA2/LB14-95/55。设计风速为35m/s，A类地貌。该钢管角钢组合塔主材使用Q345钢管，其它材料采用Q235等边角钢。采用BEAM188单元和LINK8单元模拟各钢管及角钢杆件。杆件材料的弹性模量和泊松比分别取206 GPa和0.3。铁塔的有限元模型见图1[4-5]。

2.2 输电铁塔荷载的施加

铁塔在90°平均风荷载作用下，塔脚为固定约束，经过计算，施加于铁塔上的荷载示意图如图2所示。

2.3 铁塔在90°平均风荷载作用下的静力分析

利用ANSYS软件对铁塔在90°平均风荷载作用下的静力分析计算得出图3（a）位移云图和图3（b）结构轴力云图。由图3（a）位移云图可以得出铁塔结构的最大位移为186.46mm，其位置出现在塔顶。图3（b）为结构轴力云图，由图3（b）可以得出铁塔结构的最大轴力为1305.8kN（受压），其位置出现在右侧塔腿。铁塔结构经过静力分析不但可以得到图形结果，还可输出列表的数据结果，通过对位移和轴力的考察，可以判断铁塔结构的强度和刚度是否满足要求。经过分析计算，本铁塔不论从结构位移还是结构强度上都是满足规范要求的[6]。

3 结语

通过上述工程实例的计算分析，可以看出运用ANSYS软件求解一些复杂的力学问题时，能够得到较好的效果，另外分析结果可以通过云图的形式直观的显示出来，这使得使抽象的力学问题变得具体。该教学方法将力学知识与工程实例相结合，有助于提高学生理论联系工程实际的能力，有助于培养学生独立解决具体工程问题的能力；另外，该教学方法还能调动学生学习的主动性和积极性，激发学生对力学知识的求知欲；最后，该教学方法弥补了传统力学课程中教法的不足，进一步完善了多样化教学模式，丰富了教学的内容。因此，将ANSYS仿真软件引入教学中，必将为该类课程课堂教学质量带来较大的提升，值得在本专科相关力学系列课程中应用推广。

【参考文献】

[1]翁剑成.ANSYS在理论力学教学中的应用[J].韶关学院学报，2015，36（12）：77-80.

[2]李军民，程新龙.ANSYS软件在梁的弯曲中的辅助教学[J].安阳工学院学报，2015（4）：114-116.

[3]葛仁余.ANSYS在材料力学的弯曲变形教学中的运用[J].科技视界，2014（15）：156-156.

[4]张晓磊，鞠彦忠.四回路钢管角钢组合塔的风振响应时程统计分析[J].结构工程师，2014（5）：124-129.

[5]鞠彦忠，张晓磊.四回路钢管角钢组合塔的风振响应分析[J].应用基础与工程科学学报，2014（5）：964-975.

[6]上海市建设和交通委员会.高耸结构设计规范[M].中国计划出版社，2007.