時間：2023-05-30 08:54:24
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇力學分析的方法，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
關鍵詞：大跨度鋼結構；施工過程；向量式有限元；張拉索單元；千斤頂單元
中圖分類號：TU311.4；TU393.3 文獻標識碼：A
文章編號：1674-2974（2016）03-0048-07
早期的施工力學問題主要存在于橋梁[1-3]和高層建筑[4]中，隨著大跨空間結構、復雜結構的蓬勃發展，結構施工的周期和復雜性都大大增加，而且施工過程與結構最終成型狀態關系更加密切，施工力學問題在大跨度鋼結構中受到了充分的重視，但國外在大跨度鋼結構施工力學問題方面公開發表的文獻較少[5-6].國內對施工力學的研究則主要基于時變力學理論[7]，將施工過程離散為若干施工階段進行分析，常采用生死單元法和分步建模法[8]，將連續的施工過程進行離散化求解.生死單元技術采用一次性建模，然后按照實際施工步驟逐步“殺死”或“激活”單元來模擬整個施工過程結構的受力及變形狀態，避免了單元網格的重新劃分，只需建立一次整體模型，但其缺點是單元被激活后可能發生漂移而與實際的安裝位形不符，出現較大偏差甚至求解不能收斂；分步建模法是按照施工步驟邊建模邊求解，可精確控制施工過程中構件的安裝位形，不存在生死單元技術由于“死”單元的“漂移”而導致剛度矩陣病態的問題，其缺點是每個施工步驟都需導入上個施工步分析的應力狀態作為本次分析的初始應力狀態，重復建模.而且傳統有限元方法在大變形、大變位等這類施工過程中經常涉及到的非線性問題求解方面往往存在較大困難.
向量式有限元[9-11]是一種基于動力學求解的數值方法，它從傳統的牛頓力學出發，建立起一套完整的理論.此方法可以應用于所有符合牛頓定律的力學問題求解，不需求解聯立方程組，不存在非線性求解的收斂問題，尤其適合于動力問題.國內已有部分學者將其引入到結構分析中[12-16]，可以完成諸如大變形、大位移，甚至是剛移等一系列非線性分析.本文利用向量式有限元理論計算與時間的依存性，進行大跨度鋼結構施工力學分析，為大跨度鋼結構的施工力學分析提供了一種新的手段.
1 向量式有限元概述
向量式有限元的理論構架不同于經典結構力學，選擇了一組不同的概念描述和簡化假設.在向量式有限元基本理論中了傳統結構力學中的一些簡化假設，例如剛性桿件、運動和變形的分解以及路徑獨立的過程和靜態解，桿件的變位量和變形量是沒有限制的，而把時間也作為分析的一個變量來考慮.因此，向量式有限元能夠考慮運動進行的全部過程，處理作用力和操作環境持續變化的真實狀況.同時，向量式有限元引入了數值計算方法，避免了多層次的迭代計算，求解過程中不形成剛度矩陣，因此不僅能夠方便地處理大變形、大變位等幾何非線性問題，也能夠處理材料非線性和狀態非線性等不連續行為.
1.1 求解過程
根據牛頓第二定律，對于每個質點有：
2.2 千斤頂單元
大跨度鋼結構在安裝過程中采用支撐胎架，為便于卸載，一般使用千斤頂作為臨時支撐與結構之間的連接，千斤頂在卸載施工中有較大的承載能力，且便于控制.基于千斤頂工作中受壓而不受拉的特點，可采用與張拉索單元類似的模擬方法，建立千斤頂單元的內力計算公式.不同的是，千斤頂單元只能受壓不能受拉，因此，當fA2B2>0時，E0=0.
3 大跨度鋼結構施工力學分析
施工力學分析方法主要包括有限單元法、時變單元法和拓撲變化法等.時變單元法是指離散網格不變，通過單元大小的變化來實現求解區域的變化，但存在數值積分穩定性問題.拓撲變化法應用拓撲學原理用數值手段實現求解區域的變化，但要求時變次數不能太多，否則計算效率不高.有限單元法因為理論成熟，易于程序化，得到了廣泛的應用.但對于大變形、大變位甚至剛移等非線性過程的求解往往很難收斂.本文采用向量式有限元方法，可根據實際施工順序通過確定新增單元或節點，直接建立新增構件加入初始模型進行分析.由于向量式有限元求解本身即為動態求解過程，因此不需調整參數，真實模擬實際施工順序，跟蹤受力和變形過程.
3.1 算例1
如圖3所示的懸臂梁結構，分為4段施工，僅考慮自重荷載，后續構件的安裝按照切線的方式進行.懸臂梁截面規格為H1400 mm×500 mm×10 mm×22 mm，材料彈性模量為2.06×105MPa，密度為7.85×103 kg/m3.
采用大型通用有限元軟件ANSYS中的生死單元法和本文方法分別計算各階段節點撓度，結果如表1所示.考慮在施工過程中，兩者均按照切線方式進行下一步施工，對比生死單元法和本文方法可知，兩者結果相差不大，這表明本文方法是有效的.
3.2 算例2
如圖4所示兩端為鉸支座的索桁架初始態，拉索均為無應力長度，粗實線表示鋼拉桿Φ102 mm×6 mm，彈性模量2.06×105MPa，細實線為拉索Φ20，彈性模量1.6×103 MPa，密度均為7 850 kg/m3，不考慮自重影響.通過張拉AD和CD兩根拉索對索桁架進行預應力張拉，直至最終態（見圖5）.
建立向量式有限元模型，其中桿件BD采用桿單元，拉索AB和CB采用索單元，拉索AD和CD采用張拉索單元.對拉索進行張拉有兩種模擬方式：一是設置阻尼系數，采用擬靜力分析的方法，拉索長度一次變更到原長，忽略拉索長度變化及預應力建立的過程，得到最終成形狀態；二是設阻尼系數為零，采用動力分析的方法，拉索長度以一定的速度逐漸變化至原長，這樣可以跟蹤模擬預應力在整個結構中建立的過程.
圖6和圖7分別給出了采用這2種方法得到的單元內力和節點豎向位移時程曲線，其中阻尼系數為0時，拉索提升速度為4.06 mm/s.
由圖6和圖7可知，當阻尼系數為20時，拉索原長突變，內力和位移曲線均產生振動，但隨著阻尼力的作用逐漸趨于最終結果；當阻尼系數為0時，因為拉索原長以緩慢的速度變化，產生的振動較小，而內力和位移均緩慢增加，最終也達到了平衡狀態.算例表明，采用兩種方法得到的最終結果是一致的，內力為6 933.4 N，豎向位移為250 mm，且與理論解一致.
4 工程實例
南京水利科學研究院河口海岸深水航道試驗大廳屋蓋采用大跨度張弦桁架結構體系，跨度達119.8 m，上部鋼屋蓋支承于下部型鋼混凝土框架柱，一端簡支一端滑動（圖8）.屋蓋由18榀張弦桁架組成，單榀桁架采用倒三角截面立體管桁架形式，矢高7 m，垂度5 m，總高12 m；下弦拉索采用PES7-163纜索，彈性模量1.95×1011MPa，施加預應力1 190 kN.根據工程特點及施工條件，采用單榀桁架帶胎架張拉，支撐胎架與桁架之間通過千斤頂連接，支撐胎架卸載后，桁架沿軸向累積滑移技術進行鋼結構安裝.支撐胎架采用2.0 m×2.0 m格構式標準節，高22.0 m.立桿采用L152×6，橫桿采用L75×6，斜桿采用L100×6，柱頂連梁采用I20a，如圖9所示.
根據實際施工過程，首先在胎架上拼裝上部剛性管桁架，然后掛索并進行張拉，利用向量式有限元可以首先將拉索的彈性模量設為零，分析上部管桁架自重作用下的受力狀態，然后改變索長進行張拉模擬.由于本工程為單榀張拉施工，本文對鋼結構屋蓋端部的第一榀張弦桁架施工張拉過程進行模擬分析，跟蹤結構位形及內力變化.
建立向量式有限元模型，管桁架使用梁單元模擬，撐桿為桿單元，考慮張拉過程實際情況，假定拉索的端部索段為原長可以改變的張拉索單元，以此模擬張拉過程，中間索段為只受拉不受壓索單元.桁架下部采用雙拼格構式支撐胎架，桁架與支撐胎架之間通過千斤頂單元連接.時間步長取為0.000 12 s.
圖10和圖11分別為上部鋼桁架跨中豎向位移和支座節點水平位移時程曲線，圖12和圖13分別為拉索內力和千斤頂內力時程曲線.0～1.2 s為鋼桁架拼裝階段，設阻尼系數為30，擬靜力計算跨中位移逐漸達到靜態穩定；1.2～13.2 s為預應力張拉階段，令阻尼系數為0，進行動態分析，位移和內力逐漸增大，但在6.6 s左右時跨中位移和內力均有突變，這是由于在6.6 s時千斤頂內力變為0，由圖13可知，此時鋼桁架脫架.當時間為13.2～18.0 s時，令阻尼系數為30，位移和內力趨于穩定.最終得到跨中豎向位移為212.4 mm，支座節點水平位移為-77.1 mm，拉索內力為1 193.4 kN，千斤頂內力為零.
圖14和圖15均為采用大型通用有限元軟件ANSYS程序根據目標索力進行找力之后的分析結果，跨中豎向位移和支座水平位移分別為211.0 mm和-76.6 mm.拉索索力為1 190 kN，臨時支撐可以脫架.
5 結 論
1）本文基于向量式有限元的基本理論，推導了張拉索單元和千斤頂單元兩種新型單元，實現了施工力學實時分析，編制了含有張拉索單元和千斤頂單元的結構計算分析程序，實現了預應力張拉過程分析.
2）編制了大跨度張弦桁架張拉施工分析程序，并針對具體工程進行了模擬，驗證了理論推導和程序的有效性.但自編程序的計算效率與傳統有限元相比還有待提高，可優化程度較大.
3）施工力學分析的難點在于施工過程中，結構的幾何、材料和邊界條件等均有可能隨時間變化.相對于傳統有限元分析方法來說，本文提出的分析方法從動力學方程出發，能夠適應大變形、大變位等復雜非線性條件的分析，具有較強的適用性，且能夠跟蹤施工過程中的內力和位移變化情況，得到整個施工過程中內力和位移的動態時程曲線，監控施工過程的安全，對內力和位移較大的桿件與節點進行預警.
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關鍵詞：土木工程大類專業；結構力學；教學內容；教學方法
中圖分類號：TU311；G6420 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909(2012)04-0062-04
1998年10月教育部頒布了《普通高等學校本科專業目錄》，將原土木建筑類的8個專業(建筑工程專業、交通土建工程專業、城鎮建設專業(部分)、礦山建設專業、工業設備安裝工程專業、涉外建筑工程專業、飯店工程專業、土木工程專業)合并為土木工程專業。土木工程學科由20世紀50年代較窄的專業模式轉變為如今的“大土木”模式，現今的“大土木”范疇并不是以前土木工程相關專業的簡單歸并與重復，而是更高意義上的整合和擴展，文章稱之為“土木工程大類專業”。同時，伴隨著中國經濟的快速發展與市場化程度日益深化，土木工程類企業參與國際市場的機遇與挑戰并存，對土木工程大類專業人才的培養質量提出了更高的要求。土木工程大類專業人才培養一直以來存在“專”與“通”的矛盾，即專業技術應用型人才和復合型人才培養的矛盾［1］。
目前，相關教育管理部門、各高校及學者基本形成共識：土木工程大類專業人才的培養應“強基礎、寬口徑、多方向”。其中，“強基礎”是“寬口徑、多方向”的前提，國內開設土木工程大類專業的高校學制4年的總學時一般控制在2 500學時左右,公共平臺課（含公共基礎課、專業基礎課及人文社科選修課）占教學計劃總學時的80%，約2 000學時，基礎課和專業基礎課的學時較為充裕，能較好地滿足土木工程大類專業復合型人才“強基礎”的培養要求。國外土木工程大類專業特別注重力學類課程的學習，如：密歇根州立大學力學類課程為17學分，占總學分(128學分)的13%；佛羅里達大學力學類課程26學分，占總學分(131學分)的20%；威斯康星麥迪遜大學力學類課程24學分，占總學分(125學分)的19%；南加利福尼亞大學力學類課程21學分，占總學分(135學分)的16%。力學類課程在總學分中所占的比重高是“強基礎”的充分體現［2］。需要強調的是：基礎課根據培養目標要求,重在讓學生掌握必要的基礎理論。基礎教學不僅應從專業教育的需要來考慮，還應著眼于學生今后的發展，為“寬專業”的培養目標打下堅實的基礎。
結構力學是固體力學的一個分支，主要研究工程結構受力和傳力的規律、工程結構的優化等內容。結構力學任務是：研究工程結構在外載荷作用下的應力、應變和位移等規律；分析不同形式和不同材料的工程結構，為工程設計提供分析方法和計算公式；確定工程結構承受和傳遞外力的能力；研究和發展新型工程結構。作為土木工程大類專業承接專業基礎課和專業課的重要課程，結構力學課程歷來受到各高校、教學管理部門及專業協會、學會的重視。中國土木工程學會教育工作委員會江蘇分會于2011年組織舉辦了江蘇省高校首屆土木工程青年教師講課競賽，結構力學作為四門競賽課程之一，江蘇省大部分土木工程類院校都安排青年教師參加，是參賽人數最多的課程，充分體現了結構力學課程的重要性。隨著科學的發展和技術的進步,以及力學解題方法的增加和計算機的普及,結構力學涉及的內容越來越多。同時,由于中國高校本科專業的調整、壓縮,相關課程學時的減少，如何在有限的學時內把結構力學教好,以及如何合理調整教學內容、改進教學方法以適應形勢的發展和現實的需要,就顯得尤為重要。但目前在“大土木”背景下有關結構力學的教學探討還不夠充分，文章從結構力學的學科體系出發，從課程內容設置、教學方法幾個方面探討了“大土木”背景下結構力學課程的教學工作。
一、結構力學的學科體系
結構力學根據研究性質和對象的不同分為結構靜力學，結構動力學，結構穩定理論，結構斷裂、疲勞理論，桿系結構理論，薄壁結構理論和整體結構理論等。
結構靜力學主要研究工程結構在靜載荷作用下的彈塑性變形和應力狀態以及結構優化問題，是結構力學其他分支學科的基礎。結構動力學是研究工程結構在動載荷作用下的響應和性能的分支學科，由于涉及時間因素，結構動力學的研究內容一般比結構靜力學復雜。結構穩定理論是研究工程結構穩定性的分支，主要研究細桿、薄板和薄殼在受壓時應力小于屈服極限的情況下發生失穩(皺損或曲屈)的問題。結構斷裂和疲勞理論是研究因工程結構內部裂紋在外載荷作用下擴展引起斷裂破壞，或在幅值較小的交變載荷作用下引起疲勞破壞的學科。另外在對各種工程結構的理論和實驗研究中，針對研究對象的維度差別還形成了桿系結構理論、薄壁結構理論和整體結構理論三類。隨著科學技術的不斷進展，又涌現出夾層結構和復合材料結構［3］。
結構力學是一門古老且如今發展迅速的學科，新型工程材料和新型工程結構的大量涌現為結構力學提供了新的研究內容并提出了新的要求。同時，計算機技術的發展為結構力學提供了有力的計算工具。結構力學對數學及其他學科的發展起到了很好的推動作用，如有限元法這一數學方法的出現和發展就與結構力學的研究有密切關系。
【關鍵詞】翼片；動力學；ADAMS；FLUENT
1.引言
空投滑翔體與飛機分離一段時間后滑翔翼展開。此時滑翔體具有較高的水平運動速度和一定的豎直運動速度，翼板在展開機構和在空氣動力的共同作用下迅速展開，運動到極限位置與限位固定鎖緊裝置發生碰撞并鎖緊。該過程是一個及其復雜的過程，在設計過程中，明確翼板的展開方式，掌握翼板的動力學參數，對翼板的結構設計具有重要指導意義。
本文對包腹翼展開過程進行了動力學分析，建立了動力學模型；通過對翼板流體動力學仿真計算，得到了翼板的流體動力方程。在此基礎上，應用ADAMS建立了翼板展開過程的動力學仿真模型，通過仿真計算，得到了翼板在展開過程中的運動學和動力學參數。
2.系統動力學分析
2.1 坐標系
在分析過程中，由于開翼時間比較短，忽略系統縱向速度變化，并且假設滑翔體不動，受到系統運動反方向的氣流，這樣該系統就簡化成一個二自由度系統，建立如圖1所示的直角坐標系xoy。為了更方便進行動力學分析，采用廣義坐標系θ1、θ2來描述該系統，其中θ1是翼片1的弦與豎直方向的夾角，θ2為翼片2的弦與豎直方向的夾角。A、B分別為翼片1和翼片2的質心。
3.動力學仿真
在ADAMS中建立模型，如圖3所示。
仿真結果可以看出，展開過程中翼片2首先開始動作，繞兩翼片的連接軸旋轉展開，只到兩翼片限位機構發生碰撞并鎖定，在此過程中翼片1保持不動，當兩翼片之間鎖定之后，一起繞翼片1與滑翔體之間的軸旋轉展開到位。整個過程用時0.18s，兩翼片所受最大流體力分別為730N和623N，翼片展開最大角速度為1336°/s。
4.結束語
本文對翼片展開全過程的系統動力學特性進行了研究，得到了翼板的流體動力特性、運動學和動力學特性，為翼片結構的強度校核提供了輸入，對翼片的設計和修改提供了強有力的技術支持，也為同類機構的設計提供了快捷的研究方法。
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關鍵詞：土木工程；手工力學計算；數值仿真技術
作者簡介：張玉（1985-），男，山東青島人，中國石油大學（華東）儲建學院，講師；俞然剛（1966-），男，山東青島人，中國石油大學（華東）儲建學院，教授。（山東 青島 266580）
基金項目：本文系山東省重點教學改革項目（項目編號：2012017）的研究成果。
中圖分類號：G642.421 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）31-0079-03
力學分析、求解是土木工程專業的理論基礎知識，在土木工程教學中的地位尤為重要。教學過程中如何讓學生理解土木工程結構的力學體系，靈活運用基礎理論知識分析結構的組成、受力及變形特點，并對實際復雜結構開展力學特性分析是當前學習的難點和重點問題。傳統的教學方式中教師主要以板書講解和力學試驗演示為主，學生則基于相應的習題采用手工計算的方法予以求解，其弊端在于教學形式單一，教學內容枯燥，學生易產生視覺疲勞感，進而失去學習興趣，學習效率亦降低。[1]此外，傳統的教學方法雖能夠講解基本原理和計算方法，但學生很難靈活運用所學知識解決實際問題，尤其針對復雜度較高的工程結構，手工力學求解幾乎不可能實現，造成理論與實踐應用的脫節。隨著社會信息化程度越來越高，計算機技術的應用突飛猛進，在土木工程教學體系改革中，基于數值仿真（Numerical Simulation）技術對典型土木結構的應力、應變進行分析，并采用圖表、圖形、動畫等方式將結果直觀呈現，得到了愈發普遍的應用，此方法不但激發了學生學習的興趣，促進了教學進步，亦提供了良好的理論聯系實際的平臺。[2，3]數值仿真技術能節省手工計算時間，且比手工計算更為精確、簡潔，具有實用性強、靈活度高、修改方便等優點，尤其針對大型結構工程，優勢更為突出，進而導致手工計算愈發減少，在工程分析中的地位愈發降低。
雖然仿真計算的優點顯而易見，但就土木工程力學分析過程而言，手工計算仍占有重要的意義。手工計算分析無需設備，不受環境、地點影響，且優秀的力學分析圖亦可作為藝術品進行欣賞。此外，通過手工計算求解，學生可掌握各種土木工程結構的力學分析方法、受力圖繪制、數學求解技能，以及開展結構工程分析的基本方法和步驟，進而夯實和加深對力學基本理論的認知程度，為解決實際工程問題奠定基礎。故仿真軟件不能完全替代手工力學分析，兩者應有效結合、并重。實際工程設計中，設計人員初期并不能對復雜結構的力學狀態進行掌控，此時需要將簡單結構開展手工計算，勾畫力學分析圖，基于此對整體有部分掌握，進而借助相關仿真軟件開展詳細的數值分析。因此，對土木工程專業學生而言，手工計算和仿真軟件的應用均為必備的能力，教學過程中兩者相互補充、相互結合亦是授課的主要內容。
一、手工計算的特點與應用
手工計算首先應提取工程簡化模型，以桿系結構為例，需采用結構力學手段進行手工分析。內力和位移作為工程結構研究的重點物理量，各種力學求解方法均以此為基礎，形成了土木工程分析中常用的“力法”和“位移法”。對兩種方法手工計算基本原理闡述的基礎上，對實際桁架結構內力開展計算分析，由此歸納總結出一般計算步驟。
1.力法
力法比較符合人們慣常的思維方式，是求解力的方程的傳統方法，策略為“先削弱后修復”，即先解除某些約束，將結構修改為靜定結構，再構建力學方程來求解約束力，恢復結構的約束性態。基本方程本質上為位移方程，依靠結構變形、位移協調的幾何條件列出，位移則依據基本結構內力由虛功原理得到。[4]
2.位移法
位移法是以位移為基本未知量的求解方法。長期以來，人們對位移的關注遠落后于內力，已有各種結構設計規范均以強度設計為主，進而探討內力設計；而剛度設計的計算工作量和重視程度被視為次要的。“位移法”計算策略為“先加強后修復”，即讓結構所有節點完全固定，使其成為無關聯的單跨超靜定梁，以達到力矩和剪力的平衡，進而消除在節點處產生的不平衡力和力矩。基本方程本質上為平衡方程，依靠結構在結點處的力或力矩列出。還有一種方法是附加約束上施加外力，認為結構發生與原結構一致的節點位移。相對于“力法”，“位移法”存在兩個假定：一是忽略軸力產生的軸向變形的影響，桿件變形前的直線長度與變形后的曲線長度相等；二是彎曲變形微小，并忽略剪切變形的影響，桿件變形后的曲線長度與弦線長度相等。
力法中，基本未知量數目等于結構超靜定次數；位移法中，獨立的結點位移，基本未知量與結構的超靜定次數無關，須加入附加約束得到超靜定基本體系，由此認為力法和位移法是相反互補的。從基本未知量看，力法去掉多余約束力，位移法則利用獨立的結點位移；從基本體系看，力法是去掉約束，位移法是加約束；從基本方程看，力法是構建位移協調方程，位移法是構建力系平衡方程。近年來，逐步出現的分層法、D值法和反點法的計算公式都是建立在力法和位移法的基礎上的。[4]以簡單桁架結構為例（圖1）對手工計算方法予以說明，進而歸納總結出計算步驟。
綜合上述條件，得到，。歸納出手工計算一般步驟為：確定力學模型和結構未知量，繪出基本力學體系；作結構力學分析圖及荷載的變形圖；得到力學體系方程；解方程，將系數和自由項代入力法方程，求解未知力。
二、數值仿真技術的特點與應用
作為現階段發展較為完整的土木工程計算方法，仿真技術是以計算機為手段，通過對實際問題建立抽象化模型，結合數值方法獲取結構的內力和變形，并采用圖像、圖表展示相關計算結果，進而解決實際工程和物理問題。[2]土木工程教學過程中涉及到的數值計算方法包括有限單元法、有限差分法、邊界元法和離散單元法等，應用較多的仿真軟件包括ANSYS、ADNIA、ABAQUS、FLAC和SAP2000等。上述軟件和方法的應用已普及于建筑、結構、設備、交通、水利和城市規劃等各個土木工程領域，主要應用于工程設計的自動化、施工過程的力學分析和建筑物的短長期穩定性等方面。且已從單體、局部結構的仿真分析向工程整體復雜結構設計、安全仿真發展；從二維、靜態的力學機制向動態、三維的實時控制發展。教學過程中仿真計算的引入，不但豐富了教學手段與內容，提高了教學效果，開拓了學生的思維，亦為學生畢業后從事實際工程工作奠定了基礎。
仿真技術課程應安排在學生掌握力學基礎知識、手工計算技能之后。作為當今土木工程專業學習不可缺少的重要環節，此課程不但有利于加深對傳統的抽象力學知識的掌握，亦是以后研究和學習后續專業課程的重要基礎。在土木工程教學中的應用實踐主要體現在四個方面：結構動力學是結構力學教學的難點，仿真課程可為學生提供直觀動力反應分析；材料力學主要研究桿件的強度、剛度和穩定性，而橫力彎曲及變形撓度是學習的難點，仿真技術可考慮典型荷載分布因素的影響，得到桿件橫力彎曲時撓度的變形圖；彈塑性力學是研究各種結構或構件在彈塑性階段的應力和位移，校核是否滿足強度、剛度和穩定性要求，并尋求和改進相關計算方法；數字仿真技術可將復雜三維問題簡單化，有效地處理實際工程中遇到的巖土體強度、樁同作用及混凝土靜動力開裂等問題。
ABAQUS被認為是功能最強的有限元軟件之一，它融結構、傳熱學、流體、聲學、電學以及熱固耦合、流固耦合、熱電耦合、聲固耦合于一體，可以分析復雜的固體力學、結構力學系統，特別是能夠駕馭非常龐大復雜的問題和模擬高度非線性問題。[5]利用該軟件對上述手工計算的簡單桁架結構開展仿真分析（圖1），對應力分布和最大變形量予以研究（圖3、圖4），計算結果與手工分析一致。雖然仿真軟件種類繁多，但一般計算步驟類似：構建結構數值模型；模型材料和截面特性設置；設置裝配件和計算分析步；施加荷載和邊界條件；劃分網格開展分析；結果后處理。
三、兩者的有效結合和意義
清華大學袁駟[6]教授提出“一個基礎，兩座大廈”的力學教學體系改革方案，“一個基礎”指經典力學理論，“兩座大廈”分別指程序力學和定性分析。此方案將基于手工分析的經典力學、仿真計算的程序力學和結果的定性分析三者有機統一，相輔相成。但在當今土木工程教學改革實踐過程中，手工分析和仿真計算的結合教學實踐并不多見，大多數院校教學過程均僅重視手工分析，容易導致學生對力學在土木工程中的作用認識不清晰，不知道土木工程專業中力學的學習目的，亦不知如何應用力學原理解決實際工程問題；教學中單純的數值仿真亦會引起學生對前期力學理論知識理解不夠，重要知識點認識不清晰，基礎薄弱，導致后續專業課程脫節；且實際數值仿真操作過程如遇到程序或參數錯誤，學生亦無法確定內力圖是否正確，更不知道如何手工計算校核。因此，教學過程中，尤其力學理論知識授課完畢后，教師應合理調整授課方案，開展有利于提高教學效果的教學改革，并在實踐中加以修改和完善。建議教學方案為基于工程實例，采用手工分析和仿真計算相融合的教學方式，由簡至繁、由淺至深地講授力學計算方法。首先提高學生對力學理論知識的理解和手工計算的熟悉程度，這是后續學習的基礎，不容忽視；其次，應用仿真軟件進行復雜問題的求解和實際工程的掌控。通過此種綜合教學方式，完善了教學方案，實現了授課過程中教案的動態變化，讓學生對整個力學求解過程和應用均有了全面的認識，進而開發了學生科學的思維，使學生對課程和今后從事的工作具有全局性的認識和理解，培養了學生用所學知識分析和解決實際問題的能力，亦為教師合理開展后續專業課程教育做準備。
綜上所述，土木工程專業教學過程中手工計算和仿真技術的有效結合是激發學生學習興趣、引導學生自我思考、讓學生在有限的學時內掌握力學基本原理和利用所學理論知識解決實際工程問題的良好途徑。與此同時，亦推動了教學改革，引領土木工程課程的良性發展。而且目前高校土木專業教師隊伍均具有較高的學位和科研綜合素質，尤其是專業課程教師基本都具有碩士、博士學位，不但擁有扎實的力學基礎修養，亦對仿真軟件有較多的接觸與應用，為教學過程中兩者有效結合提供了保證。以中國石油大學（華東）土木工程專業為例，針對專業課教育，基于青年教師的自身優勢，在傳統力學教育的基礎上，開設了“土木工程分析軟件與應用”課程，講授了ANSYS、ABAQUS、FLAC和SAP2000等仿真軟件的操作與應用，取得了良好的教學效果，亦為自主研發針對性和適用性更強的仿真軟件提出了挑戰。
四、結論
本文研究的手工計算和仿真技術相結合的教學方法，在土木工程專業課程中具有較多的優點和良好的可行性，故教學課程改革過程中應予以推廣。且筆者認為土木工程教學改革過程中，不但要注重理論的創新和基礎的牢固，亦須兼顧實踐的創新與應用，采用多種手段，豐富學習方式，讓學生學習基礎理論的同時，亦能理解在實際工程中的應用，同時引導后續課程學習和開展相關研究。這與清華大學范欽珊[7]教授提出的課堂教學應堅持“素質教育、工程教育、創新教育”緊密結合，堅持“理論教學和實踐教學計算機分析相結合”，堅持相關課程的整合形成系列化完整教學體系，堅持“課內課外結合”的教學理念相一致。
參考文獻：
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[5]劉展.ABAQUS6.6基礎教程與實例詳解[M].北京：中國水利水電出版社，2008.
關鍵詞：ANSYS；機床主軸；結構設計
機床的主軸是控制機床運轉的核心部件之一，機床主軸結構設計會影響整個機床運轉的性能。機床的主軸結構一般都是空心的階梯狀主軸，使用到了兩個支承或者三個支承。主軸上一般裝有傳動裝置，通過主軸運動帶動其他裝置的運轉。主軸前面部分裝有刀具，對待加工的工件進行切削。所以，機床主軸結構的設計是機床設計的重要部分。本文以最常見的機床主軸結構為研究目標，利用ANSYS參數化設計語言為機床的主軸結構建立有限元模型，然后利用ANSYS軟件對有限元模型進行分析，經過一系列計算，最終得到最優機床主軸結構[1]。
1ANSYS軟件工作原理與流程
1.1ANSYS軟件工作原理
機床主軸的結構設計一般是以整體質量最輕或者剛度最好為出發點，盡量將支承跨度、軸徑等控制在合理范圍。由于機床的主軸結構極為復雜，而且當前的工件加工要求越來越高，對于機床的性能要求也越來越高，傳統的機床主軸結構受力分析方法已經無法滿足當前的需求，所以急需新的受力分析方法來參與機床主軸的結構設計。
有限元分析法是目前比較先進的結構分析方法，它能從機械結構的受力、形變以及自振等方面分析出機械內部結構最佳設計方案。而最佳設計方案是指在滿足一切設計基本要求的條件下，將總成本投入控制在最小。有限元分析法是使用多次迭代的算法，經過了許多次計算，所以分析得到的結果可靠程度比較高。
ANSYS軟件是一種集流體、電場、磁場、聲場等分析與一題的大型分析軟件，其應用的領域包括航空航天、汽車交通、土木工程、生物醫學、日用家電等領域，分析類型包括結構靜力學分析、結構動力學分析、結構非線性分析、流體動力學分析、壓電分析等等。本文對某臥式車床參數化模型進行靜力學分析，建立起設計變量、狀態變量以及目標函數三者聯系的分析模型，以設計變量為自變量，狀態變量控制設計變量數值，目標函數值為因變量。通過調節狀態變量，不斷調節自變量的大小，通過迭代計算得到目標函數值，當目標函數值最小時，設計變量值達到最優[2]。
1.2ANSYS軟件工作流程
（1）建立參數化模型：要對主軸結構進行分析，首先必須要建立一個參數化模型。利用ANSYS參數化設計語言以設計變量為參數建立參數化模型；
（2）對參數化模型分析求解；
（3）將參數化模型的分析結果反饋給狀態變量及目標函數；
（4）通過控制狀態變量，調節設計變量的數值，獲得新的分析結果，然后拿新的分析結果與上次分析結果相比較，確認本次目標函數是否收斂，如果收斂，說明目標函數數值已經達到最佳設計數值；如果沒有收斂，則按照前面步驟進行循環，直到目標函數收斂為止。
2機床主軸結構設計
2.1建立參數化模型
在機床主軸結構設計時，重點關注的因素有兩個：一個是主軸自身重量，還有一個就是主軸伸出段的撓度。對于主軸自身重量，可以將主軸自身重量的最小值作為目標函數求解的最終目標，對此，可以先選好主軸的材料，確定好主軸材料的密度，只需要將主軸的體積作為目標函數，就可以求解得到主軸的重量。設計變量為主軸的外徑D、支承跨度L、齒輪到前支承的距離X、以及孔徑a，建立參數化模型。
2.2ANSYS軟件靜力學分析
在參數化模型構建好以后，利用ANSYS軟件對其進行靜力學分析。首先給主軸前面部分的節點上施加大小為10000N的壓力，傳動裝置對主軸的壓力為2000N，然后對模型的狀態條件實施控制，進行結構的分析，最終得到主軸靜力學分析示意圖，如圖1所示。
從圖中可以看出主軸前面部分的水平位移為0.0635mm，主軸的靜剛度經過計算，約為157N/um[3]。
2.3多次迭代獲得最佳結構設計參數
對分析結果進行多次迭代計算，最終得到最佳結構設計參數：主軸前部分的水平位移距離為0.05mm，剛度值為197N/um，主軸體積為0.002m3，支承距離為92mm，主軸最大應力為16MP，懸伸長度為90mm，支承跨度為300mm。
結束語
將ANSYS軟件系統應用于機床主軸結構的設計，可以使得機床主軸結構的參數大大優化，結構設計更加合理。通過建立參數化模型，對參數化模型進行分析，再用多次迭代計算，獲得最優目標函數，節約了機床主軸設計材料，降低了機床主軸設計成本。
參考文獻：
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【關鍵詞】肝纖維化;門脾靜脈;多普勒超聲
【中圖分類號】R445.1 【文獻標識碼】B 【文章編號】1006-1959(2009)08-0211-02
近年來,超聲作為肝病無創性診斷方法發展較為迅速。多普勒超聲為定量化評價肝臟血流變化提供了無創簡便的方法,而肝臟血流動力學改變可從一個側面反映肝纖維化的變化。本研究采用彩色多普勒超聲,檢測88例慢性病毒性肝炎患者的血流動力學變化,并與肝纖維化分期進行相關性分析,現將結果報道如下。
1 資料與方法
1.1 研究對象:
88例慢性肝炎患者,男62例,女22例,年齡16~59歲,年齡中位數35歲。采用2000年中華醫學會傳染與寄生蟲病學分會、肝病學分會聯合修訂的診斷標準[1]。肝穿刺活體組織檢查結果按纖維化程度分期,S0 16例,S1 19例,S2 17例,S3 20例,S4 16例。排除合并腹水、門脈內栓塊、肝占位及心肺疾患者。
1.2 儀器方法:
采用BIOSOUD AU4型彩色雙功能多普勒超聲診斷儀,3.5~5.0凸陣電子掃描探頭。患者于肝穿刺后12~24h并空腹8h接受超聲檢查。受檢者取平臥位。先在二維超聲模式下測量門、脾靜脈管徑,然后用彩色多普勒超聲檢測門、脾靜脈血流參數。門靜脈測量部位于右肋下斜切,選起始部至肝門部中點測量;脾靜脈檢測部位為距脾門約0.5~1cm 處。于平靜呼吸末采集血流信號樣本,取樣容積大小接近管腔內徑,聲束與血管夾角
1.3 統計學分析:采用SPSS13.0進行統計分析,各測量數據采用均數±標準差表示,組間比較采用單因素方差分析,兩兩q檢驗。P
2結果
2.1 不同纖維化分期患者門靜脈血流參數比較:
單因素方差分析表明,門靜脈主干內徑、門靜脈主干血流最大速度、門靜脈主干血流平均速度、門靜脈淤血指數在肝纖維化分期組間差異有統計學意義(P0.05)。進一步兩兩q檢驗,門靜脈主干內徑和淤血指數隨肝纖維化程度的加重而增加。淤血指數在S1與S2組間比較差異有統計學意義(P
2.2 不同纖維化分期患者脾靜脈血流參數比較:
單因素方差分析表明,脾靜脈內徑在肝纖維化分期組間差異有統計學意義(P0.05)。見表2。
3 討論
肝組織纖維化發展到肝硬化失代償期時,常伴有門脈高壓和脾功能亢進,其表現為食管、胃底靜脈曲張、周圍血細胞計數下降、腹水等,臨床容易診斷。但是對于臨床診斷為慢性肝炎并未達到典型肝硬化的病人,門靜脈壓力和脾功能亢進的程度不太清楚[2]。多普勒超聲作為一種非創傷性檢查手段,在評價肝纖維化程度及門、脾靜脈高壓血流動力學情況、估計病情及預后等方面有重要價值[3]。
研究顯示,在慢性乙型肝炎的不同階段,由于不同的肝纖維化程度,門靜脈和脾靜脈的血流動力學指標差異甚大,且肝、門及脾靜脈血流動力學變化亦不一致[4]。隨慢性肝炎的病情進展,肝臟纖維組織增生, 出現竇周間隙纖維化及肝竇毛細血管化,同時肝細胞的變性壞死、炎癥細胞浸潤等使得門靜脈阻力逐漸增加,血管直徑和面積逐漸增大,門靜脈變化大于脾靜脈變化。隨慢性肝炎纖維化進展,門靜脈阻力和側支循環的增加,門靜脈血流速度逐漸變緩,并可出現雙向血流。門靜脈血流量由于是血流平均速度與門靜脈管腔截面積的乘積,故無明顯變化。本研究還發現,脾靜脈內徑在不同纖維化程度之間比較差異均有統計學意義, 而且與肝組織纖維化程度呈顯著正相關。隨著肝纖維化程度的加重,肝小葉結構紊亂,門脈高壓所引起的脾臟形態及血流動力學改變,血液回流受阻,從而導致脾腫大,脾靜脈內徑增寬。而脾循環血流動力學指標受到多方面的影響因素如神經體液調節因素的影響,其變化缺乏規律性,與肝纖維化程度之間缺乏顯著的相關關系,故對肝纖維化程度尚不能敏感地判斷。
綜上所述,利用彩色多普勒超聲監測慢性肝炎患者的肝臟血流變化,便于臨床對慢性肝炎肝纖維化進行無創的診斷、程度判斷和療效評價,具有一定的臨床應用價值。但血流動力學改變在肝纖維化分期組間有重疊現象,個別數據明顯偏離預期,提示多普勒超聲在肝纖維化評估中的價值仍有待探討。
參考文獻
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【關鍵詞】 跟骨; 有限元分析; 建模; 生物力學
跟骨是人體中最大的跗骨 ， 對行走及負重有重要的作用。跟骨形態復雜 ， 呈不規則長方體 ， 上面有三個關節面 ， 分別為跟距前、中、后關節 ， 跟骨后關節面最長 ，長軸呈凸弧形斜向前下方 ， 組成跟距關節的大部分。以后關節面為界分為三部分 ， 后關節面以前為前部 ， 以后為后部 ，前窄后寬。在負重情況下 ， 足的距骨、跟骨必須正確排列 ，有足夠的力量和高度來承受負荷跟骨骨折是臨床常見骨折。跟骨骨折由于本身復雜的解剖特點復雜，現有方法對跟骨尤其是跟距關節面的生物力學分析有一定的難度[1，2]。本研究旨在通過Mimics建立高度仿真的跟骨模型，并且導入ANSYS中進行靜壓力分析，對跟距關節面的應力分布做簡要分析。并通過此方法的建立，為研究跟骨骨折的生物力學研究建立初步方法。
1 資料與方法
1.1 研究對象
被測試對象:健康男性 1 名，身高170cm，體重60kg ，年齡30 歲。采用襄樊市中心 醫院西門子螺旋CT對其進行足部掃描。
1.2 方法
用Simens多排螺旋CT對受試者的足部進行掃描，受試者呈仰臥位，從脛骨中段至足底進行連續螺旋掃描，將影像輸入到 Mimics 10 11 軟件(Materialise公司，比利時) 。
CT斷層掃描圖片以dicm格式導出，以Mimics軟件(比利時)導入，形成三維圖像，并且通過對感興趣的部位(本文為跟骨)單獨形成三維圖像，再導出為lis格式，并且做smooth和mesh處理。然后將此文件導入ANSYS10.0(美國)，并以此面模型建立體模型。在跟距關節面上根據解剖關系劃出軟骨關節面范圍，設定跟骨的四面關鍵點為不可位移的關鍵點，再在軟骨面上施加正常成人體重的1/2約343N，得出應力云圖及各個方向的形變[3]。
2 結果
2.1 Mimics軟件可以順利的將整個足的CT斷層掃描數據 轉化為3D模型，然后選取研究感興趣的部分如跟骨單獨成像。比傳統CT圖像勝在更直觀，并去除了解剖結構的限制，可以從任意角度觀察跟臨床感興趣的部位(圖1)。
2.2 將跟骨單獨形成三維圖像后再導出為lis格式，并且做smooth和mesh處理，然后將此文件導入ANSYS10.0可以建立能夠進行有限元分析的網絡模型(圖2)。
2.3 設定跟骨的力學特性密度泊松值和楊氏模量。選定跟骨底部四個點為約束點，跟距關節面上根據解剖關系劃出軟骨關節面范圍后施加343N靜壓力，時間為1s(圖3)。
2.4 求解可以得出在壓力作用下跟骨模型的應力云圖和各向形變。
根據設定條件， ANSYS提示跟骨之跟距關節面受壓力后 跟骨內部的應力變化， 關節面部分為桔黃色代表應力較大，其中中中央部分為紅色代表應力最大為7.17M Pa， 跟骨體部為綠色代表較大代表應力較小(圖4)。
形變分析圖示在跟距關節中央為紅色提示形變最大為0.342mm，向外周延伸形變逐漸減小。這與臨床跟骨骨折的常見表現類似。當應力超過跟骨本身的材料屈服標準時，跟骨就會發生不可逆的形變也就是骨折(圖5)。
轉貼于 3 結論
① Mimics可以方便的個體化建立準確有效的跟骨模型
② ANSYS可以在方便快捷準確的分析跟骨跟距關節的的各種力學特性，比如靜力分析。比較復雜的比如接觸分析，在建立肌腱軟骨的正常模型的基礎還可以進行運動分析。
③ 靜力分析表明跟距關節在正常靜壓力下，跟距關節的壓力峰值集中在跟距關節中心，形變也與壓力相應分布在附近。這和臨床實踐所見是相符合的。
4 討論
有限元分析軟件已經由過去對生物體材料幾何結構的簡單模擬和近似計算，發展到能對人體各組成部分復雜的非均質性結構進行真實模擬和精密分析，成為現代人體生物力學研究的一種重要工具，尤其是應用在口腔頜面外科和骨科方面。有限元分析的基礎是模型的建立和網格的劃分。過去缺乏建模工具，往往采取直接更具結構的幾何外形建立節點和單元而得到有限元，模型，一般只適合簡單的結構系統，無法完全反映正確的人體骨性結構。應用CT或MRI的計算機三維影像重建雖然可以直觀地反映人體結構，為臨床提供部分診斷信息，但無法以此直接進行生物力學分析。MIMICS是一套高度整合而且易用的3D圖像生成及編輯處理軟件，它能輸入各種掃描的數據(CT、MRI)，建立3D模型進行編輯，然后輸出通用的CAD(計算機輔助設計)、FEA(有限元分析)，RP(快速成型)格式，可以在PC機上進行大規模數據的轉換處理。本研究主要使用的是MIMICS FEA模塊，MIMICS FEA模塊可以將掃描輸入的數據進行快速處理，輸出相應的文件格式，用于FEA(有限元分析)及CFD(計算機模擬流體動力學)，用戶可用掃描數據建立3D模型，然后對表面進行網格劃分以應用在FEA分析中。FEA模塊中的網格重新劃分功能對FEA的輸入數據進行最大限度的優化，基于掃描數據的亨氏單位，可以對體網格進行材質分配[4，5]。本研究成功地建立了以正常人體跟骨螺旋 CT掃描影像為幾何依據的有限元模型。以往建立的醫學有限元模型由于軟件功能單一、 網格劃分算法少、 人體組織結構形狀不規則等原因，需要進行適當的簡化和假設，在精度方面有一定的缺陷，而且模型創建過程環節多、 成本高、 周期長，進一步限制了其應用。此方法具有便捷、 高效、 準確、高度自動化的優勢。通過初步建立的跟骨模型，分析了簡單的靜力分析，得出的結論和臨床實踐相符，證明Mimics和ANSYS結合是骨科生物力學分析的有利工具。另外，如建立肌腱軟骨的正常模型，就可以方便的在ANSYS中實現對跟距關節面的動態分析，還可以利用Mimics中的CAD模塊插入內固定物，實現內固定物對骨折的固定效果的力學分析，具有廣泛的用途。
參考文獻
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1熱經濟學的發展歷程概述
熱經濟學起源與20世紀50年代末期，創始人為美國的Tribes。他在其指導的博士論文能量系統的火用分析中，第一次將經濟因素引入到了火用分析之中，并首次提出了通過系統逐個尋優達到全局最優的目的。到20世紀60年代中期，熱經濟學初步有了完善的體系，并被學術界命名為thermo-economics。
Tribes的學生Revamps還發表了熱經濟學孤立化原理的數學論證。隨后，美國的另一學派代表人物R.Gaggioli，他以代數為主要數學計算模式，進而發展了代數模式的熱經濟學。德國的Beyer，結構系數模式經濟學發展為符號經濟學，也稱知陣模式熱經濟學(因為西方國家習慣稱知陣為符號)，知陣模式代表了熱經濟學的成熟階段。
到了1995年，王加漩等科學工作者開始在我國推行國際上各種流派的火用經濟學的先進理論。部分學者根據我國的具體國情對其研究應用，并且已經取得了一定的成就，逐漸形成了各自的流派。
2熱經濟學的原理與優勢
目前存在的能量評價方法包括以熱力學第一定律為基礎的能量分析法。這種分析法雖然操作簡單，且已經被廣泛應用，但評價值側重于量而沒有評價質。另一種是以熱力學第一定律和第二定律和火用平衡理論為框架的火用分析法。這種方法在對能量系統進行綜合分析優化的時候，得出的結果往往無法顧及經濟因素。目前最為科學全面的分析是法是本文研究的將熱力學分析與經濟因素綜合分析的熱經濟學分析法也稱火用經濟學分析法。這種方法結合了工程經濟學、系統工程、最優化技術以及決策理論等基本思想，兼顧能量使用的量與質，并將系統的火用流價格數據化，能夠評估兼顧能量使用效率與經濟價值的綜合結果，這種分析法在復雜的工程分析、診斷、優化、改進中，都有重大作用，技術優勢非常明顯。
熱經濟學的分析能夠全面輔助系統的優化，它的基本原理是在進行系統優化時，確定考慮的變量及變量之間的關系，然后選擇約束條件和決策變量，最后用數學手段描述出目標函數與約束方程，進行求解。求解答案能夠對項目設計提供重要參考資料，包括對可行方案的選擇、對改進措施的評價、對成本的真實計算以及單元系統的維護與更替。
3熱經濟學的應用
熱經濟學是分析現代工程系統中一切與能力相關的系統的熱力學方法，一般來說，從原則上區分，可以分為兩大類方法，一是在卡諾和克勞修斯研究框架中，利用系統能平衡概念分析的系統各項技術、經濟指標的完善程度，通過把被研究系統與卡諾循環理想循環系統進行對比，從它們之間的接近的程度判定系統的完善程度。
二是以吉布斯理論為框架，采取熱力學勢概念的分析方法，分析系統中能量轉換過程，以熱力學勢為分析重點，進而分析各種形式之下功的數值。從這一原理出發，我們可以評估被分析系統任意一點上的物流與能流所做功的性能。這一點能夠無視系統的機構復雜程度而直接對系統性能進行評估，所以，我們可以充分利用這一方法的特點，分析得到需要的全部信息。這種方法，首先在化學熱力學領域被廣泛應用，而其他領域一般仍沿用第一類方法。
在我國熱經濟學分析法被引入到熱力系統，我國學者首先主要通過概念模型來分析熱力系統，并實際通過繪制結構圖對實際操作進行了指導，熱經濟學理論并且被用于分析復雜的能量體系，模擬故障診斷，并用于計算成本。
在系統的優化方面，熱經濟學被用于對系統進行分析，分析的內容包括燃料、產品流的成本，和最紅產品的形成過程，在此過程中，通過計算編輯火用成本的變化能夠建立能量損耗分析模型，實現了在線診斷系統性能的目標，隨后熱經濟學概念引入到火電機組，建立了加熱器故障診斷指標的通用數學模型，實現了加熱器故障診斷的可能性。還有學者通過研究火用流的計價和費用分配問題，對把輸入的火用流進行拆分，提出了基于能級相近最大化相供的火用流計價策略，并將此原理應用于熱電聯產熱力系統之中。
生態系統的求解問題通常會遇到非線性問題和含義的穩定問題，對這類問題進行求解，必須使用微分幾何與張量代數、步驟較為繁瑣，且這些方法難度較大。再忽略精度細微誤差的前提之下，我們可以使用網絡熱力學方法去求解，網絡熱力學分析法是近年來發展并逐漸成熟的計算方法，雖然目前仍有待完善，但是前景光明。
關鍵詞：管柱受力 直梁 材料 鉆井
一、管柱受力基本情況介紹
管柱受力在以往的設計井下作業管柱時，僅僅是憑借實踐經驗和主觀判斷，因而缺少科學的理論計算依據。實際的井眼軸線并不是理想的直線，而是一條任意率的空問螺旋線，特別是在定向井和水平井中尤為突出，致使管柱和井壁產生接觸。因管柱外表面和井壁(套管內壁)之間有一定的初始間隙，因此井下管柱和井壁的接觸問題是一種隨機接觸的非線性力學問題，其計算方法具有一定難度和復雜性，用一般的材料力學和結構力學力法是不能解決這類問題的，因此開展了試油測試射孔管柱受力及強度分析研究。
二、管柱受力分析的理論
1.理論模型的建立
1.1模型的建立
根據井眼軸線形態和管柱組合結構，先用一般有限元法把管柱沿軸線離散為若干個空間直梁單元，然后在管柱的每個直梁單元的節點處設置一個間隙元。總體坐標系是固定在井口上的笛卡爾坐標系，在管柱力學分析時，選取整體管柱串作為研究對象。
管柱串的外載荷也比較復雜，除管柱自重外，還有管柱內外表面分布的液體壓力。管柱外壓力不僅引起管柱環向壓縮變形，而且引起管柱的軸向伸長變形。管柱內壓力不僅引起管柱環向鼓脹變形，而目引起管柱軸向縮短變形。另外，射孔彈的爆炸壓力施加的外壓力都比較大，將使管柱產生較大的軸向內力和變形。
1.2邊界條件
管柱下兩端和圓形井壁，對管柱構成一定的約束作用。這種約束作用可以用邊界條件來描述：
井壁作為管柱變形的自由移動邊界部分，將由空問靜力多向接觸摩擦間隙元轉化為接觸摩界條件，接觸摩擦狀態將由整個管柱的受力變形和平衡狀態來確定，接觸點處仃接觸反力和摩擦力作用。管柱下端簡化成自由端，液體壓力在管柱下端將產：生活塞力作用。管柱的下放工況或封隔器不坐封工況，管柱上端(井口)簡化為固定端邊界條件，如果封隔器坐封時，最先坐封的封隔器簡化為固定端邊界條件。管枉上端簡化為橫向不可動，但軸向是可動的鉸支端。管柱串各段交界處上
下截面積改變時，液體壓力會在管柱變截而處產生軸向集中拉壓力作用，管柱內外表面有分布的液體壓力作用。射孔彈的爆炸壓力施加的外壓力作為已知力的邊界條件，作用在相應管柱段的內外表面上。
1.3基本的假設
由于在各種載荷作用下，管柱在井眼內將發生拉伸、壓縮、彎扭組合變形。同時，管柱將與井壁發生多向隨機接觸，其接觸狀況將通過管柱上的空問靜力多向接觸磨擦問隙元來描述。在管柱靜力分析模型中，采用了以下的基本假設：
管柱是彈性變形體，變形前管拄軸線與井眼軸線是重合的，管柱外表而與井壁之問有一定的初始間隙存在，變形后管柱與井壁之間可能在圓周0~360。的某一方向上發生接觸。其接觸變形屬于彈性變形范圍，接觸位置隨機分布，接觸處有接觸反力和摩擦阻力作用；井眼軸線為一條任意曲率的空間螺旋線，其形狀由井深、井斜角和方位角數據確定；井眼內壁是剛性的，井眼及管柱橫截面是圓形和圓環形的。井眼直徑隨井深可以分段任意變化，但每一段井眼直徑是不變的；管柱的結構和尺寸可以任意變化，但每一段管柱必須等截而。
2.理論模型的運行方法
建立管柱與井壁之間的間隙元模型。間隙元是接觸單元的一種，是一種人為的假想單死，它的內邊界與管柱的外表面重合，外邊界與井壁重合，其中間部分是在管柱與井壁之間的環形圓盤，通過間隙元使管梓與井壁聯接起來。
2.1空間直梁單元的平衡方程
2.1.1直梁單元的節點位移和節點力向量及轉換矩陣
2.1.2空問直梁單元剛度矩陣，管柱離散后的每個空間直梁單元都具有抗拉壓、抗彎曲抗扭轉剛度。
2.2管柱多向接觸摩擦間隙元
對管柱進行靜力有限元分析時，間隙元被設置在管柱上梁單元的節點上，每個節點都要設置一個間隙元。管柱與井壁的接觸是一個幾何非線性問題，而且接觸點的位置是隨機的。根據摩擦定律和接觸反力直接求得，作為節點力直接加在方程右端節點力向量之中。間隙元的接觸狀態判別條件及其定解條件。
2.3總體平衡方程的求解
所有單元的平衡方程經過坐標轉換過程和一系列“對號入座”拼裝過程，出整個管柱接觸系統的總體平衡方程式:由于引入了間隙元，上式中總體剛度矩陣[K]已是非奇異矩陣，可對其進行求解。但是，由總體平衡方程式求得的解一定要同時滿足接觸判別條件和定解方程。為了提高迭代計算的收斂速度，采用修正的Newton—Raphs011迭代法，交替修正間隙元剛度和節點力，這種迭代法適用于解決管柱這類有初始間隙的接觸非線性問題，大大提高了收斂速度，節省了迭代運算時間。
三、科學利用管柱力學分析軟件
根據測試身寸孔管柱靜力分析模型，利用接觸問隙元理論，開發了測試射孔管柱力學分析軟件系統。
1.軟件結構
該軟件系統包括三大部分：測試管柱部分、射孔管柱部分和壓裂管柱部分。軟件系統每部分均由前處理器、主程序和后處理器三部分組成。前處理器負責井眼軌跡的擬合、管柱單元的自動劃分以及其力學性質的描述和將數據轉換成主程序所需的數據格式等。它包括三個輸入數據文件：一是井眼形狀數據；二是管柱結構數據；三是工藝參數數據。主程序是該軟件系統的核心，負責對系統進行有限元分析。它是根據測試、射孔和壓裂管柱力學模型和間隙元理論方法編制的管柱力學分析程序，是非線性接觸力學分析程序，需要經過多次迭代計算，最后得到合理的接觸狀態和接觸摩擦力及變形狀態。后處理器負責內力計算、結果輸出和圖形顯示等。
2.軟件特點和功能
計算出管柱任一位置與井壁的接觸狀態、接觸反力以及相應的摩擦阻力和接觸方位。計算出管柱在任一井深處的軸向位移，能有效地分析管柱的軸向伸縮變形。計算出管柱在任一井深處截面的內力。能對管柱受力變形進行評估和預測，給出管柱變形狀態的變化曲線，配有圖形顯示，使用戶直觀形象地了解管柱在井下的工作狀態。采川中文提示，具有良好的人機界面，方便用戶操作。軟件系統數據文件調用和修改。
1基于工程教育專業認證標準下課程體系改革發展概況
工程教育認證標準一般由八個指標構成，分別是學生、專業教育目標、學生成果、持續改進、課程體系、師資力量、教學設施、學校支持等。其中工程教育專業認證中的課程設置，為了能支持畢業要求的達成，課程體系設計有企業或行業專家參與。我國各高校在啟動工程教育專業認證工作過程中，發現課程體系設置是否科學、合理、會規直接影響到畢業生的工程實踐能力與創新能力，進而影響專業培養目標、畢業要求的可達性。因此各高校針對工程教育專業認證標準和要求，提出了各個專業課程體系改革的思路、做法和經驗。西北工業大學的張清江等通過調研我國工程教育與專業認證發展歷程，對我國航空航天專業與其他已獲得資格專業進行對比分析。并結合國際航空航天質量體系認證中的要求，從航空航天工程教育專業認證的必要性、專業特點、航空航天工程教育現狀等角度出發進行研究。結合現代中國工程教育存在的普遍問題，提出針對航空航天類專業認證的新方式、新方法，并對航空航天工程教育專業認證需要注意的特性進行討論。遼寧石油化工大學馬會強等依據工程教育專業認證標準，以遼寧石油化工大學環境工程專業為例，通過明確培養目標，解析培養要求，從課程設置、實踐環節、畢業設計等方面進行了課程體系改革探索。廣東石油化工學院任紅衛等分析了我國工程教育的現狀，并探討了在工程教育專業背景下電氣專業的教學改革方法，從而提高學生的工程實踐能力。浙江工業大學姜理英等人基于對工程教育專業論證的國際比較，結合環境工程教育專業認證的必要性，從培養計劃的調整、課程體系的優化、實踐教學的強化和師資隊伍的提升四個方面，綜合系統地提出了對環境工程專業教學內容進行全面優化和提升的路徑。張秋根等人根據環境工程專業規范和認證標準要求，以南昌航空大學環境工程專業為例，對其核心課程體系設置和教學內容兩方面進行了優化與規范的探討。為了重視國際認證的引領作用，加強專業辦學品牌建設，突出南京航空航天大學能動專業的航空航天辦學特色，緊跟國內能動專業人才需要，提升其人才培養質量與專業競爭力，從而拓寬自身生存發展空間，因此需要開展基于工程教育專業認證的能動專業課程體系改革。
2基于工程教育專業認證標準下南航能動專業課程體系優化
通過對國內外本科院校工程教育專業認證的分析與研究，利用對中國近幾年的專業認證與評估成果的調查與研究，對其進行梳理，依據工程教育專業認證中課程設置要求，依據南京航空航天大學能源與動力學院能動專業建設相關內容與特色，以培養具有航空航天特色的工程教育專業人才為目標，對南京航空航天大學能動專業課程體系進行優化。以培養要求為基準，著手對課程體系進行優化，并對本科培養大綱進行相應的修訂，從而實現培養目標。確定能源與動力專業學生在校期間應修總學分數不能少于180學分。
2.1數學與自然科學類課程能源與動力專業數學與自然科學類課程是指該專業學生必須掌握的基礎課程，主要包括高等數學（11學分）、大學物理（6.5學分）、大學英語模塊（10學分）、C++語言程序設計（3學分）等方面共六門課程，總共30.5個學分。因此能源與動力專業數學與自然科學類課程占總學分的比例約為17％，達到了工程教育專業認證標準中至少占總學分的15%的要求。
2.2工程基礎類課程、專業基礎類課程與專業類課程工程基礎類課程和專業基礎類課程主要體現數學和自然科學在該專業應用能力培養，而專業類課程主要體現系統設計和實現能力的培養。其中工程基礎類課程主要包括電子電工技術（5學分）、理論力學（3學分）、材料力學（3學分）、工程圖學（4.5學分）以及機械設計基礎（3學分）等課程，總共為18.5個學分；專業基礎類課程主要包括工程流體力學（3學分）、工程熱力學（3學分）、傳熱學（3學分）和化學反應動力學基礎（2學分）等課程，總共為11個學分。因此工程基礎類課程和專業基礎類課程必須要修滿至少29.5個學分。對于專業類課程，由于能源與動力專業具體有兩個培養方向:方向一為熱能動力方向，主要陪養就業方向為航空發動機、地面燃氣輪機等相關單位；方向二為能源利用方向，主要培養的就業方向為電廠、新能源以及制冷等相關單位。因此其專業類課程既有相同的專業課程，也有自身特色的課程。其中燃燒原理（2.5學分）、燃氣輪機原理與構造（3學分）、熱能綜合利用（2學分）、熱交換器原理與設計（2.5學分）以及熱工測量原理與方法（2學分）等，總共12個學分，這些課程為能源與動力專業兩個培養方向都必須學習的專業類課程。另外每個培養方向又有其特定的專業類課程必須選修，其中熱能動力方向專業類課程包括葉輪機原理（2.5學分）、燃氣輪機控制原理及應用（2學分）、燃燒技術與分析（2學分）、內燃機原理與構造（2學分）、工程傳質與應用（2學分）等共9門課程；能源利用方向專業類課程包括泵與風機（2學分）、供熱工程（2學分）、鍋爐原理（2學分）、制冷原理與技術（2學分）、可再生能源利用技術（2學分）以及熱力發電技術概論（2學分）等共10門課程。無論學生學習哪個方向，共同學習的專業類課程與特定選修的專業課程之和必須要修滿至少28個學分。因此,工程基礎類課程、專業基礎類課程與專業類課程必須要修滿的學分數為：29.5＋28＝57.5學分，因此該類課程學分占總學分的比例約為32％，達到了工程教育專業認證標準中至少占總學分的30%的要求。
2.3工程實踐與畢業設計能源與動力專業設計完善的實踐教學體系，主要包括以下幾個方面：(1)軍事訓練，培養學生的吃苦耐力與過硬的身體素質；(2)各種課程的課程設計，如:機械設計基礎課程設計、電工與電子技術課程設計、C++語言課程設計等，主要培養學生對各門基礎課、專業基礎課的實際應用能力；(3)工程訓練，主要包括機械加工方面的車、磨、銑、刨、鑄造以及焊接等金工實習，鍛煉學生的動手能力；(4)下廠實習，大三暑假期間，在指導老師帶領下去中航工業集團下屬的企業或電廠進行為期一個月的下廠實習，鍛煉學生把理論知識應用于工程實際中的能力；(5)畢業設計，指導老師開設的畢業設計題目一般都來源于實際工程問題，學生在老師的指導下，在大四下半年開展為期半年的本科畢業實際，培養學生的工程意識、協作精神以及綜合應用所學知識解決實際問題的能力。能源與動力專業要求學生在實踐能力與畢業設計方面修讀的總學分不低于42.5，占總學分的23.6％，達到了工程教育專業認證標準中至少占總學分的20%的要求。
2.4人文社會科學類通識教育課程能源與動力專業在人文社會科學類通適教育課程方面主要包括以下幾個模塊：(1)通適基礎教育平臺，主要包括形式政策教育、思想道德修養與法律基礎、安全教育、大學生心理健康教育等課程，共19.5個學分；(2)國防軍事模塊，包括航空航天概論、軍事高技術概論等，至少修滿1.5個學分；(3)文化素質模塊，主要包括文化歷史、藝術鑒賞、科技基礎、哲學社會等課程，至少要修滿6個學分；(4)創新創業類模塊，主要包括大學生職業生涯發展與規劃、創業基礎以及經濟管理等課程，共5.5個學分。人文社會科學類通識教育課程總共需修滿32.5個學分，占總學分的18％，達到了工程教育專業認證標準中至少占總學分的15%的要求，使學生在從事工程設計時能夠考慮經濟、環境、法律、倫理等各種制約因素。
2.5航空航天特色類課程的設置為了突出南京航空航天大學能源與動力專業的航空航天特色，在開設的課程中，如國防軍事模塊、專業類課程以及工程實踐與畢業設計中，課程教學內容包含濃郁的航空航天特色，由于指導老師所從事的科研項目都是來自于國防工業集團，具有豐富的研究經驗，因此在專業基礎課和專業課的講課過程中，所列舉的實例都是以航空航天為背景的工程問題，特別是畢業設計和下廠實習，因此在能源與動力專業課程優化過程中，充分突出了南京航空航天大學的航空航天特色。
2.6注重科技創新能力培養學生創新素質的培養直觀重要的是培養學生的創新意識，因此積極創造條件讓學生能夠在大學期間積極的參與科技創新活動。主要包括：(1)鼓勵學生積極參加各種科技類競賽，如:流體力學大賽、節能減排大賽、開設卓越班等，并且科技競賽獲得獎勵的同學在保研方面給予政策上的傾斜；(2)安排學生參與教師的科學研究工作，讓學生在參與科研過程中更好的掌握好該專業的理論知識，加強學生的動手能力，拓展學生的科研視野。
2.7學習進程大學生本科期間的各門課程是相互銜接的，因此需要考慮課程之間的匹配與銜接，如圖1所示。學習進程主要分成了三部分:一是基礎課程，包括高等數學、大學物理、計算機等;二是學科基礎，包括結構和流體力學、熱學和電學方面的課程;三是專業課程，主要包括了熱能動力和能源綜合利用兩個方向的相關課程。整個課程體系分為三條線:第一是流體和熱學相關的課程，如流體力學、工程熱力學、傳熱學、燃燒學等；第二是結構力學方面，包括理論力學、材料力學等;第三是計算機語言方面的課程。因此在安排各門課程的學期上需要考慮上述課程銜接問題，從而最終制定出合理的能源與動力工程專業教學計劃表。
3結論
關鍵詞：電動汽車；懸架；下擺臂；輕量化
中圖分類號：U463 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2550（2013）01-01-04
隨著全球能源危機的不斷擴大，石油資源的日趨枯竭以及大氣污染、全球氣溫上升的危害加劇，各國政府及汽車企業普遍認識到節能和減排是未來汽車技術發展的主攻方向，發展電動汽車將是解決這兩個技術難點的最佳途徑［1］。資料表明，每減輕45 kg汽車自身質量，1 L汽油能增加6 km的行程［2］。在電動汽車的開發過程中，輕量化已成為一種勢在必行的趨勢。
文中依托國家863重大項目，對所設計的某款電動轎車前懸架進行輕量化分析，相關文獻對電動轎車懸架進行了運動學分析［3］。在汽車輕量化研究中，輕金屬鋁的作用越來越明顯［4，5］。文中采用鋁材料對電動車懸架下擺臂進行輕量化。在保證下擺臂靜動態性能的前提下，有效地降低了下擺臂的重量。
1 麥弗遜懸架動力學分析
所設計的電動轎車為前置前驅布置，其前懸架為麥弗遜式獨立懸架。該懸架主要由螺旋彈簧、減振器、下擺臂和轉向節總成等組成。其中，下擺臂在車輛行駛過程中受力較為復雜。如行車緊急制動工況，下擺臂受到沖擊載荷的作用，此時下擺臂受到最大的縱向力；在坑洼路段行駛，下擺臂受到最大的側向力。對下擺臂進行強度分析非常必要。
利用ADAMS/CAR建立麥弗遜式前懸架運動學模型（見圖1），所用到的硬點位置坐標由廠家提供。對懸架進行動力學分析，提取右側懸架下擺臂的前、后支點及球鉸處X、Y、Z三個方向的受力情況，其載荷情況見表1。
2 下擺臂有限元模型的建立
2.1 網格劃分
將下擺臂的UG模型轉化成STP格式導入hyperworks軟件中，下擺臂由上下兩塊板組成。采用四邊形殼單元對下擺臂進行網格劃分。最終下擺臂有限元模型的節點數為29 657，網格單元數為28 842。其中三角形單元數87，占總網格單元數的0.3%，滿足網格劃分要求［6］。本文忽略襯套和球鉸的影響，在擺臂上下支點及球鉸處采用REB2單元連接，便于對有限元模型施加載荷。生成的有限元模型如圖2所示。
2.2 基于慣性釋放的下擺臂靜力學分析
慣性釋放法是求解在平衡外力作用下（如行駛中的汽車，把慣性力考慮進去后外力是平衡的）但無約束或約束不足的結構靜力或動力響應問題的一種處理方法，它可以避免不合理的人為約束［7］。采用慣性釋放功能進行靜力分析時，只需要對一個節點進行6個自由度的約束（虛支座）。針對該支座，程序首先計算在外力作用下每個節點在每個方向上的加速度，然后將加速度轉化為慣性力反向施加到每個節點上，由此構造一個平衡的力系（支座反力等于零）。求解得到的位移描述所有節點相對于該支座的相對運動［8］。
由于設計載荷計算方法的限制和數值計算的累計誤差等原因，要得到一個絕對自平衡的力系極其困難［9］。故文中采用慣性釋放對下擺臂進行有限元分析，施加的載荷采用表1的懸架動力學分析結果。慣性釋放在hyper works軟件中實現較為簡單，只需將約束類型設置為SUPORT1即可。
3 鋼鋁材料下擺臂靜動態性能對比
3.1 應力、應變分析
將有限元模型厚度設置成3 mm，分別對模型賦予鋼材料和鋁材料進行靜態分析。其中鋼材料彈性模量E=2.1×105MPa，泊松比NU=0.3，密度RHO=7 900 kg/m3，鋁材料彈性模量E=7.9×104MPa，泊松比NU=0.33 ，密度RHO=2 800 kg/m3，由計算結果可以看出，采用鋼材料和鋁材料的下擺臂對比，最大應力相差無幾，均出現在下擺臂前支點處。最大變形位于下擺臂后支點處，采用鋁材料的下擺臂是采用鋼材料的2.6倍，如圖3～圖6及表2所示。
3.2 模態分析
采用自由模態對兩種材料的下擺臂進行模態分析，取前12階模態，其中前6階為剛體模態，后6階為彈性變形模態。兩種材料的下擺臂彈性變形模態固有頻率計算結果如表3所示。由此可以看出，同等厚度尺寸的鋼材料和鋁材料下擺臂，鋁材料下擺臂的各階固有頻率要略微高于鋼材料下擺臂。
4 基于剛度約束的下擺臂尺寸優化
由以上分析可知，采用同等厚度鋼材料和鋁材料的下擺臂，其最大應力及固有頻率相差無幾。在承受同等載荷條件下，差別在于下擺臂的最大變形。文中針對采用鋁材料的下擺臂，以最大形變量作為約束條件，下擺臂板塊的厚度作為設計變量，以總體積最小作為優化目標進行尺寸優化。
4.1 尺寸優化
根據有限元靜態分析可得，采用鋼材料3 mm厚的下擺臂的最大形變出現在后支點處（見圖3），文中尺寸優化的約束條件設置成下擺臂后支點最大位移不超過0.136 mm，設計變量下擺臂的厚度變化范圍為2～8 mm，以下擺臂的總體積最小作為優化目標進行尺寸優化。
經過3步迭代，下擺臂后支點最大位移0.135 mm，最大應力59.7 MPa，此時鋁材料下擺臂的厚度為5.2 mm。圓整為5 mm。迭代過程如表4所示。
4.2 優化前后性能對比
將采用鋼材料的3 mm板厚的下擺臂與采用鋁材料的5 mm板厚的下擺臂進行有限元靜、動態對比，結果如表5～6所示。由此可以得出，5 mm厚的鋁材料下擺臂較之3 mm厚的鋼材料下擺臂，在受到特定載荷條件下最大變形量保持一致，固有頻率得到顯著提升，下擺臂最大應力及質量都有明顯的減少。
5 結論
文中主要是針對某款電動轎車麥弗遜懸架下擺臂進行動、靜態強度分析和輕量化設計。首先運用慣性釋放的方法對鋼材料、鋁材料的下擺臂進行靜力學分析，并進行模態分析。得出同等厚度的麥弗遜懸架下擺臂，分別采用鋼材料、鋁材料，其最大應力及固有頻率基本一致，最大變形量鋁合金材料是鋼材料的兩倍以上。
其次運用尺寸優化的方法，在保證麥弗遜下擺臂最大變形量一致的條件下對擺臂板件厚度進行分析，最后用5 mm厚的鋁合金板塊替換原有的3 mm厚鋼板，在保證最大變形量不變的前提下，下擺臂的剛度、模態性能有很大程度的提升，并且重量減少了43%，從而為電動汽車部件的輕量化設計提供借鑒與參考。
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關鍵詞：橋梁施工力學；大跨度橋梁；理論體系；力學分析
中圖分類號：K928文獻標識碼： A
1 引言
施工力學是力學學科與土木工程等工程學科結合的產物，其成果將會對全國工程建設以及 21 世紀發展產生廣泛、深遠影響。它主要研究結構在施工過程中的力學表現，以對施工過程正確地進行結構分析。在科學技術和經濟不斷發展的今天，回顧橋梁建設結構的歷史，從小跨度、形式簡單的橋梁結構，到現在的大跨度、結構復雜的新式橋梁，都體現了科技的不斷進步。伴隨著新技術、新工藝、新材料的不斷發展，以及關于橋梁方面作用荷載研究的不斷深入，人們更加關注橋梁力學問題的研究。同時，這一系列的問題也推動了我國橋梁力學的發展。同樣，橋梁力學的研究成果也使得橋梁設計施工和橋梁管理水平有了相應的提高。在技術不斷發展的過程中，橋梁建設的發展與力學研究的發展同樣表現出了相輔相成的態勢，二者互相促進，相互影響。當然，一系列的橋梁倒塌事故等也告訴人們，理論要和實際密切結合，切不可理論脫離實際。力學原理在橋梁施工及施工監理的過程中同樣非常重要。
2 大跨度橋梁施工力學主要問題及理論分析
2.1施工階段力學計算的不確定性
施工階段力學問題不同于橋梁結構設計的力學計算，它具有一定復雜性和不確定性，主要體現在以下兩方面：（1）臨時支架力學計算，包括基礎條件的不確定性、支架連接的不確定性、支架荷載的不確定性；（2）施工狀態的力學計算，包括材料特性的不確定性、結構體系的不確定性、施工荷載的不確定性（橫向荷載及偶然荷載的影響）、構造細節特性的不確定性。
2.2 結構體系轉換
大跨徑橋梁施工過程往往存在體系轉換問題。預應力混凝土連續梁、連續剛構或析式組合拱橋，除滿堂支架施工外，采用其他施工方法都面臨著體系轉換這一共同問題，尤其是采用懸臂澆筑或懸臂拼裝的多跨大跨度連續結構，都經歷最初的靜定懸臂剛構狀態，然后分階段合龍為單跨（或多跨）的固端梁、伸臂梁或臨時連續剛構等不同體系，最后才合龍為成橋狀態的連續梁、連續剛構或析架拱等超靜定結構。
在體系轉換中，除了要計算因施工程序不同、荷載不同而產生的不同施工內力外，還應計及各項次內力，包括施工過程中由于張拉預應力筋引起的次應力和由于溫度變化、混凝土徐變、收縮等因素所產生的次內力。當按順序合龍橋梁形成體系轉換時，在合龍梁段上要張拉連續預應力鋼束，這些連續束的張拉是在超靜定體系上進行的，勢必產生由預加力引起的次內力。多次體系轉換，加上鋼束的預加力沿程分布的變化，計算相當復雜，通常采用等效荷載法，將混凝土與鋼束分開來考慮，最后求得預應力對結構的總效應（包括初內力和次內力）。選擇體系轉換次序時，應該使最終的連續梁（或剛構）體系的恒載內力分布合理，同時還應盡可能地縮小各項次內力的不利影響。在懸臂施工的連續梁中，各項次內力常使跨中區段的正彎矩值有較大幅度的變化。
2.3 由荷載組合分析結構內力和局部應力
大跨度橋梁結構復雜，設計和施工高度相互作用。如果兩種或兩種以上原因同時發生，則會出現應力的疊加，其結果使得梁體的應力超過正常使用極限狀態的混凝土應力限值，必須以恒載+活載+溫度驟降+基礎不均勻沉降為控制設計荷載。
對大跨度橋梁構件細部也需要精確的應力分析，連續梁橋在頂板配置有橫向預應力的情況下，頂板和腹板交接處為控制設計斷而，預應力鋼筋錨固端的兩側，危險截而要加以驗算。以避免局部構造損傷而失效，使橋梁破壞。
2.4 撓度計算的疊加算法以及力學關系分析
橋梁的撓度計算也是對不同階段所產生的撓度的疊加，其總值和一次性成橋所產生的撓度值也是有差異的。不同的成橋方式其撓度規律截然不同。施工階段，其累計撓度能夠更準確地體現出橋梁建成以后最終的成橋線形。由此可知，橋梁的施工線形控制需要按照施工階段累積撓度為依據進行。對于采取懸臂掛籃澆筑施工法，最容易發生的是內力和撓度不相吻合，也就是內力等效的計算方式下算出來的撓度與實際的撓度不一樣，撓度不等效，在預計誤差范圍外。現階段，對于大跨徑的橋梁線形控制，己逐步發展成為施工控制過程中一項非常重要的任務。在橋梁施工過程中必須要考慮其實際內力情況，而且要使得撓度計算合乎要求。
2.5 有效預應力作用力學計算分析
大跨度橋梁結構中，預應力的大小受到預加力值和預應力筋的形狀兩個因素的影響。一般情況下，預加力值包括對構件截而本身具有靜定的作用，對一些多余的約束有超靜定的作用。在分階段施工的橋梁建筑過程中，常用到的方法包括外力作用法，等效荷載法以及組合截面法。現階段，對于預應力效應計算方法的選取，都是在原有的對于小型橋梁建設的基礎上進行的，而大跨度的橋梁建設，預應力損失很大，其實際結果與計算結果相差較大。
3大跨度橋梁分析的施工力學效應
研究表明，進行大跨度橋梁的施工力學分析和竣工結構一次性力學分析的差異，即大跨度橋梁的施工力學效應可分為下面三種情況:
一是“時效”。若材料具有粘性或結構具有非定常熱傳導或需要考慮結構質量的慣性，則這些含有時間因素的問題將和幾何、物性、邊界的時變發生藕聯，產生施工力學“時效”，即同一結構，不同施工過程，其最終力學狀態不同，當然施工力學分析結果和結構一次性分析結果也有不同。
二是“路效”。若材料具有非線性或考慮幾何非線性，邊界非線性（接觸），則這些問題含有的路徑因素將和幾何、物性、邊界時變發生藕聯，產生施工力學“路效”，即同一結構，不同施工過程，其最終力學狀態不同，當然施工力學分析結果和結構一次性分析結果也不同。
第三種情況，即不考慮以上諸因素，只是計入幾何或物性或邊界時變，而材料是線彈性的，則不存在“時效”、“路效”，施工力學的分析過程只要不斷改變參數，進行多次常規分析（各次間不再藕聯），其簡單組合形成施工過程力學狀態時空分布，來作為設計參考。也就是同一結構，不同施工過程，其最終力學狀態是一樣的，施工力學分析只是增加施工過程不同階段的分析計算。
4 結語
大跨度橋梁施工目前應用廣泛。對于大跨度橋梁工程的質量把握，關系到人們的生命安全，關系到社會的穩步發展。分析其具體的力學理論，對于更好地進行大跨度橋梁施工建設有著十分重要意義。本文從多個方而分析了大跨度橋梁施工中的力學原理，并且給出了一些簡要的解決措施。通過本文的研究，能夠對該方而的問題給予一些指導。相信在不斷的發展過程中，關于該方而的問題會處理得越來越好，關于大跨度橋梁施工質量也會更加完善。
參考文獻
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