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摘 要：自从1999年清华土木工程系发起了以莲桥为模型的结构设计大赛，结构设计大赛风行于各省和地区。随着结构设计大赛的发展，以静力分析为基础进行有限元的仿真与模拟，把提高分析水平和设计质量作为目的，提出"结构设计大赛中的CAD/CAE仿真分析"的研究。运用CAD/CAE技术进行模型的优化设计可减少的时间和材料，获得更科学的结构。
关键词：结构设计大赛；有限元软件；CAD/CAE仿真分析
前言
目前大学生结构结构设计大赛正处于蓬勃发展的阶段，CAD/CAE在大赛中的运用也是愈来愈普遍，各校的作品也呈现出越来越强的科技性、实用性。本文通过分析CAD/CAE在结构大赛的运用实例，结合国内结构大赛行情，对结构设计大赛中的CAD-CAE仿真分析与模拟做出了具有总结性、前瞻性的分析。
目录
1 结构设计赛与CAD/CAE仿真分析技术
1.1 结构设计大赛的意义及景..............................4
1.2 CAD/CAE的应用意义...................................4
1.3 仿真分析对结构设计大赛的意义........................4
2 结构设计大赛的国内外现状
2.1 国内比赛情况........................................5
2.2 结构设计大赛中学生仿真能力的体现....................5
3 CAD/CAE在结构设计大赛的应用.............................6
4 应用实例................................................6
5 结语....................................................7
1 结构设计赛与CAD/CAE仿真分析技术
1.1结构设计大赛的背景和意义
结构设计大赛是一项汇集创造性和挑战性的科技竞赛。通过综合运用所学的知识，进而提高同学的动手和思维能力，培养团队意识。通过结构设计大赛可以将实际工程与课堂理论相结合，培养了大学生计算与设计能力，现已成为大学生9项科技竞赛之一。
1.2 CAD/CAE的应用意义
随着我国土木类本科生教学水平的提高以及结构设计大赛的逐步进展，对于越来越有具挑战性的结构设计大赛，仅限依靠静力分析和设计已经完全不能满足大赛的命题要求，因此想提高分析水平和设计质量的话，很有必要对此基础上进行有限元的仿真模拟。
CAD 即计算机辅助设计 （ Computer Aided Design） ，是指利用软件系统和计算机硬件帮助设计者解决工程设计的方法和技术。土木工程常用的CAD 软件包括 AutoCAD、建筑结构PKPM、天正建筑 CAD、结构力学求解器、Flash、Photoshop等。
CAE 即计算机辅助工程（ Computer Aided Engineering） ，是指用计算机辅助求解复杂工程的结构刚度、强度、动力响应、稳定性及弹塑性等结构性能的优化设计以及力学性能的分析计算的一种近似数值分析方法。土木工程常用的 CAE 软件包括ABAQUS、MSC、ANSYS、SAP 等。但相对于 CAD 软件而言，SAP 2000、ANSYS 等 CAE 软件是大型的有限元分析软件。
1.3仿真分析对结构设计大赛的意义
在进行结构的设计时，先应应进行合理的结构选型，根据使用条件和设计条件来确定结构形式，然后根据此基础进行下一步的分析，接着运用有限元软件进行论证和分析，最后实际建模来验证和改进。根据理论的指导，在进行结构模型的优化设计时，可以大幅度减少制作模型消耗的材料和时间，这样可以充分利用材料的强度，保证结构的刚度和强度同时满足要求，并且能够很好的优化设计效果。
2 结构设计大赛的国内外现状
2.1国内比赛情况
近二十年来，对于大学生结构设计大赛，在我国的各高校中都得到了较好的发展。例如1999年的清华大学土木工程系举办了第一届结构设计大赛，当时的题目是以清华大学的一座观赏性小桥—“莲桥”为思路的；2012年重庆大学举办第六届结构设计大赛，大赛以吊脚楼建筑抵抗山顶滑坡和泥石流等地质灾害为题，具有重要的工程针对性和现实意义； 2014年长安大学基于当前全球已进入巨震期为背景，以楼阁式古建筑以其优美的造型和精巧的设计为思路，命题为三重檐攒尖顶仿古楼阁结构模型制作与抗震测试。随着结构设计在全国赛影响力逐渐增大，参加比赛的高校也越来越多，现如今也有一些国外的高校受邀参加了比赛。
2.2结构设计大赛中学生仿真能力的体现
仿真分析在结构大赛中亦可称为虚拟现实技术，具有实时交互性、多感知性、存在感和自主性。即学生可以通过仿真分析更加主动、直观的得到标准作品前对结构进行模拟观察，考证数据的可用性，并进一步对作品进行改进，甚至是为其他奇思妙想提供了空间。
3 CAD/CAE在结构设计大赛的应用
比如对斜拉桥进行动力分析时，首先得建立动力分析模型，即需要对斜拉桥进行空间离散，将结构用杆、梁、索膜或者其他单元进行模拟。同在没有使用CAD/CAE进行仿真模拟的静力分析不同的是，进行动力分析时，不仅要考虑构建刚度的分配，而且要考虑质量的分配，相比之下仿真分析更具完善性。
4 应用实例
下面就列举一例说明结构设计大赛中的CAD/CAE仿真分析与模拟的应用。这是中南地区第四届大学生结构设计竞赛湖北工业大学工程技术学院的作品—刚性桥墩单跨桥梁结构模型制作和加载试验—纽带。
考虑到力学求解器仅是进行平面的计算，无法模拟赛题规定的水平制动力和横向风荷载，于是采用结构分析软件ANSYS建立计算模型。并且做如下假定：
①结构模型柱底用钢板和螺栓固定，限制住水平约束和竖向约束，底部支座杆取为固定端；
②所有结构杆件均在弹性范围内工作；
③铁块荷载简化为面荷载施加在主梁及连杆跨中，水平制动力和横向风荷载简化为集中荷载加在主梁跨中连杆的中间。
③顺纹方向材质连续、均匀；
④塔柱与梁、塔柱与连杆、主梁与连杆、支座杆与塔柱等杆件之间的连接结点均为刚结；
⑥拉索与立柱、拉索与主梁为刚结。
在以上假定的基础上，采用ABAQUS建立的模型如图2-1所示，包括塔柱、主梁、连杆、支座杆、斜杆、拉索在内的所有构件均采用壳单元。
图2-1 ABAQUS铰单元建模计算简图
通过ABAQUS的应用，相比仅仅依靠理论计算得到模型，可以很快地设计出直观的三维动态结构模型，并考量其可靠性。
5 结语
本篇论文借用了高校参加结构大赛中对有限元软件的运用，介绍了CAD/CAE仿真分析与模拟在结构大赛中的作用与意义。结构设计大赛不是一场普通竞赛，是学生们技术和能力的比拼。而大赛中运用有限元仿真模拟是一种以科学技术处理问题的方法，更能提高作品质量和学生能力。
参考文献：
[1]陈庆军等.国内外大学生结构设计竞赛总结及研究.东南大学学报（哲学社会科学版）.2012年
[2]张炎圣等.大学生结构设计大赛中的计算机仿真分析.《力学与实践》2009年04期
[3]郝莉等.以结构大赛为背景_培养学生的力学创新思维. 北京力学会第13届学术年会论文集.2007
[4]花炳灿.复杂仿生结构设计中的CAD_CAE技术应用.《土木建筑工程信息技术》.2009年第1期
[5]张舟.基于CAD与CAE技术的建筑桁架结构模型设计研究.《西安建筑科技大学》.2011年
关键词：结构设计大赛；有限元软件；CAD/CAE仿真分析
前言
目前大学生结构结构设计大赛正处于蓬勃发展的阶段，CAD/CAE在大赛中的运用也是愈来愈普遍，各校的作品也呈现出越来越强的科技性、实用性。本文通过分析CAD/CAE在结构大赛的运用实例，结合国内结构大赛行情，对结构设计大赛中的CAD-CAE仿真分析与模拟做出了具有总结性、前瞻性的分析。
目录
1 结构设计赛与CAD/CAE仿真分析技术
1.1 结构设计大赛的意义及景..............................4
1.2 CAD/CAE的应用意义...................................4
1.3 仿真分析对结构设计大赛的意义........................4
2 结构设计大赛的国内外现状
2.1 国内比赛情况........................................5
2.2 结构设计大赛中学生仿真能力的体现....................5
3 CAD/CAE在结构设计大赛的应用.............................6
4 应用实例................................................6
5 结语....................................................7
1 结构设计赛与CAD/CAE仿真分析技术
1.1结构设计大赛的背景和意义
结构设计大赛是一项汇集创造性和挑战性的科技竞赛。通过综合运用所学的知识，进而提高同学的动手和思维能力，培养团队意识。通过结构设计大赛可以将实际工程与课堂理论相结合，培养了大学生计算与设计能力，现已成为大学生9项科技竞赛之一。
1.2 CAD/CAE的应用意义
随着我国土木类本科生教学水平的提高以及结构设计大赛的逐步进展，对于越来越有具挑战性的结构设计大赛，仅限依靠静力分析和设计已经完全不能满足大赛的命题要求，因此想提高分析水平和设计质量的话，很有必要对此基础上进行有限元的仿真模拟。
CAD 即计算机辅助设计 （ Computer Aided Design） ，是指利用软件系统和计算机硬件帮助设计者解决工程设计的方法和技术。土木工程常用的CAD 软件包括 AutoCAD、建筑结构PKPM、天正建筑 CAD、结构力学求解器、Flash、Photoshop等。
CAE 即计算机辅助工程（ Computer Aided Engineering） ，是指用计算机辅助求解复杂工程的结构刚度、强度、动力响应、稳定性及弹塑性等结构性能的优化设计以及力学性能的分析计算的一种近似数值分析方法。土木工程常用的 CAE 软件包括ABAQUS、MSC、ANSYS、SAP 等。但相对于 CAD 软件而言，SAP 2000、ANSYS 等 CAE 软件是大型的有限元分析软件。
1.3仿真分析对结构设计大赛的意义
在进行结构的设计时，先应应进行合理的结构选型，根据使用条件和设计条件来确定结构形式，然后根据此基础进行下一步的分析，接着运用有限元软件进行论证和分析，最后实际建模来验证和改进。根据理论的指导，在进行结构模型的优化设计时，可以大幅度减少制作模型消耗的材料和时间，这样可以充分利用材料的强度，保证结构的刚度和强度同时满足要求，并且能够很好的优化设计效果。
2 结构设计大赛的国内外现状
2.1国内比赛情况
近二十年来，对于大学生结构设计大赛，在我国的各高校中都得到了较好的发展。例如1999年的清华大学土木工程系举办了第一届结构设计大赛，当时的题目是以清华大学的一座观赏性小桥—“莲桥”为思路的；2012年重庆大学举办第六届结构设计大赛，大赛以吊脚楼建筑抵抗山顶滑坡和泥石流等地质灾害为题，具有重要的工程针对性和现实意义； 2014年长安大学基于当前全球已进入巨震期为背景，以楼阁式古建筑以其优美的造型和精巧的设计为思路，命题为三重檐攒尖顶仿古楼阁结构模型制作与抗震测试。随着结构设计在全国赛影响力逐渐增大，参加比赛的高校也越来越多，现如今也有一些国外的高校受邀参加了比赛。
2.2结构设计大赛中学生仿真能力的体现
仿真分析在结构大赛中亦可称为虚拟现实技术，具有实时交互性、多感知性、存在感和自主性。即学生可以通过仿真分析更加主动、直观的得到标准作品前对结构进行模拟观察，考证数据的可用性，并进一步对作品进行改进，甚至是为其他奇思妙想提供了空间。
3 CAD/CAE在结构设计大赛的应用
比如对斜拉桥进行动力分析时，首先得建立动力分析模型，即需要对斜拉桥进行空间离散，将结构用杆、梁、索膜或者其他单元进行模拟。同在没有使用CAD/CAE进行仿真模拟的静力分析不同的是，进行动力分析时，不仅要考虑构建刚度的分配，而且要考虑质量的分配，相比之下仿真分析更具完善性。
4 应用实例
下面就列举一例说明结构设计大赛中的CAD/CAE仿真分析与模拟的应用。这是中南地区第四届大学生结构设计竞赛湖北工业大学工程技术学院的作品—刚性桥墩单跨桥梁结构模型制作和加载试验—纽带。
考虑到力学求解器仅是进行平面的计算，无法模拟赛题规定的水平制动力和横向风荷载，于是采用结构分析软件ANSYS建立计算模型。并且做如下假定：
①结构模型柱底用钢板和螺栓固定，限制住水平约束和竖向约束，底部支座杆取为固定端；
②所有结构杆件均在弹性范围内工作；
③铁块荷载简化为面荷载施加在主梁及连杆跨中，水平制动力和横向风荷载简化为集中荷载加在主梁跨中连杆的中间。
③顺纹方向材质连续、均匀；
④塔柱与梁、塔柱与连杆、主梁与连杆、支座杆与塔柱等杆件之间的连接结点均为刚结；
⑥拉索与立柱、拉索与主梁为刚结。
在以上假定的基础上，采用ABAQUS建立的模型如图2-1所示，包括塔柱、主梁、连杆、支座杆、斜杆、拉索在内的所有构件均采用壳单元。
图2-1 ABAQUS铰单元建模计算简图
通过ABAQUS的应用，相比仅仅依靠理论计算得到模型，可以很快地设计出直观的三维动态结构模型，并考量其可靠性。
5 结语
本篇论文借用了高校参加结构大赛中对有限元软件的运用，介绍了CAD/CAE仿真分析与模拟在结构大赛中的作用与意义。结构设计大赛不是一场普通竞赛，是学生们技术和能力的比拼。而大赛中运用有限元仿真模拟是一种以科学技术处理问题的方法，更能提高作品质量和学生能力。
参考文献：
[1]陈庆军等.国内外大学生结构设计竞赛总结及研究.东南大学学报（哲学社会科学版）.2012年
[2]张炎圣等.大学生结构设计大赛中的计算机仿真分析.《力学与实践》2009年04期
[3]郝莉等.以结构大赛为背景_培养学生的力学创新思维. 北京力学会第13届学术年会论文集.2007
[4]花炳灿.复杂仿生结构设计中的CAD_CAE技术应用.《土木建筑工程信息技术》.2009年第1期
[5]张舟.基于CAD与CAE技术的建筑桁架结构模型设计研究.《西安建筑科技大学》.2011年