ansys框架結(jié)構(gòu)經(jīng)典例子

1、01 (ANSYS)ANSYS 9.0 版本啟動(dòng)的時(shí)候首先出現(xiàn)如下圖所示的對(duì)話框，其中第一頁提示用戶選擇需要的 ANSYS 功能模塊，用戶需要根據(jù)其購買的 ANSYS 模塊和計(jì)算的問題內(nèi)容來選擇。2選擇啟動(dòng)對(duì)話框的第二個(gè)頁面，這里 ANSYS提示用戶給出操作所在的文件夾以及相應(yīng)的任務(wù)名稱。而后ANSYS 的計(jì)算過程及結(jié)果都存放在該文件夾中，一般都以任務(wù)命作為文件名，以擴(kuò)展名表示文件的類型。例如，在本次分析中，任務(wù)名為 Case01，那么 ANSYS的計(jì)算結(jié)果，一般會(huì)以 Case01.rst 文件的形式存放在 D:AnsysWorkBookcase01文件夾中3以上設(shè)置好后點(diǎn)擊“Run”按鈕，就

2、進(jìn)入ANSYS的主操作界面，ANSYS操作界面主要包括以下 4 部分：(1) ANSYS 窗口頂部菜單，提供一些常用功能開關(guān)選項(xiàng)；(2) ANSYS 窗口頂部工具欄，提供一些常用功能件，比如打開文件、保存文件等；(3) 在工具欄右側(cè)為命令輸入欄，ANSYS 的所有操作都可以通過輸入一定格式的命令來完成，ANSYS 稱其這套命令體系為 APDL 語言；(4) ANSYS 窗口中央左側(cè)為 ANSYS 的主菜單，ANSYS 圖形界面分析（GUI）的大部分功能都由這部分菜單完成。主菜單中最常用的幾個(gè)模塊為前處理模塊（Preprocessor求解模塊（SolutionGeneral Postproc ）

3、和時(shí)程后處理模塊（TimeHistPostproc(5) ANSYS 窗口中央右側(cè)為 ANSYS 的顯示窗口，GUI 界面的各種操作和結(jié)果都在該窗口顯示頂部菜單頂部工具欄顯示窗口4首先要選擇分析所用的單元類型。在本次分析中，我們將用到在土木工程中最常用的兩 Beam 188 和三維殼單元Shell 63而剪力墻和樓板則可以用殼單元模擬。ANSYS 提供了多種梁單元，其中 Beam 188 單元的好處是可以很方便的定義各種土木工程常用構(gòu)件截面形式，并可以很方便的在 GUI 截面中顯示出來，因此比較受歡迎。5首先在 ANSYS 提供的上百個(gè)單元中按類別選擇梁單元 Beam 188以及殼單元 She

4、ll 636ANSYS 中每個(gè)單元還有一些選項(xiàng)，可以通過點(diǎn)擊 Option 按鈕加以設(shè)定。7定義完單元類型后，下面就要定義單元的一些幾何屬性。我們首先來定義殼單元。進(jìn)入ANSYS 主菜單的第二項(xiàng)，Real Constants ，選擇 Add/Edit/Delete, 進(jìn)入實(shí)參數(shù)定義窗口，選擇 Add 按鈕添加實(shí)參數(shù)，并指定該實(shí)參數(shù)和 Shell 63 單元相關(guān)。8在實(shí)參數(shù)窗口中輸入殼單元的厚度，在本算例中，殼單元用作樓板，厚度為 150mm。需要說明的是，在有限元軟件中，一般都不限制參數(shù)的單位制，使用者需要根據(jù)具體問題選擇統(tǒng)一的單位制。比如對(duì)于本問題采用的就是 N-mm 單位制。9ANSYS

5、主菜單的第三項(xiàng)為輸入材料參數(shù)，點(diǎn)擊進(jìn)入材料參數(shù)輸入窗口。選擇材料類型Structural-線性(Linear)-彈性(Elastic)-各向同性(Istropic)3量和泊松比，對(duì)于鋼材分別為 20010 和 0.3。10選擇材料窗口中 Material 菜單，選擇New Material，材料編號(hào)為2，輸入混凝土的彈性模量和泊松比，分別為 30103N/mm2 和 0.2。11下面進(jìn)入 ANSYS的主菜單的第四個(gè)選項(xiàng)，輸入截面信息。我們要定義的梁單元截面為工字型截面。首先定義柱子，設(shè)定截面編號(hào)(ID)為 1，截面類型選擇為工形，按圖中提示參數(shù)依次輸入翼緣寬度，腹板高度，翼緣厚度和腹板厚度。需

6、要注意的是，ANSYS 這里還要求輸入梁單元軸線在截面上的位置。對(duì)于柱子，我們?cè)O(shè)定軸線在梁截面中心，即選擇Offsetto “Centroid”12對(duì)于梁單元，其他和柱子一樣，區(qū)別是我們讓梁的軸線位置在梁的頂部，即選擇Offsetto 截面坐標(biāo)(0,500)的位置。不同截面的原點(diǎn)坐標(biāo)在截面圖上都有相應(yīng)標(biāo)識(shí)。截面原點(diǎn)13完成截面信息定義后就可以開始建模操作。首先我們通過 ANSYS 主菜單Preprocessor-Modeling-Create-Keypoint選擇建立關(guān)鍵點(diǎn)。需要說明的是，ANSYS 建模幾何拓?fù)潢P(guān)系嚴(yán)格遵守點(diǎn)(Keypoint)線(Line)面(Area)體這樣的規(guī)律，所以我

7、們先從點(diǎn)開始建立模型。選擇點(diǎn)的輸入方式為當(dāng)前坐標(biāo)系(In Active ，第一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的編號(hào)為 1，坐標(biāo) 0，0，0。14下 面 我 們 要 生 成 X 方 向 的 柱 網(wǎng) 。 在 ANSYS 主 菜 單 中 選 擇 復(fù) 制（Preprocessor-Modeling-Copy Keypoints，從彈出菜單中選擇剛才建立的關(guān)鍵點(diǎn)。15在復(fù)制窗口中，輸入要復(fù)制成 4 個(gè)點(diǎn)，各點(diǎn)間距為 5000mm。于是得到新的關(guān)鍵點(diǎn)分布如圖16在 ANSYS建模中，Beam 188 柱子而言，我們?cè)O(shè)定一個(gè)在 X 方向很遠(yuǎn)（5000000mm）的點(diǎn)為方向控制點(diǎn)。因此，將關(guān)鍵點(diǎn) 1 復(fù)制一個(gè)到 X=5000000

8、mm位置。17這時(shí)屏幕顯示如下，由于關(guān)鍵點(diǎn) 5（即 5000000mm 位置的點(diǎn)）距離太遠(yuǎn)，我們看不清其他關(guān)鍵點(diǎn)，所以我們選擇 Pan-Zoom-Rotate 按鈕，用 Pan-Zoom-Rotate 提供的 Box Zoom功能放大原點(diǎn)附近的區(qū)域。18下一步將把柱網(wǎng)關(guān)鍵點(diǎn) 1-4 向上（Z 軸方向）復(fù)制 3000mm，生成柱子頂部。同樣選擇復(fù)制關(guān)鍵點(diǎn)，這時(shí)也可以用 Box 工具來選擇關(guān)鍵點(diǎn)。輸入復(fù)制的距離，為 Z 方向 3000mm。19復(fù)制完成后點(diǎn)擊 Pan-Zoom-Rotate 窗口中的 Iso 按鈕，就可以看到三維空間中這些關(guān)鍵點(diǎn)的布置。20建立完關(guān)鍵點(diǎn)后下一步就要建立線。選擇 Cr

9、eate 菜單中的 Lines 選項(xiàng)，輸入線的形式為直線。點(diǎn)選相應(yīng)關(guān)鍵點(diǎn)，生成直線。21將剛才生成的柱網(wǎng)關(guān)鍵點(diǎn)相連，得到 4 根柱子軸線如圖復(fù)制這些軸線，選擇 Copy-Lines，選擇剛才生成的柱子22進(jìn)入 Copy Lines 窗口，輸入復(fù)制成 3 份，間距 4000mm。得到柱子布置如圖。23同樣方法，選擇 ANSYS 主菜單 Preprocessor-Modeling- Create- Lines- Lines-Straight Lines 將柱頂相連生成梁 1 復(fù)制到 Z 軸 3000000mm處。24最 后生 成樓 板 ，進(jìn)入 ANSYS 頂 部 菜 單 Plot-Lines，選

10、擇 ANSYS 菜 單 中Create-Areas-Arbitrary-By Lines2526選擇相應(yīng)的直線，建立面27建立完樓板后，幾何建模工作完成，下面需要給剛才建立的幾何體賦予物理屬性。首先設(shè)定梁柱單元。進(jìn)入 Meshing 菜單，選擇 Mesh Attribution，選定所有表示柱子的直線。28設(shè)定其材料屬性為 1意選擇，單元類型為Beam188。截面類型為1。這里尤其需要注意的是，要輸入截面方向控制關(guān)鍵點(diǎn)。29我們知道，空間梁單元除了軸線方向以外，還需要一個(gè)矢量來定義其截面彎曲的主軸方向。ANSYS 中對(duì) Beam 188 采用了“截面方向控制點(diǎn)”的方法來定義截面主軸方向，即：除

11、了輸入單元的兩個(gè)端點(diǎn)以外，還需要輸入一個(gè)附加的節(jié)點(diǎn)或者關(guān)鍵點(diǎn)。這個(gè)附加節(jié)點(diǎn)或者關(guān)鍵點(diǎn)和梁單元的起始節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)矢量，這個(gè)矢量就是梁單元的法線方向。因此，在前面建模工作中，我們?cè)?X 方向很遠(yuǎn)的地方建立一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，目的就是讓柱子的主軸方向和 X軸方向一致。在 plot 菜單中選擇繪制關(guān)鍵點(diǎn)。得到關(guān)鍵點(diǎn)分布如圖30選擇剛才建立的在 X 方向很遠(yuǎn)的關(guān)鍵點(diǎn)，作為柱子的方向控制點(diǎn)。再到 Plot 菜單中選擇繪制 Lines，31同樣選擇代表梁的直線設(shè)定梁的屬性，與柱子一樣，只是截面屬性編號(hào)為 2。32基于同樣原因，選擇 Z 方向很遠(yuǎn)的那個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)作為梁的方向控制點(diǎn)，即梁的主軸方向是 Z 軸方向。33最后，

12、給所有的面設(shè)定屬性，其材料屬性為 1 Shell63。由于截面屬性和殼單元無關(guān)，所以可以任意輸入。完成幾何體的屬性賦值后就可以進(jìn)行網(wǎng)格劃分。選擇 Meshtool 工具。34LinesMeshtool窗口的 Lines-Set 按鈕。然后選擇所有代表柱子的線。35給線設(shè)定網(wǎng)格密度的方法有兩種，一種是設(shè)定分段數(shù)，一種是設(shè)定每段的長度。對(duì)于柱子，我們?cè)O(shè)定其分段數(shù)為 5。得到下圖36而對(duì)于代表梁單元的直線，我們?cè)O(shè)定其分段方式為分段得到單元的最大長度為2000mm。37得到最后的分段情況如圖。38下面開始劃分網(wǎng)格，首先對(duì)線進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選擇 mesh 的對(duì)象為 Lines，選擇所有的線，39劃分得到有

13、限元分析所用的單元但是這些單元看不出其形狀和方向。ANSYS 提供了很好的前處理人機(jī)界面。通過選擇菜單 Plot Ctrl-Style-Size and Shape菜單選項(xiàng)40設(shè)定 Display of element 為 ON41ANSYS 就會(huì)繪出相應(yīng)單元的空間形狀和位置。將梁柱結(jié)點(diǎn)附近單元放大42可以看到單元之間的相對(duì)位置，這樣非常便于檢查單元的位置和相互關(guān)系是否正確，尤其是單元截面主軸方向是否正確。43再次在 Meshtools 中選擇網(wǎng)格劃分對(duì)象為 Area，選中所有的面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到樓板單元如圖44同樣可以到角部放大觀察樓板和梁的空間位置關(guān)系是否正確。45 Offset為(0,

14、500)即為其頂面，這和實(shí)際結(jié)構(gòu)中梁頂面位于樓板以下的情況是一致的。如果將截面的 Offset和柱子一樣設(shè)定為“Centroid46完成了上述工作后網(wǎng)格劃分完成，開始進(jìn)入分析階段，首先在 ANSYS 主菜單 Solution模塊中，選擇 Analysis Type-New Analysis，指定分析的工況類型為靜力分析 Static47下面開始輸入荷載和支座條件，首先輸入支座。選擇ANSYS 菜單中的 DefineLoad-Apply-Structural-Displacement-On Keypoints選項(xiàng)，選擇所有的柱腳關(guān)鍵點(diǎn)。48設(shè)定這些關(guān)鍵點(diǎn)的位移全部被約束住(All DOF)49得

15、到約束分布如圖。再在結(jié)構(gòu)上施加節(jié)點(diǎn)力，選擇 Apply-Force-On Keypoints，選擇第一榀梁柱交點(diǎn)503輸入荷載為 X 方向的力（FX-10010 N（負(fù)數(shù)表示延 X 軸負(fù)方向）51得到荷載表示如圖52添加完荷載和支座條件后就可以計(jì)算了，在 ANSYS主菜單 Solution 模塊選擇 Solve 菜單，選擇分析的對(duì)象為當(dāng)前荷載步 Current Load Step (LS)，會(huì)彈出一個(gè)文本窗口簡要介紹當(dāng)前分析對(duì)象的主要參數(shù)。53關(guān)閉文本窗口，確認(rèn)當(dāng)前計(jì)算計(jì)算完成后對(duì)話框提示如圖54進(jìn)入 ANSYS 的后處理菜單 General Postproc，選擇繪制結(jié)果(Plot resu

16、lts)，繪制變形后的形狀 (Deformed Shape) ，并選 擇繪 制方式 為變 形后的 形狀 加上未 變形 形狀的 輪 廓(Def+undef edge)。55得到結(jié)構(gòu)變形圖如下選擇 Pan-Zoom-Rotate Bot視圖，得到結(jié)構(gòu)變形平面內(nèi)視圖如下。56本案例注意事項(xiàng)：（1） 空間梁單元方向定義（2） 空間梁單元和樓板之間的相互關(guān)系（3）5702 (ANSYS)土木工程中除了常見的靜力分析以外，動(dòng)力分析，特別是結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的受力分析，也是土木工程中經(jīng)常遇到的問題。結(jié)構(gòu)的地震分析根據(jù)現(xiàn)行抗震規(guī)范要求，一般分為以下兩類：基于結(jié)構(gòu)自振特性的地震反應(yīng)譜分析和基于特定地震波的地震

17、時(shí)程分析。本算例將以一個(gè) 4 質(zhì)點(diǎn)的彈簧質(zhì)點(diǎn)體系來說明如何使用有限元軟件進(jìn)行地震分析。更復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分析其基本過程也與之類似。關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)：(a) 模態(tài)分析(b) 譜分析(c) 地震反應(yīng)譜輸入(d) 地震時(shí)程輸入(e) 時(shí)程動(dòng)力分析(1) 在 ANSYS窗口頂部靜態(tài)菜單，進(jìn)入 Parameters 菜單，選擇 Scalar Parameters 選項(xiàng)，在輸入窗口中填入 DAMPRATIO=0.02，即所有振型的阻尼比為 2%(2) ANSYS 主菜單 Preprocessor-Element type-Add/Edit/Delete，添加 Beam 188 單元(3) 在 Element Type

18、s 窗口中，選擇 Beam 188 單元，選擇 Options，進(jìn)入 Beam 188 的選項(xiàng)窗口，將第 7 個(gè)和第 8 個(gè)選項(xiàng)，Stress/Strain (Sect Points) K7, Stress/Strain (SectNods) ，從 None 改為 Max and MinOnly。即要求 Beam 188 單元輸出積分點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)上的最大、最小應(yīng)力和應(yīng)變(4) 在 Element Types 窗口中，繼續(xù)添加 Mass 21 集中質(zhì)量單元(5) 下面輸入材料參數(shù)，進(jìn)入 ANSYS 主菜單 Preprocessor-Material Props- MaterialModels 菜 單

19、 ， 在 Material Model Number 1中 添 加 Structural- Linear-Elastic-Isotropic EX 和泊松比 PRXY 分別為 210E9 和 0.3。(6) 繼續(xù)給 Material Model Number 1 添加 Density 屬性，輸入密度為 7800。(7) 繼續(xù)給 Material Model Number 1添加 Damping 為 Constant，數(shù)值為 DAMPRATIO(8) 接著建立梁單元的幾何屬性，和上一個(gè)例子一樣，采用Sections 建模，進(jìn)入 ANSYS 主菜單 Preprocessor-Sections-Be

20、am-Common Sections，選擇 Sub-Type 為工字型，截面尺寸 W1=0.2，W2=0.2, W3=0.5, t1=0.01, t2=0.01, t3=0.00858(9) 通 過 實(shí) 參 數(shù) 輸 入 集 中 質(zhì) 量 單 元 的 質(zhì) 量 和 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 ， 在 ANSYS 主 菜 單 中 選 擇Preprocessor-Real Constants-Add/Edit/Delete Real Constants 窗口中選擇Add Element type for Real Constants 選擇 Mass Real Constant for Number1 窗口中輸 1.

21、6E2, 1.6E2，如圖所示。即該質(zhì)量單元在 X 和 Y 方向的質(zhì)量都為 160，入由于本例子模型為平面問題，所以不必考慮 Z 方向的質(zhì)量，同樣也不考慮單元的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。59(10)繼續(xù)添加第二類集中質(zhì)量，過程和上面一樣，但是輸入的質(zhì)量數(shù)值為 1.2E2, 1.2E2(11)完成以上工作就完成了模型的基本數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，下面開始建立物理模型。(12)在 ANSYS主菜單中選擇 Preprocessor-Modeling-Create-Keypoints-In Active CS，依次輸入關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào)和坐標(biāo)：關(guān)鍵點(diǎn) 1：坐標(biāo)(0,0,0)關(guān)鍵點(diǎn) 2：坐標(biāo)(0,3,0)關(guān)鍵點(diǎn) 3：坐標(biāo)(0,6,0)關(guān)鍵點(diǎn)

22、 4：坐標(biāo)(0,9,0)關(guān)鍵點(diǎn) 5：坐標(biāo)(0,12,0)關(guān)鍵點(diǎn) 6：坐標(biāo)(0,0,10000)需要說明的是，關(guān)鍵點(diǎn) 6 為后面建立梁單元所需的截面方向控制點(diǎn)，在上一個(gè)例子中已經(jīng)做過介紹。(13)完 成 關(guān) 鍵 點(diǎn) 輸 入 后 下 面 建 立 直 線 模 型 。 在 ANSYS 主 菜 單 中 選 擇Preprocessor-Modeling-Create-Lines-Lines-Straight Line，依次連接關(guān)鍵點(diǎn) 15。(14)下面給建立完的幾何模型賦予材料屬性，在ANSYS 菜單中選擇 Meshing-MeshAttributes-Picked Lines，選中所有的直線，進(jìn)入 Li

23、ne Attributes 窗口，選擇相關(guān)選項(xiàng)材料屬性，實(shí)參數(shù)，單元類型和截面類型都為 1，點(diǎn)擊 OK 后輸入關(guān)鍵點(diǎn) 6 作為截面方向控制點(diǎn)。60(15)在 ANSYS 主 菜 單 中 選 擇 Preprocessor-Meshing-Size Cntrls- ManualSize-Lines- Picked Lines ，在 Element Sizes on Picked Lines 窗口中設(shè)定 NDIVNo. ofelement divisions 為 3，即將每條直線分為 3 段(16)在 ANSYS 主菜單中選擇 Preprocessor-Meshing-Mesh-Lines，選擇所有

24、的直線，完成直線的網(wǎng)格劃分。(17)為了便于后面操作，將網(wǎng)格劃分后的單元和節(jié)點(diǎn)編號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)那謇?。?ANSYS 主菜單中選擇 Preprocessor-Numbering Ctrls-Merge Items ，在 Merge Coincident orEquivalently Defined Items 窗口中選擇 All NumberingCtrls-Compress Number 菜單，在 Compress Number 中選擇 All，對(duì)節(jié)點(diǎn)和單元進(jìn)行重新編號(hào)。61(18)下面建立集中質(zhì)量單元，采取直接輸入單元的方法建立。在ANSYS 主菜單中選擇Preprocessor-Modeli

25、ng-Create-Elements-Elem Attributes，在 Element Attributes中設(shè)定單元類型編號(hào)為 2 MASS 21，材料編號(hào)任意，實(shí)參數(shù)編號(hào)為 1。如圖所示(19)在 ANSYS 主 菜 單 中 選 擇 Preprocessor-Modeling-Create-Elements-AutoNumbered-Thru Nodes，選擇節(jié)點(diǎn) 2，建立第一個(gè)集中質(zhì)量。(20)再次進(jìn)入第 18 步 Element Attributes (Real constant set number)為 2。(21)重復(fù) 19 步，選擇節(jié)點(diǎn) 8，14，20，建立其他的三個(gè)集中質(zhì)量單

26、元。(22)到此完成所有建模工作，下面開始進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析(23)進(jìn) 入 ANSYS 主 菜 單 中 Solution 功 能 模 塊 ， 選 擇 Solution-DefineLoads-Apply-Structural-Displacement-On Nodes ，選擇節(jié)點(diǎn) 1，設(shè)定約束所有的自由度。(24)首先做一次靜力分析，選擇 ANSYS 主菜單 Solution-Analysis Type-New Analysis，設(shè)定分析類型為 Static(25)選擇 ANSYS 主菜單 Solution-Solve-Current LS 選項(xiàng)，進(jìn)行一次靜力分析(26) ANSYS主菜單中選擇 S

27、olution-Analysis Type-NewAnalysis，選擇分析類型為 Model(27)在 ANSYS主菜單中選擇 Solution-Analysis Type-Analysis Options62(28)再次選擇 ANSYS主菜單 Solution-Solve-Current LS，計(jì)算當(dāng)前問題(29)這時(shí)，如果需要看結(jié)果，可以進(jìn)入后處理模塊，即 ANSYS 主菜單 General Postproc，可以看到計(jì)算的各階頻率和振型。(30)完成結(jié)構(gòu)自振分析后，下面就可以進(jìn)行反應(yīng)譜分析(31)進(jìn)入 ANSYS 主菜單 Solution-Analysis Type-New Analy

28、sis ， 選擇分析 類型 為Spectrum。(32)在 ANSYS主菜單 Solution-Analysis Type-Analysis Options單點(diǎn)輸入(Sing-pt resp)(33)在 ANSYS主菜單中選擇 Preprocessor-Loads-Load Step Opts- Time/Frequenc-Damping，輸入所有的阻尼為 DAMPRATIO ，如圖所示63(34)下面需要定義地震的反應(yīng)譜。我國規(guī)范給定的是基于加速度的反應(yīng)譜。在 ANSYS 主菜單中選擇 Solution- Load Step Opts-Spectrum-Single Point-Settin

29、gs，設(shè)定反應(yīng)譜類型為地震加速度，放大系數(shù)為 1，輸入方向?yàn)?X方向（1，0，064(35)接下來開始輸入地震反應(yīng)譜。這里輸入的反應(yīng)譜按 7 度多遇地震，取地震影響系數(shù)為0.08，第一組，III 類場地，卓越周期 T =0.45s。值得注意的是，我國規(guī)范給的反應(yīng)譜橫g坐標(biāo)是周期，ANSYS 定義的反應(yīng)譜橫坐標(biāo)是頻率，應(yīng)該注意上述區(qū)別。選擇 ANSYS主菜單 Solution- Load Step Opts-Spectrum-Single Point-Freq Table，輸入頻率反應(yīng)譜 Freq1Freq12 為 0.167, 0.25, 0.333, 0.44444, 0.5, 0.667,

30、 1, 1.25, 1.667, 2.222, 10,100000, 如圖(36)選擇 ANSYS 主菜單 Solution- Load Step Opts-Spectrum-Single Point-Spectr，輸入對(duì)應(yīng)的反應(yīng)譜數(shù)值依次如下：0.154350625,0.191590625,0.210210625,650.224175625,0.250716714,0.329514922,0.484352764,0.598723486,0.786897371,1.034212766,1.034212766,0.3528(37)最后選擇 ANSYS主菜單 Solution- Load Step

31、 Opts-Spectrum-Single Point-ModeCombine，設(shè)定振型組合方式為 SRSS 法，如圖所示(38)選擇 ANSYS 主菜單 Solution-Solve-Current LS，計(jì)算反應(yīng)譜結(jié)果(39)進(jìn)入 ANSYS 主菜單后處理模塊 General Postproc ，在 ANSYS 窗口頂部菜單選擇File-Read input from，選擇文件后綴名為*.mcom 的文件(40)進(jìn)入 ANSYS 主菜單 General Postproc-Plot Results-Deformed Shapes，選擇繪制變形后形狀和結(jié)構(gòu)形狀，得到地震反應(yīng)譜分析的結(jié)構(gòu)變形如圖

32、66(41)最后我們來進(jìn)行地震時(shí)程分析，進(jìn)行地震時(shí)程分析以前，首先要有一個(gè)地震時(shí)程記錄，本例子給定的地震時(shí)程記錄總長 20 秒，記錄點(diǎn)間隔 0.02s，共有 1001 個(gè)記錄點(diǎn)。該地震記錄存放在 RECORD.TXT 文件中。(42) ANSYS窗口頂部菜單選擇 Parameters-Scalar parameters窗口中輸入 NT=1001，即總共 1001 個(gè)記錄點(diǎn)，DT=0.02，即記錄點(diǎn)間隔 0.02s(43)然 后 還 需 要 定 義 一 個(gè) 數(shù) 組 來 存 放 地 震 記 錄 ， 選 擇 ANSYS 窗 口 頂 部 菜 單Parameters-Array parameters-D

33、efine/Edit，在彈出的 Array Parameters 窗口中點(diǎn)擊Add 按鈕，在 Add New Array Parameter窗口中輸入數(shù)組的名稱為 AC，行數(shù)為 NT個(gè)，如圖所示。67(44)下面從數(shù)據(jù)文件中讀入地震時(shí)程記錄。選擇 ANSYS 窗口頂部菜單 Parameters-Arrayparameters-Read from file，在彈出窗口中依次輸入將數(shù)據(jù)讀入的數(shù)組名稱 AC，可以用 Browse 選擇目標(biāo)數(shù)據(jù)文件，最后要給出數(shù)據(jù)讀入的格式F8.3，可以參考 Fortran相應(yīng)的文件輸入輸出要求。(45)完成數(shù)據(jù)讀入后就可以進(jìn)行地震反應(yīng)分析。由于本次地震分析一共要進(jìn)行

34、 1001 步，超過了 ANSYS 默認(rèn)的最大 1000 步限制，因此首先需要進(jìn)行調(diào)整。在ANSYS 的命令輸入窗口內(nèi)，輸入以下命令：Finish NRES,20000(46)進(jìn)入 ANSYS 主菜單 Solution-Analysis Type-New Analysis，指定分析類型為瞬態(tài)分析 Transient，Solution method 可以選擇 Full。(47)進(jìn)入 ANSYS 主菜單 Solution-Analysis Type-Soln Controls，在 Solution Controls 窗口里面選擇 Transient 頁面，設(shè)定瑞雷阻尼的數(shù)值。由于阻尼的機(jī)理十分復(fù)雜

35、，因此不同 問 題 可 能 各 不 相 同 ， 這 里 僅 介 紹 一 種 阻 尼 的 取 法 。 輸 入 質(zhì) 量 阻 尼 系 數(shù) 為682*DAMPRATIO*FREQ1*2*3.1415926，剛度阻尼系數(shù)為2*DAMPRATIO/(FREQ1*2*3.1415926)，F(xiàn)REQ1 為結(jié)構(gòu)的第一階自振頻率。(48)下面將用一組循環(huán)控制語句來定義作用在結(jié)構(gòu)上的加速度并進(jìn)行計(jì)算。讀者可以將下面這部分語句用任意編輯器（比如 windows 的記事本）輸入好以后復(fù)制 ANSYS的輸入欄中。*DO,I,1,1001ACEL,AC(I),0,0TIME,I*0.02!對(duì)變量I 循環(huán)1001對(duì)結(jié)構(gòu)施加X

36、方向加速度! 計(jì)算時(shí)間步長為0.02s輸出所有結(jié)果!OUTRES,ALL,ALL !SOLVE! 求解*ENDDO!循環(huán)結(jié)束(49)下面介紹適用 ANSYS 的時(shí)程后處理器 TimeHist Postpro 來處理計(jì)算結(jié)果，在 ANSYS主菜單上選擇 TimeHist ，這時(shí)會(huì)彈出時(shí)程變量窗口 Time History Variables。點(diǎn)擊工具欄上第一個(gè)綠色加號(hào)按鈕，添加時(shí)程變量。在Add Time-History Variable窗口中選擇要添加的變量為節(jié)點(diǎn)的 X 方向位移。(50)選擇第 20 號(hào)節(jié)點(diǎn)，回到時(shí)程變量窗口 Time History Variables，點(diǎn)擊工具欄上第三個(gè)按

37、鈕，即繪制出節(jié)點(diǎn)的位移時(shí)程曲線如圖69FINI/CLEAR/UNITS,SI/PREP7DAMPRATIO=0.02 振型阻尼系數(shù)都為 0.02ET,1,BEAM188KEYOPT,1,7,1KEYOPT,1,8,1ET,2,MASS21,4MP,EX,1,210E9MP,DENS,1,7800MPDATA,DAMP,1,DAMPRATIOSECTYPE,3,BEAM,ISECDATA,0.2,0.2,0.5,0.01,0.01,0.008R,1,1.6E2,1.6E2R,2,1.2E2,1.2E2K,1,0,0,0K,2,0,3,0K,3,0,6,0K,4,0,9,0K,5,0,12,0K,

38、6,0,0,1000070L,1,2L,2,3L,3,4L,4,5LSEL,1,4LATT,1,0,1,6,3ALLSLESIZE,ALL, , ,3 , , , , ,1LMESH,ALLNUMCMP,ALLTYPE,2REAL,1E,2TYPE,2REAL,2E,8E,14E,20!*SET,NT,1001!*SET,DT,0.02!*DIM,AC,NT!*VREAD,AC(1),RECORD,TXT!(F8.3)/SOLUD,1,ALL,ANTYPE,0SOLVEFINISH/SOLU !模態(tài)分析ANTYPE,2MODOPT,SUBSP,8MXPAND,8, ,1SOLVEFINI!得到

39、自振頻率 1*GET,FREQ1,MODE,1,FREQ/ESHAPE,1.0/SOLUANTYPE,SPECTR !譜分析SPOPT,SPRSMDAMP,1,DAMPRATIO, , , , ,SED,1SVTYPE,2,171FREQ,0.167,0.25,0.333,0.44444,0.5,0.667,1,1.25,1.667SV,0.154350625,0.191590625,0.210210625,0.224175625,0.250716714,0.329514922,0.484352764,0.598723486,0.786897371FREQ,2.222,10,100000SV,

40、1.034212766,1.034212766,0.3528!按 7 度多遇地震，地震影響系數(shù) 0.08 第一組 III場地 TG0.45SRSS,0.01,DISPSOLVEFINISH/POST1/INP,MCOM7203 (ANSYS)本算例將討論帶有預(yù)應(yīng)力的張弦柱的特征值失穩(wěn)和非線性失穩(wěn)問題知識(shí)要點(diǎn)：(a) 預(yù)應(yīng)力(b) 特征值穩(wěn)定(c) 考慮其他內(nèi)力的特征值穩(wěn)定(d) 添加初始缺陷(e) 弧長法(f) 非線性分析和收斂(g) 荷載位移關(guān)系(1) ANSYS 頂部菜單 Parameters-Scalar Parameters ScalarParameters 窗口中輸入，F(xiàn)ORCE=1

41、00，OFFSET=0.1。(2) 建立模型，在本算例中，我們將接觸兩種新的單元，三維梁單元 Beam 4 和三維索單元Link 10Beam 4 單元在參數(shù)定義等方面比前面介紹的 Beam 188 單元簡單，對(duì)于常見的矩形彈性截面，也是一個(gè)很實(shí)用的單元。Link 10 單位為 ANSYS提供的空間索單元，用戶可以控制該單元只能受壓或者只能受拉，默認(rèn)該單元只能受拉。(3) 在 ANSYS主菜單 Preprocessor-Element type-Add/Edit/Delete 中選擇 Beam 4 單元和 Link 10 單元(4) Beam 4 單元和 Link 10 單元都可以通過實(shí)參數(shù)來

42、設(shè)置截面屬性。首先設(shè)置 Beam 4 單元的截面。我們要建立的截面是一個(gè) 0.1m0.12m 的矩形截面。Beam 4 單元如果沒有指定截面主軸方向，則截面局部坐標(biāo)系的 Y 軸方向?qū)⒑驼w坐標(biāo)系的 X-Y 平面平行。在ANSYS 主菜單 Preprocessor-Real Constants-Add/Edit/Delete ，選擇 Add，指定實(shí)參 數(shù) 的 關(guān) 聯(lián) 單 元 類 型 為 Beam 4 單 元 ， 輸 入 截 面 參 數(shù) 為 AREA: 0.1*0.12, IZZ:0.12*0.1*3/12, IYY: 0.1*0.12*3/12, TKZ: 0.12, TKY: 0.1, 如下圖

43、所示73(5) 繼續(xù)添加第二個(gè)實(shí)參數(shù)類型，指定第二個(gè)實(shí)參數(shù)與 Link 10 單元相關(guān)。取 Link 10 單元的截面積為 410-6m2，初始應(yīng)變?yōu)?210-3，這里正的表示初始應(yīng)變?yōu)槔瓚?yīng)變。(6) 下面設(shè)定材料屬性，在本例子中為了簡單起見，所有材料都設(shè)定為鋼材。在 ANSYS 主菜單 Preprocessor-Material Props-Material Models 中添加材料屬性。在 Material 窗口選擇 Structural-Linear-Elastic-Isotropic，輸入彈性模量 210 和泊松比 0.27，還9可以輸入材料的密度，在 Material 窗口選擇 St

44、ructural-Density，輸入密度為 7800。(7) 接下來建立幾何模型，在本例子中我們還是嚴(yán)格按照 ANSYS 建模過程要求的點(diǎn)、線、面、體拓?fù)潢P(guān)系來建立幾何模型。74(8) ANSYS 主菜單 Preprocessor-Modeling-Create-Keypoints-InActive CS 中建立以下關(guān)鍵點(diǎn)關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào) X 坐標(biāo) Y 坐標(biāo) Z 坐標(biāo)1 02 03 00-5011 0.212 -0.213 015 00000.2-0.200(9) 下 面 將 關(guān) 鍵 點(diǎn) 用 線 連 接 起 來 ， 在 ANSYS 主 菜 單Preprocessor-Modeling-Create

45、-Lines-Lines-Straight Line 中按次序?qū)⒁韵玛P(guān)鍵點(diǎn)連接起來直線端點(diǎn) 1 直線端點(diǎn) 21111112222333323111213151112131511121315得到張弦柱模型如圖75(10)下 面 對(duì) 幾 何 體 劃 分 網(wǎng) 格 。 在 ANSYS 主 菜 單 Preprocessor-Meshing-MeshAttributes-Picked Lines ，選擇 16 號(hào)直線，設(shè)定其單元類型、材料類型和實(shí)參數(shù)都是 1。選擇 714 號(hào)直線，設(shè)定材料類型為 1，單元類型和實(shí)參數(shù)都是 2。(11)下面要控制網(wǎng)格劃分的尺寸。對(duì)于本次分析而言，中間的柱子是研究的重點(diǎn)，所以

46、我們希 望 把 網(wǎng) 格 劃 分 得 密 一 些 ， 在 ANSYS 主 菜 單 Preprocessor-Meshing-SizeCntrls-Lines-Picked Lines ，選擇 16 號(hào)直線，設(shè)定網(wǎng)格劃分的單元最大長度（Element Edge Length）為 0.3。對(duì)于周邊的預(yù)應(yīng)力索，由于 Link 10 是一個(gè)比較復(fù)雜的非線性單元，求解時(shí)候容易出現(xiàn)比較困難的收斂問題，因此我們對(duì)預(yù)應(yīng)力索只劃分成一個(gè)單元。選擇 714 號(hào)直線，設(shè)定網(wǎng)格劃分段數(shù)為 1。(12)在 ANSYS 主菜單 Preprocessor-Meshing-Mesh-Lines，選擇所有的直線，劃分網(wǎng)格(13)

47、在 ANSYS頂部菜單 PlotCtrls-Style-Size and shape 定 Display of element為 On。得到單元形狀如圖：76(14)下 面 對(duì) 模 型 添 加 邊 界 條 件 和 荷 載 。 首 先 進(jìn) 入 ANSYS 主 菜 單 Solution-DefineLoads-Apply-Structural-Displacement-On ，選中關(guān)鍵點(diǎn) 3，約束三個(gè)水平運(yùn)動(dòng)自由度 UX, UY,UZ 和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度 ROTZ，選中關(guān)鍵點(diǎn) 2，約束兩個(gè)平動(dòng)自由度UX和 UY。(15)進(jìn)入 ANSYS 主菜單 Solution- Define Loads- Apply

48、- Structural- Force/Moment-One Keypoints，選中關(guān)鍵點(diǎn) 2，荷載方向?yàn)?FZ，大小為-FORCE(16) ANSYS 主菜單 Solution-Analysis Type-New Analysis，設(shè)定分析類型為 ，進(jìn)入 Solution-Analysis Type-Soln Controls，設(shè)置分析為小變形分析并考慮預(yù)應(yīng)力，關(guān)閉自動(dòng)時(shí)間步長控制并設(shè)定分析子步數(shù)(Substeps)為 177(17)進(jìn)行一次求解操作，進(jìn)入 ANSYS主菜單 Solution-Solve-Current LS。(18)下面求解該模型的特征值屈曲。進(jìn)入 ANSYS 主菜單 S

49、olution-Analysis Type-NewAnalysis，設(shè)定分析類型為 Eigen Buckling ，進(jìn)入 ANSYS 主菜單 Solution-AnalysisType-Analysis Options，設(shè)定求解一階穩(wěn)定荷載。(19)再次求解操作，進(jìn)入 ANSYS主菜單 Solution-Solve-Current LS。(20) ANSYS主菜單 General Postproc-Read results-Last Set，讀入最后一步結(jié)果，選擇 ANSYS主菜單 General Postproc-Plot Results-DeformedShape，就可以得到結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)形式

50、以及相應(yīng)的失穩(wěn)荷載放大倍率，即 ，如圖78所示。(21)進(jìn)入 ANSYS 頂部的 Parameters-Get scalar Get Scalar Data 中選擇 Resultsdata，在結(jié)果中選擇 Model results (模態(tài)結(jié)果)，如圖所示。點(diǎn)擊 OK 進(jìn)入下一個(gè)窗口Get Model Results，選擇將模態(tài)結(jié)果存入名稱為 Freq1的變量。模態(tài)為第一階模態(tài)。79(22)這時(shí)從 ANSYS 頂部窗口 Parameters-Scalar Parameters 中就可以看到提取出來的一階頻率為 118.6021，如圖所示(23)以上過程為分析特征值失穩(wěn)的一般過程。但是，ANSYS

51、 在分析特征值失穩(wěn)的過程中有一個(gè)缺陷。眾所周知，所謂特征值失穩(wěn)計(jì)算就是用結(jié)構(gòu)的材料剛度矩陣減去荷載作用下結(jié)構(gòu)的幾何剛度乘以一個(gè)系數(shù)，當(dāng)總剛度矩陣奇異時(shí)的就是失穩(wěn)特征值。ANSYS 在處理荷載引起的剛度矩陣時(shí)不能區(qū)分我們需要分析的外力荷載（在本算例中是頂部集中力）和不需要的結(jié)構(gòu)內(nèi)力（例如本算例中預(yù)應(yīng)力）對(duì)幾何剛度矩陣的貢獻(xiàn)。因此，得到的特征值屈服荷載 118602N（等于頂部荷載的初始值 100特征值失穩(wěn)的一階頻率118.602）是不正確的。因此，必須通過以下的迭代計(jì)算來解決該問題。(24)迭代計(jì)算的基本思想是根據(jù)第一次算出來荷載的放大倍數(shù)，調(diào)整加在結(jié)構(gòu)上的外荷載，再求解新荷載下的特征值失穩(wěn)放大

52、倍數(shù)。重復(fù)上述操作直至特征值失穩(wěn)的放大倍數(shù)基本80等于 1。這時(shí)加在結(jié)構(gòu)上的外荷載就是真正的特征值失穩(wěn)荷載。而且不會(huì)和內(nèi)力結(jié)果發(fā)生矛盾。迭代計(jì)算的命令流如下：! 設(shè)定最多迭代100 次*DO,I,1,100FINISH/SOLU! 給結(jié)構(gòu)施加新的荷載FK,2,FZ,-FORCE! 進(jìn)行靜力分析ANTYPE,0!設(shè)定時(shí)間步TIME,1AUTOTS,0NSUBST,1, ,1SOLVEFINISH! 進(jìn)行特征值失穩(wěn)分析/SOLUANTYPE,BUCKLE! BucklinganalysisBUCOPT,LANB,1! Use BlockLanczossolution method,extract

53、1 mode! Expand 1 modeshapePSTRES,ON! INCLUDEPRESTRESSEFFECTSSOLVEFINISH! 得到當(dāng)前的特征值失穩(wěn)一階頻率（放大倍率）*GET,FREQ1,MODE,1,FREQ*IF,ABS(FREQ1-1),LT,0.01,THEN如果頻率誤差小于1%，則退出循環(huán)*EXIT*ENDIFFORCE=FORCE*FREQ1 ! 否則，將荷載乘以新的放大倍率再次計(jì)算*ENDDO(25)重復(fù)上述過程后，得到結(jié)構(gòu)實(shí)際的特征值失穩(wěn)荷載為 198174N，可見如果不排除預(yù)應(yīng)力等內(nèi)力對(duì)幾何剛度矩陣的影響，計(jì)算出來的特征值失穩(wěn)荷載(118602N)要偏小很

54、多。(26)最后我們來進(jìn)行非線性屈曲分析。特征值失穩(wěn)計(jì)算得到的失穩(wěn)荷載事實(shí)上是對(duì)于理想構(gòu)件理想材料的上限解。實(shí)際結(jié)構(gòu)由于種種初始缺陷或者材料非線性的影響，其失穩(wěn)荷載往往要比特征值失穩(wěn)荷載要小。因此有必要進(jìn)行非線性失穩(wěn)分析。而在非線性失穩(wěn)分析中，需要引入初始缺陷。初始缺陷的選擇方式很多，比較常用的是將結(jié)構(gòu)的特征值失穩(wěn)形狀作為最不利的初始缺陷加在結(jié)構(gòu)上。ANSYS 中提供了 UPGEOM 命令，可以很方便的實(shí)現(xiàn)如上過程，下面詳細(xì)介紹如下(27)首先我們要得到特征值失穩(wěn)模態(tài)中結(jié)構(gòu)的最大變形是多少，首先在ANSYS 主菜單General Postpro-List Results-Sorted List

55、ing-Sort Nodes，選擇對(duì)總位移(USUM)的結(jié)果，對(duì)所有節(jié)點(diǎn)的最大位移進(jìn)行排序。81(28)接著，在 ANSYS頂部菜單中選擇 Parameters-Get Scalar Data，在 Get Scalar Data中選擇 Results data-Other operations(29)在 Get Data from Other POST1 Operations 窗口中選擇從剛才的排序結(jié)果中獲取數(shù)據(jù)。需要的數(shù)據(jù)為剛才排序的最大值，將該結(jié)果放到 DMAX 變量里面。(30)這時(shí)從 Scalar Parameter 窗口中就可以看到 DMAX=1(31)下面用 UPGEOM 命令來調(diào)

56、整結(jié)構(gòu)形狀，施加初始缺陷。在 ANSYS 主菜單中選擇82Preprocessor-Modeling-Update Geom。UPGEOM 將從結(jié)果文件中讀取結(jié)構(gòu)變形并調(diào)整結(jié)構(gòu)幾何形狀。我們?cè)O(shè)定放大倍數(shù)為 OFFSET/DMAX，即我們需要的最大初始缺陷為 OFFSET=0.1 DMAX OFFSET/DMAX。最后指定特征值失穩(wěn)分析的結(jié)果文件名稱為 Case03.rst。(32)更新完結(jié)構(gòu)的幾何形狀以后，就可以進(jìn)行非線性求解了。我們已知結(jié)構(gòu)出現(xiàn)特征值失穩(wěn)的荷載為 198174N，我們?cè)O(shè)定結(jié)構(gòu)受到的最大荷載為三倍的特征值失穩(wěn)荷載，即在ANSYS 窗口頂部的輸入欄輸入 FORCE=FORCE*3

57、.析類型為靜力分析。(33)最后我們要在求解器控制里面設(shè)定求解方法為弧長法，這樣能夠自動(dòng)跟蹤失穩(wěn)路徑。進(jìn)入 ANSYS主菜單 Solution-Analysis Type-Analysis Options分析類型為大位移分析，考慮預(yù)應(yīng)力。設(shè)定分析子步數(shù)為 20 步，并每步都輸出結(jié)果。(34)在 Solution Controls 窗口里面選擇 Advanced NL 頁面，點(diǎn)擊激活弧長法(Arc-lengthMethod)，本算例中弧長法參數(shù)可以采用默認(rèn)值。83(35)進(jìn)入 ANSYS 主菜單 Solution-Solve-Current ，開始計(jì)算當(dāng)前問題，由于本問題是我們接觸到的第一個(gè)非線

58、性問題，所以有必要介紹一下 ANSYS非線性計(jì)算窗口中輸出結(jié)果的含義。我們知道，非線性計(jì)算都有一個(gè)收斂的問題，在本算例中，ANSYS 在后處理窗口中輸出 4 個(gè)計(jì)算中間變量：不平衡力的 2 范數(shù)(F L2)，不平衡力的收斂容差(FCRIT)，不平衡彎矩的 2 范數(shù)(ML2)和不平衡彎矩的收斂容差(MCRIT)。窗口中坐標(biāo)軸水平方向?yàn)闀r(shí)間（計(jì)算進(jìn)程），縱坐標(biāo)為相應(yīng)的數(shù)值。以力為例，如果不平衡力的 2 范數(shù)(F )高于不平衡力的收斂容差(F CRIT)(F ) 小于(F CRIT)，在圖中表現(xiàn)為(F )和(F CRIT)兩條曲線相交，則說明該步計(jì)算已經(jīng)收斂，84(36)計(jì)算完成后，進(jìn)入 ANSYS

59、 的時(shí)程后處理器，選擇 TimeHist Postpro，在 Time HistoryVariables 中點(diǎn)擊工具欄中添加變量按鈕，選擇添加節(jié)點(diǎn) Z 方向變形，如圖所示。選擇節(jié)點(diǎn) 2。(37)最后在 Time History Variables窗口中設(shè)定以 UZ_2 為 X Time 點(diǎn)亮作為 Y 軸，點(diǎn)擊工具欄上的繪圖按鈕，就可以得到如圖所示的相對(duì)荷載頂點(diǎn)變形曲線。85(38)在通用后處理器 General Postproc 中，選擇 ANSYS 主菜單 General Postproc-ReadResults-By Time/Freq，設(shè)定顯示時(shí)間為 0.2(即相當(dāng)于 1/5 的最大荷載

60、)，選擇 ANSYS主菜單 General Postproc-Plot Results-Deformed Shape將結(jié)果時(shí)間逐步增大，顯示 Time=0.4、0.6 步時(shí)的變形如圖。8687! ANSYS含預(yù)應(yīng)力的特征值屈曲計(jì)算! Eigenvalue Bulking Analysis in ANSYS with prestress! 由于預(yù)應(yīng)力在特征值計(jì)算的過程中會(huì)同樣放大，因此需要特別處理! 在本例中，當(dāng)豎向力 forceElementType-Add/Edit/Delete，設(shè)定分析的單元類型為 Solid 45 號(hào) 8 節(jié)點(diǎn)空間六面體單元(3) 下面設(shè)定材料屬性。進(jìn)入 ANSYS 主