1、7 April 2008,通用有限元程序ANSYS及應用,L7-1,碩士研究生學位課程講義（2008）,通用有限元程序ANSYS及應用 (七),主 講： 錢 江 結構工程與防災研究所 Tel：65986113 (B310) Email: 二OO八年四月七日,7 April 2008,通用有限元程序ANSYS及應用,L7-2,碩士研究生學位課程講義（2008）,第七講 內容提要 10. ANSYS 動力分析的基本功能及一維單元應用實例 空間框架結構地震響應分析的譜分析法 10.1 ANSYS 動力分析的基本功能簡介 10.2 實體建模及剛性樓板假定的實施 10.3 模態(tài)分析求解過程（交互式輸入及

2、命令流） 10.4 譜分析法求解過程（交互式輸入及命令流） 10.5 瞬態(tài)地震響應求解過程,7 April 2008,通用有限元程序ANSYS及應用,L7-3,10.1 ANSYS 動力分析的基本功能簡介,ANSYS 動力分析的基本功能 模態(tài)分析 諧響應分析（不做具體介紹） 譜分析 瞬態(tài)響應分析,7 April 2008,通用有限元程序ANSYS及應用,L7-4,10.1 ANSYS 動力分析的基本功能簡介（續(xù)1）,模態(tài)分析 模態(tài)分析是所有動力學分析類型的最基礎的內容； 模態(tài)分析是用來確定結構振動特性的一種技術； 描述結構振動特性的基本要素： 固有頻率（自振周期 1/固有頻率） 振型 振型參與

3、系數 (特定方向上某個振型在多大程度上參與了振動） 模態(tài)分析結果可以直接用于指導結構設計； 根據模態(tài)分析結果可以定性知曉結構對各類動力載荷的響應 有助于在其它動力分析中估算求解控制參數（如時間步長） 模態(tài)分析只對線性結構成立!,7 April 2008,通用有限元程序ANSYS及應用,L7-5,10.1 ANSYS 動力分析的基本功能簡介（續(xù)2）,諧響應分析 確定結構在已知頻率的正弦（簡諧）激勵作用下響應的技術； 荷載必須是已知大小和頻率的諧波載荷（力、壓力或強迫位移，可以是 同一頻率的多種載荷組合，各載荷可以是同相位也可以是不同相位）； 諧響應分析結果是與激勵同頻率的節(jié)點諧位移（通常會與激勵

4、存在位相 差），以及由節(jié)點位移得到的其它導出量，如：應力和應變等； 單位力作用下的諧響應分析結果可以與富氏分析相聯系； 事實上，諧響應分析是模態(tài)疊加法的計算基礎； 諧響應分析結果可以直接用于指導作旋轉運動的結構設計； 諧響應分析也只對線性結構成立!,7 April 2008,通用有限元程序ANSYS及應用,L7-6,10.1 ANSYS 動力分析的基本功能簡介（續(xù)3）,譜分析 是模態(tài)分析的擴展，用于計算結構對地震及其它隨機激勵的響應； 譜分析計算過程是將模態(tài)分析的結果與一個已知的輸入譜相聯系，計算 結構在該輸入譜荷載作用下的響應位移、應力等； 譜分析由下列計算步驟構成： 獲得模態(tài)解 計算譜解

5、擴展模態(tài) 組合各模態(tài)解 譜分析也只對線性結構成立!,7 April 2008,通用有限元程序ANSYS及應用,L7-7,10.1 ANSYS 動力分析的基本功能簡介（續(xù)4）,瞬態(tài)響應分析 是一種確定隨時間變化載荷作用下結構響應的計算技術； 瞬態(tài)響應分析的三種求解方法： 完整矩陣法（Full） 縮減矩陣法（Reduced） 模態(tài)疊加法（Mode Superposition） 模態(tài)疊加法只對線性結構成立；縮減矩陣法僅允許結構中存在簡單的點 點接觸形式的非線性；完整矩陣法允許在分析中包括各種類型非線性， 如：幾何大變形、接觸、塑性等，但對硬件資源要求較高 本次課重點介紹完整矩陣法 由于荷載的瞬變特性

6、，交互式操作是不現實的!,7 April 2008,通用有限元程序ANSYS及應用,L7-8,10.2 實體建模及剛性樓板假定的實施,分析目的：地震作用下結構的線彈性動力響應分析 模型規(guī)劃：梁、柱均采用 BEAM4 單元、樓板采用 SHELL63 建立屬性表： 單元類別： E1, BEAM4, ! 框架柱單元 E2, BEAM4, ! 外環(huán)梁單元 E3, BEAM4, ! 樓面梁單元 E4, SHELL63, ! 樓面板單元 材料屬性： M1, ! C30 混凝土 M2, ! 型鋼 單元實參數：R1, E1, BEAM4, ! 框架柱單元 R2, E2, BEAM4, ! 外環(huán)梁單元 R3,

7、E3, BEAM4, ! 樓面梁單元 R4, E4, SHELL63, ! 樓面板單元 參照講義第3章交互式建?；驁?zhí)行命令流文件生成框架結構。,7 April 2008,通用有限元程序ANSYS及應用,L7-9,10.2 實體建模及剛性樓板假定的實施（續(xù)1）,實施剛性樓板假定的 GUI 操作命令 執(zhí)行 Utility Menu Selet Entities 命令，彈出選取圖元對話框，在選取類型表中選 Nodes，選取標準表中選 By Location，參數設定窗中輸入 Z 坐標限定范圍 Min，Max為（4，4），單擊OK按鈕，即選中 1 層樓面的全部節(jié)點。 執(zhí)行 Main Menu Prep

8、rocessor Coupling/Ceqn Rigid Region 命令，彈出選取主節(jié)點對話框，圖形上選中剛度中心處的節(jié)點 120，單擊OK按鈕；彈出選取從節(jié)點對話框，選中該層其余所有節(jié)點，單擊OK按鈕，完成 1 層樓面的剛性樓板約束。 類似地，對 2、3層實施剛性樓板約束,7 April 2008,通用有限元程序ANSYS及應用,L7-10,10.2 實體建模及剛性樓板假定的實施（續(xù)2）,！實施剛性樓板假定的命令流 ! 定義 1 層樓面剛性樓板 !* /PREP7 NSEL,S,LOC,Z,4,4 CERIG,120,ALL,UXYZ, , , , ! 193號節(jié)點為該層形心位置，定義為

9、剛度中心 ! 定義 2 層樓面剛性樓板 !* /PREP7 NSEL,S,LOC,Z,8,8 CERIG,127,ALL,UXYZ, , , , ! 229號節(jié)點為該層形心位置，定義為剛度中心 ! 定義 3 層樓面剛性樓板 !* /PREP7 NSEL,S,LOC,Z,12,12 CERIG,134,ALL,UXYZ, , , , ! 350號節(jié)點為該層形心位置，定義為剛度中心,7 April 2008,通用有限元程序ANSYS及應用,L7-11,10.3 模態(tài)分析求解過程,模態(tài)分析 GUI 操作流程： 執(zhí)行 Main Menu Solution Analysis Type New Analy

10、sis 命令，彈出如左下圖所示求解類型對話框，選擇 Modal選項，單擊 OK 按鈕；彈出右下圖所示模態(tài)分析選項對話框，輸入模態(tài)提取數（No. of modes to extract）為 20，單擊 OK 按鈕；彈出Block Lanczos Method 選項對話框，取默認值即可。單擊 OK 按鈕。 執(zhí)行 Main Menu Solution Solve Current LS 命令，進行模態(tài)分析。,求解類型對話框,模態(tài)分析選項對話框,7 April 2008,通用有限元程序ANSYS及應用,L7-12,10.3 模態(tài)分析求解過程（續(xù)）,! 步驟1：進行模態(tài)分析 /SOLUTION ANTYP

11、E, MODAL ！進行模態(tài)分析 MODOPT,LANB,20,0,0, ,OFF ！選擇模態(tài)分析方法、模態(tài)提取數 MXPAND,0, , ,0 ！選擇模態(tài)擴展數 LUMPM,0 ！選擇質量陣形式為一致質量陣 PSTRES,0 ！關閉預應力選項開關 SOLVE ！求解模態(tài) FINISH,7 April 2008,通用有限元程序ANSYS及應用,L7-13,10.4 譜分析法求解過程,! 步驟2：進行譜分析 /SOLUTION ANTYPE,8 SPOPT,SPRS,20,1 ！譜分析法，取 20 個模態(tài)計算 ! 輸入加速度譜值 SVTYP,2,9.8, ！輸入加速度譜，以重力加速度g為輸入單位

12、 SED,1,0,0, ！定義 X軸方向為地震輸入方向 ROCK,0,0,0,0,0,0, !* FREQ FREQ, 0.111111, 0.125000, 0.142857, 0.166667, 0.200000 FREQ, 0.222222, 0.250000, 0.285714, 0.333333, 0.400000 FREQ, 0.500000, 0.555556, 0.625000, 0.714286, 0.833333 FREQ, 1.000000, 1.111111, 10.00000, 50.00000 !* SV, 0.05, 0.115940E-01, 0.131940E

13、-01, 0.147940E-01, 0.163940E-01, 0.179940E-01 SV, 0.05, 0.187940E-01, 0.208960E-01, 0.235640E-01, 0.270710E-01, 0.318980E-01 SV, 0.05, 0.389930E-01, 0.428710E-01, 0.476650E-01, 0.537520E-01, 0.615710E-01 SV, 0.05, 0.727630E-01, 0.800000E-01, 0.800000E-01, 0.360000E-01 ! SOLVE FINISH,7 April 2008,通用有

14、限元程序ANSYS及應用,L7-14,10.4 譜分析法求解過程（續(xù)）,! 步驟3：進行模態(tài)擴展 /SOLUTION ANTYPE,2 EXPASS,1 ！擴展模態(tài) MXPAND,20,0,0,1,0.005, SOLVE FINISH ! 步驟4：進行譜分析(振型疊加) /SOLUTION ANTYPE,8 SPOPT,SPRS,20,1 SRSS,0.005,DISP ！采用SRSS 疊加各模態(tài)結果 SOLVE FINISH !* !* ! 步驟5：進入后處理進行工況組合： /POST1 SET,LIST /INP,mcom ! 讀入jobname.mcom文件，進行譜分析模態(tài)疊加,7 A

15、pril 2008,通用有限元程序ANSYS及應用,L7-15,10.5 瞬態(tài)地震響應求解過程,! 時程分析命令流 ! *set,st,0.01 ！設定時間步長 st0.01 *set,endpoint,100 ！設定數組長度為 endpoint100 *dim,xforce,array,endpoint ！定義數組名 xforce 和長度 *vread,xforce(1),Seismic_x,txt ！以指定格式(7F10.5)從文件中讀入數據 (7F10.5) *VOPER,xforce(1),xforce(1),Mult,9.8, , , ！對數組元素進行乘法運算,7 April 2008,通用有限元程序ANSYS及應用,L7-16,10.5 瞬態(tài)地震響應求解過程（續(xù)）,! 時程分析命令流（續(xù)） ! /SOLU !* ANTYPE,TRANS ！進行瞬態(tài)分析 TRNOPT,FULL ！選擇完整矩陣法 !* *dim,shijian,array,endpoint ！定義數組名 shijian 和長度 *vfill,shijian(1),ramp,st,st ！對數組進行數據填充 N_star=1 N_end=100 N_incr=1 *DO,N,N_