2022结构分析大作业(1).docx

2022结构分析大作业题目：梁结构瞬态分析大作业要求（本页内容不可删除）：（1）每3-4人一个小组自选题目进行分析，于2022-5-31之前将小组成员、选题以及 详细出处发至xdspoc的讨论区进行审核（注意上传必要图片），审核通过后方可进行。题目 必须具有一定的工程复杂性，或者具有一定的学术研究价值。题目先到先得。（2）要求组内成员独立完成分析。每人交一份大作业。2022-6-9日交作业。（3）大作业要求不准手写，电子版双面打印，正文不超过10页（不包括这两页）。若 有公式，必须用MathTypeo（4）如果是黑白打印，所有ANSYS截图要求背景反白。彩打不用反白。（5）大作业分析内容提纲：1 .研究背景与研究现状:对问题进行描述，对研究现状进行综述,不少于4篇参考文献， 20分。2 .具体问题描述：对所要研究的结构（如齿轮，需要给出参数）进行描述，10分。3 .建模与计算：叙述建模过程（过程需要有解释）和计算结果，40分。如果使用纯命 令流操作，命令流需要有注释。图上需要有姓名和学号。4 .总结：对结果进行分析、讨论（注意：不是写感想，写感想一律0分），10分。5 .参考文献：5分。以上共85分，另外15分是选题意义与难度。书写格式：1 .报告用纸：统一用A4纸。2 .章的标题：如：“一、研究背景与研究现状”，黑体，三号。3 .节的标题：如："2.1几何模型”等，宋体，四号。4 .正文：中文为宋体，英文和数字为"Times News Roman”，小四号。1.5倍行距。5 .正文中的图和表要有名称，图名和表名为宋体，五号。6 .参考文献四个字黑体三号，参考文献内容为五号字，中文为宋体，英文和数字为“Times News Roman”。中文参考文献的格式示例如下：期刊论文：1李团结，张琰，段宝岩.周边桁架可展开天线展开过程运动分析及控制J.西安电 子科技大学学报,2007, 34（6）:916-921.学位论文：21杨辉.刚-柔耦合动力学系统的建模理论与实验研究D.上海交通大学,2002.专著：3李东旭.大型挠性空间桁架结构动力学分析与模糊振动控制M.科学出版社,2008.一、研究背景与研究现状1.1问题描述在土木工程结构设计中，经常要对动力荷载的瞬态冲击效应进行分析。本文 通过使用ANSYS有限元分析软件，模拟分析板梁结构在瞬态动力荷载作用下的响 应情况,观察节点的位移时间历程结果,作出结果随时间变化的关系曲线。在工程结构中，除了结构自重及一些永久荷载外，其他荷载都具有或大或小 的动力作用。在动力作用下,结构将发生振动,各种量值均随时间变化,因而其计 算与静力荷载作用下有所不同。当荷载变化缓慢,变化周期远大于结构的自振周 期时,其动力作用很小,这时为了简化计算,可以将它作为静力荷载处理（以能满 足工程中的实际需要为前提）。在工程中作为动力荷载来考虑的是那些变化激烈、 动力作用显著的荷载。动力荷载可以分为简谐荷载、冲击荷载、快速移动荷载、 随机荷载等几种。按照作用在结构上的动力荷载类型,结构动力分析可分为模态 分析、谐响应分析、瞬态动力学分析、谱分析几大类。本文通过使用ANSYS结构分析软件，采用瞬态（FULL）完全法，对板-梁结构的 瞬态进行动力分析，确定结构在瞬态冲击荷载作用下位移、应力、应变、力等随 时间变化的规律（当然,在惯性力和阻尼不重要的时候,可以用静力分析代替瞬态 动力学分析）。通过修改模型也可用于在桥梁桥墩等结构上作用车、船等的撞击 动力分析。1. 2竖向地震下桥梁结构的瞬态响应竖向地震引起的剧烈地面运动可能导致桥梁结构的损坏。针对竖向地震作用 下双跨连续梁桥的瞬态动力学问题，考虑波动效应，应用瞬态波特征函数法求解 了地震过程中桥梁结构的瞬态波响应理论解。通过实例分析，描述了桥墩中轴 向波和桥跨结构中弯曲波的传播、反射、相互作用和波碰撞等现象。计算结果表 明，不同的竖向地震动与水平 地震动的比值会引起桥梁响应特征的明显改变。 随着比值的增大,桥梁响应特征的改变主要表现为:接触力的变化幅度增大， 出现更大的接触力，加剧支座的损坏可能性；出现了更低的接触力，甚至零接 触力，大大增加了桥跨结构与桥墩相对滑动的可能性；使原本整体处于受压 状态的桥墩中出现了拉应力，拉应力有可能超过混凝土的抗拉强度，并使桥墩出 现了拉一压交变应力，使得桥墩底部处于恶劣的应力状态；桥跨中部向上的最 大动挠度超过了两端，也就是桥跨结构被抛起的可能性增大。近年来浅源近断层地震动的观测记录显示，竖向地震动与水平地震动分量的 比值往往大于我国工程抗震设计规范中通常采用的，而且出现了大幅值的竖向地 震动加速度口。1994年发生在美国的North-bridge地震，竖向加速度峰值高达 1. 18g,是水平加速度峰值的1. 79倍，如此高的竖向地震动引起了极大的关注， 因此成为竖向地震动研究的分水岭。在1995年的Kobe地震中，观测到的地面竖 向加速度峰值高达水平值的两倍。2008年发生在我国的汶川地震中，竖向地震 动加速度峰值达到1g,接近于水平加速度峰值。调查工程结构在竖向地震作用 下的损坏发现，竖向地震动可能造成与水平地震动不同的损坏现象，如出现楼层 整体压溃、墙体竖向夹角小于横向夹角的“ x”型裂缝、受拉破坏的水平环缝、 钢筋“灯笼状”压曲等特殊现象。因此，被低估的竖向地震动对工程结构可能 造成的损害，受到了越来越多的关注。有关的研究显示，竖向地震动循环往复的地震力可能在桥梁的混凝土桥墩 中产生巨大的应力，甚至丧 失竖向承载能力，引起桥梁倒塌。另一方面，支 座与桥跨结构之间的接触力可能因竖向地震的作用而减小，造成桥梁和桥墩之间 的摩擦力减弱，使得落桥等震害更容易发生。竖向地震动产生的向上的拉力作用 于支座上时，可引起桥梁与支座连接构件的拉断或者支座断裂等，也可能引起支 座和上部结构发生暂时的分离，引发上跳现象旧。Tanimura等归1假设桥跨发生 了跳起后的再次落下撞击，采用动力学有限元方法模拟了下部结构的损坏情况, 模拟结果与实际发生的损坏情况基本一致。L3共振轨道梁结构瞬态噪声随着经济的飞速发展，城市化进程的加快，城市交通拥堵问题日益严峻，而 世界各国普遍认识到，缓解城市拥堵的根本出路在于发展以城市轨道交通为主 的公共交通系统。高架桥梁因其造价低、美观等优势，在城市轨道交通全线中所 占的比重也越来越大。伴随着高架桥承受的交通流量日益增多，列车荷载作用 下桥梁的振动与噪声问题也逐渐受到人们的关注。其中列车过桥时引起的共振问 题一直是国内外相关学者关注的重点，人们对这个问题进行了较为系统的研究, 取得了很多成果。Yang等采用解析法研究了移动荷载作用下两端弹性支承简支 梁的共振、消振现象。Yau等采用解析法、数值法相结合研究了移动荷载作用 下多跨连续梁的振动响应。Xia等分别从理论分析、数值模拟及试验分析出发， 研究了列车荷载作用下简支梁的振动响应理论解，获得简支梁发生共振及消振的 车速计算公式。黄方林等通过建立时变的移动荷载-简支梁系统，研究了桥梁 结构的竖向振动。以上研究，对共振速度引起的结构辐射噪声问题也有涉及。二、具体问题描述如图1所示为板-梁结构，板件上表面施加随时间变化的均布压力，计算在下 列已知条件下结构的瞬态响应情况。全部采用A3钢材料，特性：杨氏模量 =2ellN/m,泊松比=0.3,密度=7.8e3kg/m；板壳：厚度=0.02m；四条腿（梁的几 何特性：截面面积=2e-4m2,惯性矩=2e-8m、宽度=0.01 m,高度=0.02m。压力载 荷与时间的关系曲线如图2所示。图1质量梁-板结构及载荷示意图图2板上压力-时间关系三、建模与计算3.1建模建模的内容主要包括指定工作文件名、设定分析标题、定义单元类型、设定 材质，构建有限元模型等。（1）设置分析标题：选取菜单途径Utility Menu>file> Change Title,在输入“The Transient Analysis of the structure,然后单击 OK。（2）定义 单元类型 单元类型1为SHELL663,单元类型2为BEAM4。（3）定义单元实常数 实常数1为壳单元的实常数1,输入厚度为0.02（只需输入第一个值,即等厚度壳） 实常数2为梁单元的实常数，输入AREA为2e-4惯性矩z=2e-8, iyy=2e-8宽度 TKZ=0.01,高度 TKY=0.02。（4）杨氏模量:2ellN/m2 泊松比:0.3 密度:7.8e3kg/m3（5） 建立有限元分析模型：创建矩形,xl=0, x2=2, yi=0, y2=l、将有关键点沿Z方 向拷贝，输入DZ=-1、连线。将关键点1,5； 2,6； 3,7； 4,8分别连成直线。设置线 的分割尺寸为0,首先给面划分网格;然后设置单元类型为2,实常数为2,对线5 到8划分网格。3. 2加载并求解瞬态动力分析，完成瞬态动力分析的基本设定（应力刚化设定、牛顿-拉菲逊选 项、求解器的选择一般可以采用默认值）上述操作对应的操作为：（1）选取菜单途径 主菜单Solution>Analysis Type-New-Analysis,弹出新分析类型对话框。选择动力 分析Transient,然后单击OK,在接下来的界面仍然单击OK。选取菜单途径主菜单 下动力分析方法 Solu-tion>-Load Step Opts-time/Frequency>Ramping,弹出 Damping Specifications 窗口。在 Mass matrix multiplier 处输入 5。单击 OK。（2）选取菜单途径主菜单Solution>-Loads-Apply>-Structural-Displacement>On Nodes弹出拾取（Pick）窗口,在有限元模型上点取四个柱底节点232、242、252和 262,单击 OK,弹出 Apply,ROT on Nodes 对话框。在 DOF to be constrained 滚动框 中，选择“All DOF（单击一次使其高亮度显示，确保其它选项未被高亮度显示）。单 击 OK。选取菜单途径主菜单Solution>-load Step Opts Output-Ctrls>d/Results File, 弹出 Controls for Database and Results File Writing Item 窗口。在 to be controlled 滚动窗中选择 All items,下面的 File write fre-quency 中选择 Every substep.单击 OK. 选取菜单途径主菜单Solution-Load Step Opts-time/Frequency>time-Time- Step, 弹出 Time-Time Step Options 窗口在 Time at end of load st叩处输 1 ;在 Time step size 处输人 0.2;在 Stepped or ramped.c 处单击 ramped 单击 Automatic time stepping 为 on;在 Minimum time step size 处输入 0.05;在 Maximum time step size 处输入 0.5 单击K(3)选取菜单途径主菜单SolutionLoads-Apply-Structure-Pressure>On Areaso 弹出 Apply PRES on Areas 拾取窗 口。单击 Pick All,弹出 Apply PRES on Areas 对 话框。在pressure value处输入10000。单OK。选取菜单途径主菜单Solution>Write LS File,弹出 Write Load Step File 对话框。在 Load step file number 处输入 1,单击 OKo 选取菜单途径主菜单Solution>-load Step Optstime/Frequency>time-time Step,弹出 Time- Time Step Options 窗口在 Time at end of load step 处输入 2。单击 OKo 选取菜单途径主菜单Solution>Write LS File,弹出 Write Load Step File 对话 框。在 Load step file number 处输入 2,单击 OK。(4)选取菜单途径主菜单,Solution>Loads-Apply >-Structure-Pressure >On Areas o 弹出 Apply PRES on Areas 拾取窗口。单击 Pick All,弹出 Apply PRES on Areas对话框。在pressure value处输入5000o单击OK。选取菜单途径主菜 >Solution>-loadStep Optstime/Frequency>time-time Step,弹出 Time- Time Step Options 窗口。在 Time at end of load step 处输入 4;在 Stepped or ramped.c 处单击 Stepped 单击 OK。选取菜单途径主菜单Solution>Write LS File,弹出 Write Load Step File对话框。在Load step file number处输入3,单击OK。选取菜单途径主菜 M>Solution>-load Step Optstime/Frequency>time-time Step,弹出 Time- Time Step Options窗口在Time at end of load step处输入6单击OK。选取菜单途径主菜 单,SolutionLoads-Apply >-Structure-Pressure >On Areas o弹出 Apply PRES on Areas 拾取窗口。单击 Pick AH,弹出 Apply PRES on Areas 对话框。在 pressure value处输入0.单击OK选取菜单途径主菜单,Solution>Write LS File,弹出 Write Load Step File 对话框。在 Load step file number 处输入 4,单击 OK。(5)选取菜单途径主菜单Solution>SolveFrom- LS File,弹出 Slove Load Step Files 对话框。在 Starting LS file number 处输入 1;在 Ending LS file number 处输 入4。单击OK。当求解完成时会出现一个"Solutionis done的提示对话框。单击 closeo如图三。ELEMENTSU*TJUN 7 2022 12:34:16102411108471010461110110C99 冢45 44 一户434215C140120423310411538 37电.3614为51京一-S5, U15211726217118(12136116017C15201受22m12 221)21a2202191982072137t1871617181920/55 林4 53 22i09876249248247246245刘梦波图3梁板结构质量块单元3. 3提取分析结果瞬态动力学分析产生的结果都是时间的函数，如节点位移，节点和单元应力、 节点和单元应变、节点反力等。因此一般采用POST26处理器进行结果分析，观 察节点146的位移时间历程结果，作出结果随时间变化的关系曲线。(1)选取菜单 途径主菜单Time Hist Postpro>Define variables Defined Time- History Variables 对 话框将出现。单击Add,弹出Add Time-History-Variable对话框。接受缺省选 项Nodal DOF Result,单击0K,弹出Define Nodal Data拾取对话框。(3)在图形窗 口中点取节点 146。单击 0K,弹出 Define Nodal Data 对话框。(4)在 user -specified- label 处输入UZ146;在右边的滚动框中的“Translation Uz上单击一次使其高亮度 显示，单击 OK。(5)选取菜单途径 Utility Menu>Plot Ctrls>Style>Graph>Modify grid, 弹出 Grid Modifications for Graph Plots 对话框。(6)在 type of grid 滚动框中选中 “Xand lines “，在Display grid项打开为ON,单击OK. (7)选取菜单途径主菜 单,TimeHist PostPro>Graph Variables,弹出 Graph Time- History Variables 对话框。 在1st Variable to graph处输入2。单击OK,图形窗口中将出现一个曲线图，见图4。1POST26UZ 2JUN 7 2022 12:29:44TIME刘梦波图4节点146的UZ位移结果四、总结根据图4节点146的TIME-VALUE图表可知，在第一个荷载作用阶段，即0秒 到第1秒末，板的变形由0达到最大，为0.0146m,此时板的弯曲应力最大;到第二阶 段，即12秒，为荷载持续时间;到第三阶段随着荷载的减小，变形也随之减小，为 0.008m;到第四阶段，荷载解除，板变形逐渐恢复原形。用结构分析软件ANSYS进 行结构瞬态动力学分析,能比较准确地确定承受任意的结构的应力应变随时间的 变化关系及规律。五、参考文献1李战胜.浅谈板-梁结构的瞬态分析及过程M.铁道第三勘察设计院桥梁处,2003.2徐然，尹晓春.竖向地震作用下桥面与桥墩的多次重 撞击力的计算J.工程力学， 2010, 27(10)：124130.3Papazoglou A J, Elnashai A S. Analytical and fileld evidence of the damaging effect of vertical earthquake ground motion J. Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 1996, 25： 11091137.4Han Q, Du X L, Liu J B, et al. Seismic dagaage of highway bridges during the 2008Wenchuan earthquake!J.Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 2009, 8(2)：263273.5 YANG Y B, YAU J D, HSU L C. Vibration of simple beams due to trains moving at high speedJ. Engineering Structures, 1997, 19(11): 936-944.6夏禾，郭薇薇，张楠.车桥系统共振机理和共振条件分析J.铁道学报，2006, 28(5)：52-58