通用有限元程序ANSYS及应用_07.ppt

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1、LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS硕士研究生学位课程讲义（硕士研究生学位课程讲义（2008）通用有限元程序通用有限元程序ANSYS及及应用应用(七七)主主 讲：讲：钱钱 江江结构工程与防灾研究所结构工程与防灾研究所TelTel：65986113 (B310)65986113 (B310)Email:Email: 二二OOOO八年四月七日八年四月七日7 April 20081通用有限元程序ANSYS及应用LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODU

2、CTION TO ANSYS硕士研究生学位课程讲义（硕士研究生学位课程讲义（2008）第七讲第七讲 内容提要内容提要10.10.ANSYS ANSYS 动力分析的基本功能及动力分析的基本功能及一维单元应用实例一维单元应用实例 空间框架结构空间框架结构地震响应分析地震响应分析的谱分析法的谱分析法 10.1 10.1 ANSYS ANSYS 动力分析的基本功能简介动力分析的基本功能简介 10.2 10.2 实体建模及刚性楼板假定的实施实体建模及刚性楼板假定的实施 10.3 10.3 模态分析求解过程（交互式输入及命令流）模态分析求解过程（交互式输入及命令流）10.4 10.4 谱分析法求解过程（交

3、互式输入及命令流）谱分析法求解过程（交互式输入及命令流）10.5 10.5 瞬态地震响应求解过程瞬态地震响应求解过程7 April 20082通用有限元程序ANSYS及应用LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS10.1 10.1 ANSYS ANSYS 动力分析的基本功能简介动力分析的基本功能简介ANSYS ANSYS ANSYS ANSYS 动力分析的基本功能动力分析的基本功能动力分析的基本功能动力分析的基本功能模态分析模态分析谐响应分析（不做具体介绍）谐响应分析（不做具体介绍）谱分析谱分析瞬态响应分析

4、瞬态响应分析7 April 20083通用有限元程序ANSYS及应用LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS10.1 10.1 ANSYS ANSYS 动力分析的基本功能简介（续动力分析的基本功能简介（续1 1）模态分析模态分析 模态分析是所有动力学分析类型的最基础的内容；模态分析是所有动力学分析类型的最基础的内容；模态分析是用来确定结构振动特性的一种技术；模态分析是用来确定结构振动特性的一种技术；描述结构振动特性的基本要素：描述结构振动特性的基本要素：固有频率（自振周期固有频率（自振周期 1/1/固有频率

5、）固有频率）振型振型 振型参与系数振型参与系数(特定方向上某个振型在多大程度上参与了振动）特定方向上某个振型在多大程度上参与了振动）模态分析结果可以直接用于指导模态分析结果可以直接用于指导结构设计；结构设计；根据根据模态分析结果可以定性知晓模态分析结果可以定性知晓结构对各类动力载荷的响应结构对各类动力载荷的响应 有助于在其它动力分析中估算求解控制参数（如时间步长）有助于在其它动力分析中估算求解控制参数（如时间步长）模态分析只对线性结构成立模态分析只对线性结构成立模态分析只对线性结构成立模态分析只对线性结构成立!7 April 20084通用有限元程序ANSYS及应用LECTURE ON INT

6、RODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS10.1 10.1 ANSYS ANSYS 动力分析的基本功能简介（续动力分析的基本功能简介（续2 2）谐响应分析谐响应分析 确定结构在已知频率的正弦（简谐）激励作用下响应的技术确定结构在已知频率的正弦（简谐）激励作用下响应的技术；荷载必须是荷载必须是已知大小和频率的谐波载荷（力、压力或强迫位移，可以是已知大小和频率的谐波载荷（力、压力或强迫位移，可以是 同一频率的多种载荷组合，各载荷可以是同相位也可以是不同相位）同一频率的多种载荷组合，各载荷可以是同相位也可以是不同相位）；谐响应分析结果是与激

7、励谐响应分析结果是与激励同频率同频率同频率同频率的节点谐位移（通常会与激励存在位相的节点谐位移（通常会与激励存在位相 差），以及由节点位移得到的其它导出量，如：应力和应变等差），以及由节点位移得到的其它导出量，如：应力和应变等；单位力作用下的单位力作用下的谐响应分析结果谐响应分析结果可以与富氏分析相联系可以与富氏分析相联系；事实上，谐响应分析是模态叠加法的计算基础；事实上，谐响应分析是模态叠加法的计算基础；谐响应分析结果谐响应分析结果可以直接用于指导作可以直接用于指导作旋转运动的结构设计；旋转运动的结构设计；谐响应分析也谐响应分析也谐响应分析也谐响应分析也只对线性结构成立只对线性结构成立只对线

8、性结构成立只对线性结构成立!7 April 20085通用有限元程序ANSYS及应用LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS10.1 10.1 ANSYS ANSYS 动力分析的基本功能简介（续动力分析的基本功能简介（续3 3）谱分析谱分析 是模态分析的扩展，用于计算结构对地震及其它随机激励的响应是模态分析的扩展，用于计算结构对地震及其它随机激励的响应；谱分析计算过程是将谱分析计算过程是将模态分析的结果与一个已知的输入谱相联系，计算模态分析的结果与一个已知的输入谱相联系，计算 结构在该输入谱荷载作用下的响应

9、位移、应力等；结构在该输入谱荷载作用下的响应位移、应力等；谱分析由下列计算步骤构成：谱分析由下列计算步骤构成：获得模态解获得模态解 计算谱解计算谱解 扩展模态扩展模态 组合各模态解组合各模态解 谱谱谱谱分析也分析也分析也分析也只对线性结构成立只对线性结构成立只对线性结构成立只对线性结构成立!7 April 20086通用有限元程序ANSYS及应用LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS10.1 10.1 ANSYS ANSYS 动力分析的基本功能简介（续动力分析的基本功能简介（续4 4）瞬态响应分析瞬态响应

10、分析 是一种确定随时间变化载荷作用下结构响应的计算技术；是一种确定随时间变化载荷作用下结构响应的计算技术；瞬态响应分析的三种求解方法：瞬态响应分析的三种求解方法：完整矩阵法（完整矩阵法（完整矩阵法（完整矩阵法（FullFull）缩减矩阵法（缩减矩阵法（Reduced）模态叠加法（模态叠加法（Mode Superposition）模态叠加法模态叠加法模态叠加法模态叠加法只对线性结构成立；只对线性结构成立；只对线性结构成立；只对线性结构成立；缩减矩阵法仅允许结构中存在简单的点缩减矩阵法仅允许结构中存在简单的点 点接触形式的非线性；完整矩阵法点接触形式的非线性；完整矩阵法允许在分析中包括各种类型非线

11、性，允许在分析中包括各种类型非线性，如：几何大变形、接触、塑性等，但对硬件资源要求较高如：几何大变形、接触、塑性等，但对硬件资源要求较高 本次课重点介绍本次课重点介绍完整矩阵法完整矩阵法完整矩阵法完整矩阵法 由于荷载的瞬变特性，交互式操作是不现实的由于荷载的瞬变特性，交互式操作是不现实的由于荷载的瞬变特性，交互式操作是不现实的由于荷载的瞬变特性，交互式操作是不现实的!7 April 20087通用有限元程序ANSYS及应用LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS10.2 10.2 实体建模及刚性楼板假定的实

12、施实体建模及刚性楼板假定的实施分析目的：分析目的：地震作用下结构的线弹性动力响应地震作用下结构的线弹性动力响应分析分析 模型规划：模型规划：梁、柱均采用梁、柱均采用 BEAM4BEAM4 单元、楼板采用单元、楼板采用 SHELL63SHELL63建立属性表：建立属性表：单元类别：单元类别：E1,BEAM4,E1,BEAM4,!框架柱单元框架柱单元 E2,BEAM4,E2,BEAM4,!外环梁单元外环梁单元 E3,BEAM4,E3,BEAM4,!楼面梁单元楼面梁单元 E4,SHELL63,E4,SHELL63,!楼面板单元楼面板单元 材料属性：材料属性：M1,M1,!C30 C30 混凝土混凝土

13、 M2,M2,!型钢型钢 单元实参数：单元实参数：R1,E1,BEAM4,R1,E1,BEAM4,!框架柱单元框架柱单元 R2,E2,BEAM4,R2,E2,BEAM4,!外环梁单元外环梁单元 R3,E3,BEAM4,R3,E3,BEAM4,!楼面梁单元楼面梁单元 R4,E4,SHELL63,R4,E4,SHELL63,!楼面板单元楼面板单元参照讲义第参照讲义第3 3章交互式建模或执行命令流文件生成框架结构。章交互式建模或执行命令流文件生成框架结构。7 April 20088通用有限元程序ANSYS及应用LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON IN

14、TRODUCTION TO ANSYS10.2 10.2 实体建模及刚性楼板假定的实施实体建模及刚性楼板假定的实施（续（续1 1）实施刚性楼板假定的实施刚性楼板假定的 GUI GUI 操作命令操作命令执执行行 Utility Utility Menu Menu SeletSelet EntitiesEntities 命命令令，弹弹出出选选取取图图元元对对话话框框，在在选选取取类类型型表表中中选选 NodesNodes，选选取取标标准准表表中中选选 By By LocationLocation，参参数数设设定定窗窗中中输输入入 Z Z 坐坐标标限限定定范范围围 MinMin，MaxMax为为（4

15、 4，4 4），单击，单击OKOK按钮，即选中按钮，即选中 1 1 层楼面的全部节点。层楼面的全部节点。执执行行 Main Main Menu Menu Preprocessor Preprocessor Coupling/Coupling/CeqnCeqn Rigid Rigid Region Region 命命令令，弹弹出出选选取取主主节节点点对对话话框框，图图形形上上选选中中刚刚度度中中心心处处的的节节点点 120120，单单击击OKOK按按钮钮；弹弹出出选选取取从从节节点点对对话话框框，选选中中该该层层其余所有节点，单击其余所有节点，单击OKOK按钮，完成按钮，完成 1 1 层楼面的刚

16、性楼板约束。层楼面的刚性楼板约束。类似地，对类似地，对 2 2、3 3层实施刚性楼板约束层实施刚性楼板约束7 April 20089通用有限元程序ANSYS及应用LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS10.2 10.2 实体建模及刚性楼板假定的实施实体建模及刚性楼板假定的实施（续（续2 2）！实施刚性楼板假定的命令流！实施刚性楼板假定的命令流!定义定义 1 1 层楼面刚性楼板层楼面刚性楼板!*!*/PREP7/PREP7 NSEL,S,LOC,Z,4,4NSEL,S,LOC,Z,4,4CERIG,120,

17、ALL,UXYZ,CERIG,120,ALL,UXYZ,!193!193号节点为该层形心位置，定义为刚度中心号节点为该层形心位置，定义为刚度中心!定义定义 2 2 层楼面刚性楼板层楼面刚性楼板!*!*/PREP7/PREP7 NSEL,S,LOC,Z,8,8NSEL,S,LOC,Z,8,8CERIG,127,ALL,UXYZ,CERIG,127,ALL,UXYZ,!229!229号节点为该层形心位置，定义为刚度中心号节点为该层形心位置，定义为刚度中心!定义定义 3 3 层楼面刚性楼板层楼面刚性楼板!*!*/PREP7/PREP7 NSEL,S,LOC,Z,12,12NSEL,S,LOC,Z,1

18、2,12CERIG,134,ALL,UXYZ,CERIG,134,ALL,UXYZ,!350!350号节点为该层形心位置，定义为刚度中心号节点为该层形心位置，定义为刚度中心7 April 200810通用有限元程序ANSYS及应用LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS10.3 10.3 模态分析求解过程模态分析求解过程模态分析模态分析 GUI GUI 操作流程：操作流程：执执行行 Main Main Menu Menu Solution Solution Analysis Analysis Type Ty

19、pe New New Analysis Analysis 命命令令，弹弹出出如如左左下下图图所所示示求求解解类类型型对对话话框框，选选择择 ModalModal选选项项，单单击击 OKOK 按按钮钮；弹弹出出右右下下图图所所示示模模态态分分析析选选项项对对话话框框，输输入入模模态态提提取取数数（No.No.of of modes modes to to extractextract）为为 2020，单单击击 OKOK 按按钮钮；弹弹出出Block Block LanczosLanczos Method Method 选项对话框，取默认值即可。单击选项对话框，取默认值即可。单击 OKOK 按钮。

20、按钮。执行执行 Main Menu Solution Solve Current LSMain Menu Solution Solve Current LS 命令，进行模态分析。命令，进行模态分析。求解类型对话框求解类型对话框模态分析选项对话框模态分析选项对话框 7 April 200811通用有限元程序ANSYS及应用LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS10.3 10.3 模态分析求解过程模态分析求解过程（续）（续）!步骤步骤1 1：进行模态分析：进行模态分析/SOLUTIONSOLUTION ANT

21、YPE,MODAL ANTYPE,MODAL ！进行模态分析进行模态分析 MODOPT,LANB,20,0,0,OFF MODOPT,LANB,20,0,0,OFF ！选择模态分析方法、模态提取数选择模态分析方法、模态提取数MXPAND,0,0 MXPAND,0,0 ！选择模态扩展数选择模态扩展数LUMPM,0 LUMPM,0 ！选择质量阵形式为选择质量阵形式为一致质量阵一致质量阵PSTRES,0 PSTRES,0 ！关闭预应力选项开关关闭预应力选项开关SOLVE SOLVE ！求解模态求解模态FINISH FINISH 7 April 200812通用有限元程序ANSYS及应用LECTURE

22、 ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS10.4 10.4 谱分析法谱分析法求解过程求解过程!步骤步骤2 2：进行谱分析：进行谱分析/SOLUTIONSOLUTION ANTYPE,8ANTYPE,8SPOPT,SPRS,20,1 SPOPT,SPRS,20,1 ！谱分析法，取谱分析法，取 20 20 个模态计算个模态计算!输入加速度谱值输入加速度谱值SVTYP,2,9.8,SVTYP,2,9.8,！输入加速度谱，以重力加速度输入加速度谱，以重力加速度g g为输入单位为输入单位SED,1,0,0,SED,1,0,0,！定

23、义定义 X X轴方向为地震输入方向轴方向为地震输入方向ROCK,0,0,0,0,0,0,ROCK,0,0,0,0,0,0,!*!*FREQFREQFREQ,0.111111,0.125000,0.142857,0.166667,0.200000 FREQ,0.111111,0.125000,0.142857,0.166667,0.200000 FREQ,0.222222,0.250000,0.285714,0.333333,0.400000 FREQ,0.222222,0.250000,0.285714,0.333333,0.400000 FREQ,0.500000,0.555556,0.62

24、5000,0.714286,0.833333 FREQ,0.500000,0.555556,0.625000,0.714286,0.833333 FREQ,1.000000,1.111111,10.00000,50.00000 FREQ,1.000000,1.111111,10.00000,50.00000 !*!*SV,0.05,0.115940E-01,0.131940E-01,0.147940E-01,0.163940E-01,0.179940E-01SV,0.05,0.115940E-01,0.131940E-01,0.147940E-01,0.163940E-01,0.179940E

25、-01SV,0.05,0.187940E-01,0.208960E-01,0.235640E-01,0.270710E-01,0.318980E-01SV,0.05,0.187940E-01,0.208960E-01,0.235640E-01,0.270710E-01,0.318980E-01SV,0.05,0.389930E-01,0.428710E-01,0.476650E-01,0.537520E-01,0.615710E-01SV,0.05,0.389930E-01,0.428710E-01,0.476650E-01,0.537520E-01,0.615710E-01SV,0.05,0

26、.727630E-01,0.800000E-01,0.800000E-01,0.360000E-01SV,0.05,0.727630E-01,0.800000E-01,0.800000E-01,0.360000E-01!SOLVE SOLVE FINISH FINISH 7 April 200813通用有限元程序ANSYS及应用LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS10.4 10.4 谱分析法谱分析法求解过程求解过程（续）（续）!步骤步骤3 3：进行模态扩展：进行模态扩展/SOLUTION/SOLUTIO

27、N ANTYPE,2ANTYPE,2EXPASS,1 EXPASS,1 ！扩展模态扩展模态MXPAND,20,0,0,1,0.005,MXPAND,20,0,0,1,0.005,SOLVE SOLVE FINISHFINISH!步骤步骤4 4：进行谱分析：进行谱分析(振型叠加振型叠加)/SOLUTION/SOLUTION ANTYPE,8ANTYPE,8SPOPT,SPRS,20,1SPOPT,SPRS,20,1SRSS,0.005,DISP SRSS,0.005,DISP ！采用采用SRSS SRSS 叠加各模态结果叠加各模态结果SOLVESOLVEFINISH FINISH !*!*!*!

28、*!步骤步骤5 5：进入后处理进行工况组合：进入后处理进行工况组合：/POST1POST1SET,LISTSET,LIST/INP,/INP,mcommcom !读入读入jobnamejobname.mcommcom文件，进行谱分析模态叠加文件，进行谱分析模态叠加7 April 200814通用有限元程序ANSYS及应用LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS10.5 10.5 瞬态地震响应求解过程瞬态地震响应求解过程!时程分析命令流时程分析命令流时程分析命令流时程分析命令流!*set,*set,stst,

29、0.01 ,0.01 ！设定时间步长设定时间步长 stst0.010.01 *set,endpoint,100 *set,endpoint,100 ！设定数组长度为设定数组长度为 endpointendpoint100100 *dim,*dim,xforcexforce,array,endpoint ,array,endpoint ！定义数组名定义数组名 xforcexforce 和长度和长度*vreadvread,xforcexforce(1),Seismic_x,txt (1),Seismic_x,txt ！以指定格式以指定格式(7F10.5)(7F10.5)从文件中读入数据从文件中读入数

30、据(7F10.5)(7F10.5)*VOPER,*VOPER,xforcexforce(1),(1),xforcexforce(1),(1),MultMult,9.8,9.8,！对数组元素进行乘法运算对数组元素进行乘法运算7 April 200815通用有限元程序ANSYS及应用LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS10.5 10.5 瞬态地震响应求解过程（瞬态地震响应求解过程（续）续）!时程分析命令流（续）时程分析命令流（续）时程分析命令流（续）时程分析命令流（续）!/SOLU /SOLU !*!*AN

31、TYPE,TRANS ANTYPE,TRANS ！进行瞬态分析进行瞬态分析 TRNOPT,FULL TRNOPT,FULL ！选择选择完整矩阵法完整矩阵法!*!*dim,*dim,shijianshijian,array,endpoint ,array,endpoint ！定义数组名定义数组名 shijianshijian 和长度和长度*vfillvfill,shijianshijian(1),ramp,(1),ramp,stst,st st ！对数组进行数据填充对数组进行数据填充N_star=1N_star=1N_end=100N_end=100N_N_incrincr=1=1*DO,N,N

32、_star,N_end,N_*DO,N,N_star,N_end,N_incr incr ！执行循环执行循环TIME,TIME,shijianshijian(N)(N)！对时间赋值对时间赋值ACEL,ACEL,xforcexforce(N),(N),yforceyforce(N),(N),！在在 X X、Y Y 方向施加惯性力方向施加惯性力NSEL,ALLNSEL,ALL!LSWRITE,N !LSWRITE,N ！写如荷载文件写如荷载文件SOLVE SOLVE ！直接求解直接求解*ENDDO*ENDDO7 April 200816通用有限元程序ANSYS及应用LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS硕士研究生学位课程讲义（硕士研究生学位课程讲义（2008）谢谢各位!7 April 200817通用有限元程序ANSYS及应用LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS硕士研究生学位课程讲义（硕士研究生学位课程讲义（2007）7 April 200818通用有限元程序ANSYS及应用