应力分析: 动力传动轴
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图表清单
动力传动轴-静力分析-应力-应力1 (7)
动力传动轴-静力分析-位移-位移1 (7)
动力传动轴-静力分析-应变-应变1 (8)
说明
在此项上总结FEM 分析: 动力传动轴假设
材料属性
载荷和约束
载荷
接头定义
无任何接头已定义
接触
相触状态:接触面- 自由
传感器结果
无数据可用。
自由实体力
螺栓力
无数据可用。
销钉力
无数据可用。
横梁
无数据可用。算例结果
默认结果
动力传动轴-静力分析-应力-应力1
动力传动轴-静力分析-位移-位移1
结论:经过分析,在实际应力加载下,传动轴完全满足应力强度。
静力弹塑性分析方法(Pushover方法)与动力弹塑性分析方 法的优缺点 Pushover分析法 1、Pushover分析法优点: (1)作为一种简化的非线性分析方法,Pushover方法能够从整体上把握结构的抗侧力性能,可以对结构关键机构及单元进行评估,找到结构的薄弱环节,从而为设计改进提供参考。 (2)非线性静力分析可以获得较为稳定的分析结果,减小分析结果的偶然性,同时花费较少的时间和劳力,较之时程分析方法有较强的实际应用价值。 2、Pushover分析法缺点: (1)它假定所有的多自由度体系均可简化为等效单自由度体系,这一理论假定没有十分严密的理论基础。 (2)对建筑物进行Pushover分析时首先要确定一个合理的目标位移和水平加载方式,其分析结果的精确度很大程度上依赖于这两者的选择。(3)只能从整体上考察结构的性能,得到的结果较为粗糙。且在过程中未考虑结构在反复加载过程中损伤的累积及刚度的变化。不能完全真实反应结构在地震作用下性状。 二、弹塑性时程分析法 1、时程分析法优点: (1)采用地震动加速度时程曲线作为输入,进行结构地震反应分析,从而全面考虑了强震三要素,也自然地考虑了地震动丰富的长周期分量
对高层建筑的不利影响。 (2)采用结构弹塑性全过程恢复力特性曲线来表征结构的力学性质,从而比较确切地、具体地和细致地给出结构的弹塑性地震反应。 (3)能给出结构中各构件和杆件出现塑性铰的时刻和顺序,从而可以判明结构的屈服机制。 (4)对于非等强结构,能找出结构的薄弱环节,并能计算出柔弱楼层的塑性变形集中效应。 2、时程分析法缺点: (1)时程分析的最大缺点在于时程分析的结果与所选取的地震动输入有关,地震动时称所含频频成分对结构的模态n向应有选择放大作用,所以不同时称输入结果差异很大。 (2)时程分析法采用逐步积分的方法对动力方程进行直接积分,从而求得结构在地震过程中每一瞬时的位移、速度和加速度反应。所以此法的计算工作十分繁重,必须借助于计算机才能完成。而且对于大型复杂结构对计算机要求更高,耗时耗力。 (3)对工程技术人员素质要求较高,工程应用要求较高。从结构模型建立,材料本构的选取、地震波选取,到参数控制及庞大计算结果的整理及甄别都要求技术人员具有扎实的专业素质以及丰厚的工程经验。
第一步,启动工作台软件,然后选择与启动DS模块弹出得界面。 第二步,导入三维模型。根据操作步骤进行。首先,单击“几何体”,选择“文件”,然后选择弹出窗口中的3D模型文件,如果当时catia文件格式不符,可以把三维图先转换为“.stp”的格式,即可导入。 第三步,选择零件材料:文件导入软件后,在这个时候,依次选择“几何”下的“零件”,并且在左下角的“Details of ‘Part’”中以调整零件材料属性,本次钟形壳的材料是刚。 第四步,划分网格:选择“Project”树中的“Mesh”,右键选择“Generate Mesh”即可在这一点上,你可以在左下角的“网格”对话框的细节调整网格的大小(体积元)。 第五步,添加类型分析:第一选择顶部工具栏上的“分析”按钮,添加需要的类型分析,因为我们需要做的是在这种情况下的静态分析。所以选择结构静力。 第六步,添加固定约束:首先选择“Project”树中的“Static Structural”按钮,右键点击支持插入固定树。这时候在左下角的“Details of ‘Fixed Support’”对话框中“Geometry”会被选中,会要求输入固定的支撑面。在这种情况下,固定支架的类型是表面支持,确定六凹面(此时也可点击“Edge”来确定“边”)。然后一直的按住“CTRL”键,连续选择其它几个弧面为支撑面,在点击“Apply”进行确认, 第七步,添加载荷:选择“Project”树中的“结构静力”,右键选择“Insert”中的“Force”,然后在选择载荷的作用面,再次点击“Apply”按钮进行确定。 第八步,添加变形:右键点击选择“Project”树中的“Solution”,随后依次选择插入,变形,Total”,添加变形。 第九步,添加等效应变:右键单击“项目”的树,“>插入应变->解决方案->添加等效,等效应变。 第十步,添加等效应力:首先右键点击“Project”树中的“Solution—>Insert —> Stress—>Equivalent”,添加等效应力。 第十一步,求解:右键点击选择“Project”树中的“Solution”,随后选择“Solve”求解
第一章结构静力分析 1.1 结构分析概述 结构分析的定义:结构分析是有限元分析方法最常用的一个应用领域。结构这个术语是一个广义的概念,它包括土木工程结构,如桥梁和建筑物;汽车结构,如车身骨架;海洋结构,如船舶结构;航空结构,如飞机机身等;同时还包括机械零部件,如活塞,传动轴等等。 在ANSYS产品家族中有七种结构分析的类型。结构分析中计算得出的基本未知量(节点自由度)是位移,其他的一些未知量,如应变,应力,和反力可通过节点位移导出。 静力分析---用于求解静力载荷作用下结构的位移和应力等。静力分析包括线性和非线性分析。而非线性分析涉及塑性,应力刚化,大变形,大应变,超弹性,接触面和蠕变。 模态分析---用于计算结构的固有频率和模态。 谐波分析---用于确定结构在随时间正弦变化的载荷作用下的响应。 瞬态动力分析---用于计算结构在随时间任意变化的载荷作用下的响应,并且可计及上述提到的静力分析中所有的非线性性质。 谱分析---是模态分析的应用拓广,用于计算由于响应谱或PSD输入(随机振动)引起的应力和应变。 曲屈分析---用于计算曲屈载荷和确定曲屈模态。ANSYS可进行线性(特征值)和非线性曲屈分析。 显式动力分析---ANSYS/LS-DYNA可用于计算高度非线性动力学和复杂的接触问题。 此外,前面提到的七种分析类型还有如下特殊的分析应用: ●断裂力学 ●复合材料 ●疲劳分析 ●p-Method 结构分析所用的单元:绝大多数的ANSYS单元类型可用于结构分析,单元型 从简单的杆单元和梁单元一直到较为复杂的层合壳单元和大应变实体单元。 1.2 结构线性静力分析 静力分析的定义 静力分析计算在固定不变的载荷作用下结构的效应,它不考虑惯性和阻尼的影响,如结构受随时间变化载荷的情况。可是,静力分析可以计算那些固定不变的惯性载荷对结构的影响(如重力和离心力),以及那些可以近似为等价静力作用的随时间变化载荷(如通常在许多建筑规范中所定义的等价静力风载和地震载荷)。 静力分析中的载荷 静力分析用于计算由那些不包括惯性和阻尼效应的载荷作用于结构或部件上引起的位移,应力,应变和力。固定不变的载荷和响应是一种假定;即假定载荷和结构的响应随时间的变化非常缓慢。静力分析所施加的载荷包括: ●外部施加的作用力和压力 ●稳态的惯性力(如中力和离心力) ●位移载荷 ●温度载荷 线性静力分析和非线性静力分析 静力分析既可以是线性的也可以是非线性的。非线性静力分析包括所有的非线性类型:大变形,塑性,蠕变,应力刚化,接触(间隙)单元,超弹性单元等。本节主要讨论线性静力分析,非线性静力分析在下一节中介绍。
实验一 衍架的结构静力分析 结构静力分析是ANSYS 软件中最简单,应用最广泛的一种功能,它主要用于分析结构在 固定载荷(主要包括外部施加的作用力,稳态惯性力如重力和离心力,位移载荷和温度载荷等)作用下所引起的系统或部件的位移,应力,应变和力。一般情况下,结构静力分析适用于不考虑或惯性,阻尼以及动载荷等对结构响应的影响不大的场合,如温度,建筑规范中的等价静力风载和地震载荷等在结构中所引起的响应。 结构静力分析分为线性分析和非线性分析两类,由于非线性分析涉及大变形,塑性,蠕变和应力强化等内容,较为复杂,不适于作为入门教学。因此,本实训中只讨论ANSYS 的线性结构静力分析。 一、问题描述 图1所示为由9个杆件组成的衍架结构,两端分别在1,4点用铰链支承,3点受到一 个方向向下的力F y ,衍架的尺寸已在图中标出,单位: m 。试计算各杆件的受力。 其他已知参数如下: 弹性模量(也称扬式模量) E=206GPa ;泊松比μ=0.3; 作用力F y =-1000N ;杆件的 横截面积A=0.125m 2. 显然,该问题属于典型的衍架静力分析问题,通过理论求解 方法(如节点法或截面法)也可以很容易求出个杆件的受力,但这里为什么要用ANSYS 软件对其分析呢? 二、实训目的 本实训的目的有二:一是使学生熟悉ANSYS8.0软件的用户界面,了解有限元分析的一 般过程;二是通过使用ANSYS 软件分析的结果和理论计算结果进行比较,以建立起对利用ANSYS 软件进行问题根系的信任度,为以后使用ANSYS 软件进行更复杂的结构分析打基础。 图1衍架结构简图
三、结果演示 通过使用ANSYS8.0软件对该衍架结构进行静力分析,其分析结果与理论计算结果如表 1所示。 表1 ANSYS 分析结果与理论计算结果的比较 比较结果表明,使用ANSYS 分析的结果与理论计算结果的误差不超过0.5%,因此, 利用ANSYS 软件分析来替代理论计算是完全可行的。 四、实训步骤 (一) ANSYS8.0的启动与设置 1. 启动。点击:开始>所有程序> ANSYS8.0> ANSYS ,即可进入ANSYS 图形用户主界面。如图2所示。其中,几个常用的部分有应用菜单,命令输入栏,主菜单,图形显示区和显示 图形显示区 主菜单 应用菜单 命令输入栏 显示调整工具栏 图2 用户主界面
在结构的静力分析中载荷与约束的施加方案对计算结果有较大的影响,甚至导致计算结果不可信,笔者在《结构设计CAE主业务流程》的博文中也提到这一点。那么到底如何施加载荷与约束呢?归根到底要遵循一个原则——尽量还原结构在实际中的真实约束和受力情况。本文着重介绍几种约束的施加方法与技巧,并通过具体例子来进一步说明。 1 销轴约束 销轴连接在结构中是很常见的一种形式,其约束根据具体的结构形式有所不同,下面以一个走行装置为例具体介绍一下。 走行装置是连接平动轨道与上部结构的,其约束应是轨道通过车轮对走行装置的约束,但是通常对于车轮只要验证其轮压满足要求即可,因此在模型中往往将车轮简化掉,因此对于走行装置的约束就变为销轴约束。 图1 某走行装置 图1 中1-10是与车轮相连接的轴孔,车轮行驶于轨道上,约束位置在10对轴孔处,如果把整个轴孔都约束则约束刚度太大,结果会导致圆孔周围应力过大,因此应简化为约束轴孔中心点,将中心点与轴孔边缘通过刚性单元连接,简化为点约束。首先y方向(竖直向上)是应该约束的(此处假设车轮及轴为刚体),其次由于轨道与轮缘的相互作用,z方向(侧向)也应该是约束的,然后由于走行装置在向下的压力下会产生沿x方向(运行方向)的位移,因此x方向约束应放开,但是如果10对轴孔中心x方向的约束全放开则会导致约束不全无法计算,因此应在1轴孔或10轴孔中心处施加x方向的约束,这样实现全自由度约束。 2 转动轨道约束 图2是一个翻车机模型,该结构通过电机驱动,托辊支撑,2个端环在轨道上转动来实现翻卸功能。
图2 翻车机 由于翻车机托辊支撑端环,由电机驱动不断地翻转卸车,造成其约束位置方向不断变化,针对一个具体翻转角度,翻车机端环在与托辊接触处(线接触)应约束沿翻车机端环径向,另外,由于翻车机在荷载作用下会产生沿翻车机轴向的位移,所以两端环中要约束一个端环的轴向自由度。 3 对称面约束 图3是某钢水罐模型,该模型关于y-z面对称,下面介绍一下该结构的约束处理。 图3 钢水罐 首先在1处由于受到钢水罐起吊装置的限制,其竖直方向y及水方向z无法变形,应施加z 方向及y方向的约束,而x方向是没有约束的,此时因缺少约束无法计算,应注意到该结构(包
Workbench -Mechanical Introduction 第四章 静力结构分析
概要 Training Manual ?本章,将练习线性静力结构分析,模拟过程中包括: A.几何和单元 B.组件和接触类型 C.分析设置 D.环境,如载荷和约束 环境如载荷和约束 E.求解模型 F.结果和后处理 ?本节描述的应用一般都能在ANSYS DesignSpace Entra或更高版本中使用。 –尽管本章中讨论的一些选项可能需要更高级的许可,但都给了提示。
线性静态结构分析基础 Training Manual ?对于一个线性静态结构分析(Linear Static Analysis),位移{x}由下面的矩阵方程解出: []{}{}F K= x 假设: –[K] 是一个常量矩阵 [K]是个常量矩阵 ?假设是线弹性材料行为 ?使用小变形理论 可能包含些非线性边界条件 ?可能包含一些非线性边界条件 –{F}是静态加在模型上的 ?不考虑随时间变化的力 ?不包含惯性影响(质量、阻尼) ?记住关于线性静态结构分析的假设是很重要的。非线性静态分析和动态分析在后面章节讲解。
A. 几何模型 Training Manual ?在结构分析中,可能模拟各种类型的实体。 ?对于面实体,在Details of surface body中一定要指定厚度值。 ?线实体的截面和方向,在DesignModeler里进行定义,并自动导入到Simulation(模拟)中。
… 质量点 Training Manual ?在模型中添加一个质量点来模拟结构中没有明确建模的重量体: –质量点只能和面一起使用。 –它的位置可以通过下面任一种方法指定: ?用户自定义的坐标系中指定(x,y,z)坐标值 ?通过选择顶点/边/面指定位置 –质量点只受包括加速度、重力加速度和角加速度的影响。 –质量是与选择的面联系在一起的,并假设它们之间没有刚度。 –不存在转动惯性
注:3月20号,周二课程内容主要是完成下面实验四 特别注意:本周六没课,本五周23号,8:00--12:00有课------------------------------------------------------------------------------------- 实验四MEMS薄膜压力传感器静力学分析 一、实验目的 1、掌握静力学分析 2、验证理论分析结果 3、对不同形状膜的分析结果进行对比 二、实验器材 能够安装ANSYS软件,内存在512MHz以上,硬盘有5G空间的计算机 三、实验说明 (一)基本思路 1、建模与网格化 2、静力学分析 3、对结果进行分析和比较 (二)问题描述: 由于许多压力传感器的工作原理是将受压力作用而变形的薄膜硅片中的应变转换成所需形式的电输出信号,所以我们要研究比较一下用什么样形状的膜来作为压力传感器的受力面比较好。我们比较的膜形状有三种,分别是圆形. 正方形. 长方形。在比较的过程中,三种形状膜的面积.,厚度和承受的压力是都是相等的。设置参数具体为:F=0.1MPa, EX=1.9e11,PRXY=0.3,DENS=2.33e3.单元尺寸为5e-006。为了选
择合适的网格化类型,首先我们拿圆的结构进行一下比较,最后选择比较接近理论计算的网格化类型,通过比较,我们知道映射网格化类型比较优越,所以后面的两种类型膜结构选择了映射网格化。 四、实验内容和步骤 圆形薄膜1 1.先建立一个圆形薄膜:Main Menu>Preprocessor>modeling>Create>volumes>solid cylinder.弹出以个对话 框如图,输入数据如图4-1,单击OK. 图4-1 2.设置单元类型:Main Menu>Preprocessor>element type>add/edit/delete,弹出一个对话框,点击add,显示library of element type对话框如图:在library of element type下拉列表框中选择structural solide 项,在其右侧下拉表框中选择brick 8node 45选项,单击OK. 在点击close.如图4-2.
第一章静力分析的基本概念与方法 【基本概念】 力的概念,刚体、变形体、平衡的概念,约束的概念。 【基本内容】 力的运动效应与变形效应,加减平衡力系原理及应用,力的可传性及其限制,二力构件与二力平衡条件及其应用,几种典型约束及相应的约束力,取隔离体作受力图,约束力的分析与计算。 重点掌握静力分析的基本方法,以及正确取隔离体作受力图。 【课程精讲】 一、关于力、力的平衡以及约束的概念和定义 力——物体间的相互机械作用。 力的两种效应——是使物体的运动状态或速度发生变化;二是使物体发生变形。前者称为运动效应;后者称为变形效应。对于刚体只产生运动效应;对于变形体则既可能产生运动效应又可能产生变形效应。 力的可传性——只要保持力的大小和方向不变,则力的作用点可以沿着力的作用线移动,而不改变力对物体的运动效应。力的可传性只对运动效应而言,即只有当物体或物体的一部分被抽象为刚体时,才是正确的。当研究力对物体的变形效应时,力的可传性便不再成立。 平衡——物体对于参考系保持静止或作等速直线运动。 二力平衡条件——作用在刚体上的两个力,其平衡条件是:两个力大小相等、方向相反并沿同一直线作用。在两个力作用下处于平衡状态的构件称为“二力构件”。 不平行三力的平衡条件——作用在刚体上同一平面内三个互不平行力平衡的必要与充分条件是:三力作用线汇交于一点,且力三角形封闭。 加减平衡力系原理——在作用于刚体上的任意力系上,加上或减去任何平衡力系,并不改变原力系对刚体的运动效应。加减平衡力系所得到的力系与原力系互为等效力系。等效力系和加减平衡力系原理对于变形效应是不成立的。 约束——对构件运动形成限制的物体称为构件的约束。不同的约束,在构件上产生不同的约束力。 柔性约束——绳索、皮带、链条等构成的约束。柔性约束只产生沿着绳索、皮带、链条方向受拉的约束力。 无摩擦刚性约束——约束物与被约束的构件均为刚性,而且二者接触面的摩擦忽略不计,故又称为光滑面刚性约束。这类约束有以下几种: 光滑平面或曲面约束:约束力沿着两接触面共法线方向。 圆柱铰链约束:这种约束只提供一个方向不确定的约束力,这约束力也可以分解为互相垂直的两个分力。固定铰支座、中间铰都属于这种约束。 辊轴约束——又称辊轴支座。其约束力方向垂直于辊子的支承面。 球铰链约束——又称球铰。提供一个作用线通过球心但方向不定的约束力。这约束力也可分为三个互相垂直的分力。 轴承约束——向心轴承的约束力与圆柱铰链的约束力相似,即约束力通过轴心方向不定,它也可发分解为两个互相垂直的分力。向心推力轴承由于限制了轴的轴线方向运动,因而与向心轴承相比,多了一个轴向约束力。 二、受力分析的基本方法 受力分析的任务——受力分析主要解决下列问题: 确定物体上受有哪些力以及这些力的作用位置,并尽可能确定这些力的作用线和方向。
静力弹塑性分析(Pushover 分析) ■ 简介 Pushover 分析是考虑构件的材料非线性特点,分析构件进入弹塑性状态直至到达极限状态时结构响应的方法。Pushover 分析是最近在地震研究及耐震设计中经常采用的基于性能的耐震设计(Performance-Based Seismic Design, PBSD)方法中最具代表性的分析方法。所谓基于性能的耐震设计就是由用户及设计人员设定结构的目标性能(target performance),并使结构设计能满足该目标性能的方法。Pus hover 分析前要经过一般设计方法先进行耐震设计使结构满足小震不坏、中震可修的规范要求,然后再通过pushover 分析评价结构在大震作用下是否能满足预先设定的目标性能。 计算等效地震静力荷载一般采用如图2.24所示的方法。该方法是通过反应修正系数(R)将设计荷载降低并使结构能承受该荷载的方法。在这里使用反应修正系数的原因是为了考虑结构进入弹塑性阶段时吸收地震能量的能力,即考虑结构具有的延性使结构超过弹性极限后还可以承受较大的塑性变形,所以设计时的地震作用就可以比对应的弹性结构折减很多,设计将会更经济。目前我国的抗震规范中的反应谱分析方法中的小震影响系数曲线就是反应了这种设计思想。这样的设计方法可以说是基于荷载的设计(force-based design)方法。一般来说结构刚度越大采用的修正系数R 越大,一般在1~10之间。 但是这种基于荷载与抗力的比较进行的设计无法预测结构实际的地震响应,也无法从各构件的抗力推测出整体结构的耐震能力,设计人员在设计完成后对结构的耐震性能的把握也是模糊的。 基于性能的耐震设计中可由开发商或设计人员预先设定目标性能,即在预想的地震作用下事先设定结构的破坏程度或者耗能能力,并使结构设计满足该性能目标。结构的耗能能力与结构的变形能力相关,所以要预测到结构的变形发展情况。所以基于性能的耐震设计经常通过评价结构的变形来实现,所以也可称为基于位移的设计(displacement-based design)。 Capacity (elastic) Displacement V B a s e S h e a r 图 2.24 基于荷载的设计方法中地震作用的计算
静力弹塑性分析方法(pushover法)的确切含义及特点 结构弹塑性分析方法有动力非线性分析(弹塑性时程分析)和静力非线性分析两大类。动力非线性分析能比较准切而完整的得出结构在罕遇地震下的反应全过程,但计算过程中需要反复迭代,数据量大,分析工作繁琐,且计算结果受到所选用地震波及构件恢复力和屈服模型的影响较大,一般只在设计重要结构或高层建筑结构时采用。 静力弹塑性分析方法,是对结构在罕遇地震作用下进行弹塑性变形分析的一种简化方法,从本质上说它是一种静力分析方法。具体地说,就是结构计算模型上施加按某种规则分布的水平侧向力,单调加载并逐级加大;一旦构件开裂(或屈服)即修改其刚度(或使其推出工作),进而修改结构总刚度矩阵,进行下一步计算,依次循环直到结构达到预定的状态(成为机构、位移超限或达到目标位移),从而判断是否满足相应的抗震能力要求。 静力弹塑性分析方法(pushover法)分为两个部分,首先建立结构荷载-位移曲线,然后评估结构的抗震能力,基本工作步骤为: 第一步:准备结构数据:包括建立模型、构件的物理参数和恢复力模型等; 第二步:计算结构在竖向荷载作用下的内力。 第三步:在结构每层质心处,沿高度施加按某种规则分布的水平力(如:倒三角、矩形、第一振型或所谓自适应振型分布等),确定其大小的原则是:施加水平力所产生的结构内力与第一步计算的内力叠加后,恰好使一个或一批构件开裂或屈服。在加载中随结构动力特征的改变而不断调整的自适应加载模式是比较合理的,比较简单而且实用的加载模式是结构第一振型。 第四步:对于开裂或屈服的杆件,对其刚度进行修改,同时修改总刚度矩阵后,在增加一级荷载,又使得一个或一批构件开裂或屈服; 不断重复第三、四步,直到结构达到某一目标位移(当多自由度结构体系可以等效为单自由度体系时)或结构发生破坏(采用性能设计方法时,根据结构性能谱与需求谱相交确定结构性能点)。 对于结构振型以第一周期为主、基本周期在2s以内的结构,pushover方法能够很好地估计结构的整体和局部弹塑性变形,同时也能揭示弹性设计中存在的隐患(包括层屈服机制、过大变形以及强度、刚度突变等)。 在实际计算中必须注意一下几个问题: (1)、计算模型必须包括对结构重量、强度、刚度及稳定性有较大影响的所有结构部件。 (2)对结构进行横向力增量加载之前,必须把所有重力荷载(恒载和参加组合的活荷载)施加在相应位置。
收稿日期:2003-02-16; 修订日期:2003-05-12 基金项目:华东建筑设计研究院有限公司第2001年度科研项目. 作者简介:汪大绥(1941-),男,江西乐平人,教授级高工,主要从事大型复杂结构设计与研究工作. 文章编号:1007 6069(2004)01 0045 09 静力弹塑性分析(Pushover Analysis)的 基本原理和计算实例 汪大绥 贺军利 张凤新 (华东建筑设计研究院有限公司,上海200002) 摘要:阐述了美国两本手册FE MA273/274和ATC-40中关于静力弹塑性分析的基本原理和方法,给出了利用E TABS 程序进行适合我国地震烈度分析的计算步骤,并用一框剪结构示例予以说明,表明Pushover 方法是目前对结构进行在罕遇地震作用下弹塑性分析的有效方法。关键词:静力弹塑性;能力谱;需求谱;性能点中图分类号:P315.6 文献标识码:A The basic principle and a case study of the static elastoplastic analysis (pushover analysis) WANG Da sui HE Jun li ZHANG Feng xin (Eas t Chi na Architec tural Desi gn &Research Institute Co.,Ltd,Shanghai 200002,China) Abstract:This paper revie ws the basic principles and methods of the static elasto plastic analysis (pushover analysis)in FE MA273/274and in ATC 40.Its main calculation procedures are summarized and a case study is presented for the fra me shear wall structure designed according to China Code for Seismic Design by means of E TAB S.It has been proved that pushover analysis is a effec tive method of structural elastoplastic analysis under the ma ximum earthquake action.Key words:static elastoplastic;capacity spectrum;de mand spectrum;performance point 1 前言 利用静力弹塑性分析(Pushover Analysis)进行结构分析的优点在于:既能对结构在多遇地震下的弹性设计进行校核,也能够确定结构在罕遇地震下潜在的破坏机制,找到最先破坏的薄弱环节,从而使设计者仅对局部薄弱环节进行修复和加强,不改变整体结构的性能,就能使整体结构达到预定的使用功能;而利用传统的弹性分析,对不能满足使用要求的结构,可能采取增加新的构件或增大原来构件的截面尺寸的办法,结果是增加了结构刚度,造成了一定程度的浪费,也可能存在新的薄弱环节和隐患。 对多遇地震的计算,可以与弹性分析的结果进行验证,看总侧移和层间位移角、各杆件是否满足弹性极限要求,各杆件是否处于弹性状态;对罕遇地震的计算,可以检验总侧移和层间位移角、各个杆件是否超过弹塑性极限状态,是否满足大震不倒的要求。 20卷1期2004年3月 世 界 地 震 工 程 WORLD EARTHQUAKE E NGINEERING Vol.20,No.1Mar.,2004
ANSYS WORKBENCH 11.0培训教程(DS)
第四章 静力结构分析
序言 ?在DS中关于线性静力结构分析的内容包括以下几个方面: –几何模型和单元 –接触以及装配类型 –环境(包括载荷及其支撑) –求解类型 –结果和后处理 ?本章当中所讲到的功能同样适用与ANSYS DesignSpace Entra及其以上版本. –本章当中的一些选项可能需要高级的licenses,但是这些都没有提到。 –模态,瞬态和非线性静力结构分析在这里没有讨论,但是在相关的章节当中将会有所阐述。
线性静力分析基础 ?在线性静力结构分析当中,位移矢量{x} 通过下面的矩阵方程得到: 在分析当中涉及到以下假设条件: –[K] 必须是连续的 ?假设为线弹性材料?小变形理论 ?可以包括部分非线性边界条件–{F} 为静力载荷 ?不考虑随时间变化的载荷 ?不考虑惯性(如质量,阻尼等等)影响 ?在线性静力分析中,记住这些假设是很重要的。非线性分析和动力学分析将在随后的章节中给予讨论。 []{}{} F x K =
A. 几何结构 ?在结构分析当中,可以使用所有DS 支持的几何结构类型. ?对于壳体,在几何菜单下厚度选项是必须要指定的。 ?梁的截面形状和方向在DM已经指定并且可以自动的传到DS模型当中。 –对于线性体,仅仅可以得到位移结果. ANSYS License Availability DesignSpace Entra x DesignSpace x Professional x Structural x Mechanical/Multiphysics x
Linear Static Analysis of a Plate with a Hole - RD-1000 This tutorial demonstrates how to create finite elements on a given CAD geometry of a plate with a hole, apply boundary conditions, and perform a finite element analysis of the problem. Post-processing tools will be used in HyperView to determine deformation and stress characteristics of the loaded plate. The following exercises are included: ?Setting up the problem in HyperMesh ?Applying Loads and Boundary Conditions ?Submitting the job ?Viewing the results Exercise Step 1: Launch HyperMesh and set the RADIOSS (Bulk Data) User Profile https://www.wendangku.net/doc/233784085.html,unch HyperMesh. A User Profiles… Graphic User Interface (GUI) will appear. If it does not appear, go to Preferences> User Profiles … from the menu on the top. 2.Select RADIOSS in the User Profile dialog. 3.From the extended list, select Bulk Data. 4.Click OK. This loads the User Profile. It includes the appropriate template, macro menu, and import reader, paring down the functionality of HyperMesh to what is relevant for generating models in Bulk Data Format for RADIOSS and OptiStruct. Step 2: Open the File plate_hole.hm 1.Click the Open .hm file icon . An Open file… browser window pops up. 2.Select the plate_hole.hm file, located in the HyperWorks installation directory under
静力弹塑性分析方法简介 摘要:PUSHOVER方法是基于性能/位移设计理论的一种等效静力弹塑性近似计算方法,该方法弥补了传统的基于承载力设计方法无法估计结构进入塑性阶段的缺陷,在计算结果相对准确的基础上,改善了动力时程分析方法技术复杂、计算工作量大、处理结果繁琐,又受地震波的不确定性、轴力和弯矩的屈服关系等因素影响的情况,能够非常简捷的求出结构非弹性效应、局部破坏机制、和整体倒塌的形成方式,便于进一步对旧建筑的抗震鉴定和加固,对新建筑的抗震性能评估以及设计方案进行修正等。PUSHOVER方法以其概念明确、计算简单、能够图形化表达结构的抗震需求和性能等特点,正逐渐受到研究和设计人员的重视和推广。目前,国内外论述PUSHOVER方法的文章已经很多,但大部分是针对某一方面的论述。为了给读者一个比较快速全面的认识,本文在综合大量文献的基础上,对PUSHOVER 方法的基本原理、分析步骤、等效体系的建立、侧向荷载的分布形式等方面做了比较全面的论述。 关键词:基于性能抗震设计;静力弹塑性分析;动力时程分析方法;恢复力模型;目标位移 1前言 结构分析方法基本可以分为弹性方法和弹塑性方法。按对地震得不同处理方式,又分为等效静力分析与动力时程分析。一般来说动力弹塑性时程分析方法能较真实地模拟地震作用过程,但是,由于计算工作量巨大,地震波的不确定性等因素的影响,此方法尚处于科研阶段,在短期内做到实用化非常困难。自20世纪90年代美国学者提出基于性能设计的抗震设计思想以来,PUSHOVER方法由于其简单方便以及对结构特性的良好表现性,很快成为各国学者积极讨论广泛研究的焦点之一。经过十几年的研究,已经取得了较大发展,并且得到了美国的SEAOCVision2000,ATC–33,ATC–34,ATC–40,FEMA273,FEMA274[1-3];欧洲的Eurocode8和日本的BuildingStandardLawofJapan等规范或规程的认可,我国也将这种方法引入了《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)。在反应谱的基础上建立的静力弹塑性分析方法主要有:N2方法,ATC-40推荐的能力谱方法[4],FEMA-273推荐的位移影响系数法,改进能力谱方法[2],Chopra改进能力谱方法[5],适应谱法[6],概率PUSHOVER分析方法[7],静动力综合法[8]等。另外,还有很多学者针对这一方法的适用范围、影响因素作了深入探讨和研究,但是他们大多是针对某一方面,使对这方面有兴趣的读者感到凌乱,没有头绪,所以有必要对PUSHOVER方法的基本原理、分析步骤、适用范围、优缺点等作全面的论述。 2基本原理与分析步骤 2.1PUSHOVER方法的基本原理 静力弹塑性分析方法主要用于确定结构的非弹性效应、局部破坏机制、和整体倒塌的形成方式。因此该方法可以用于旧建筑的抗震鉴定和加固,以及新建筑的设计和抗震性能评估。这种方法的基本原理是:首先利用由反应谱换算得到的代表抗震需求的需求谱和体现结构自身性能的能力谱得到结构在可能地震作用下所对应的需求位移,然后在施加竖向荷载的同时,将表征地震作用的一组水平静力荷载以单调递增的形式作用到原结构计算模型上进行静力推覆分析,在达到需求位移时停止荷载递增,最后在荷载终止状态对结构进行抗震性能评估,判断是否可以保证结构在该水平地震作用下满足相应的功能要求。 静态弹塑性分析方法并没有非常严格的理论基础,所以采用这种方法是基于以下两个基本假设[9]下的: (1)结构的反应和简化为等效单自由度体系的反应相关,这就意味着机构的反应由第
迈达斯之——静力弹塑性分析基本原理及方法 本页仅作为文档页封面,使用时可以删除 This document is for reference only-rar21year.March
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8-7 静力弹塑性分析(Pushover分析) 8-7-1 概要 非线性抗震分析方法可分为非线性静力分析方法和非线性动力分析方法。非线性动力分析方法可以认为是比较准确的方法,但是因为分析时间较长并对技术人员理论水准有较高的要求,所以在实际工程上的普及应用受到了限制。相反静力分析方法虽然在反映结构动力特性方面有所不足,但是因为计算效率较高和操作简单、理论概念清晰等原因被广大设计人员所普遍使用。 静力弹塑性分析又被称为Pushover分析,是基于性能的抗震设计(P erformance-Based Seismic Design, PBSD)中最具代表性的分析方法。所谓基于性能的抗震设计是以某种目标性能(target performanc e)为设计控制目标,而不是单纯的满足规范要求的极限承载能力的设计方法。其步骤是先按照规范要求进行抗震分析和构件设计,然后通过Pushover分析获得结构的极限承载能力,最后通过非线性位移结果评价结构是否满足目标性能要求。 2
目前规范中推荐的基底剪力法和反应谱分析方法均为弹性分析方法,其评价标准是地震作用下的抗力不小于地震作用下产生的内力,这些方法也被称为基于荷载的设计方法。而基于性能的设计方法则是使用与结构损伤直接相关的位移来评价结构的变形能力(耗能能力),所以又被称为基于位移的设计(displacement-based design)方法。 通过Pushover分析可得如图所示的荷载-位移关系曲线(能力谱),根据结构耗能情况可得到非线性需求谱。能力谱与需求谱的交点就是结构对于地震作用的性能点(performance point)。性能点意味着结构对于地震作用所拥有的最大的非线性承载力和最大位移,该点在控制目标性能范围内则表示该结构满足了性能要求。通过非线性分析可以了解结构具有的的极限承载能力和安全度。 3
《机械基础》 教案(2009~ 2010学年第二学期) 学院山西省工贸学校 系(部)机电系 教研室 教师梁少宁
山西省工贸学校
③学生学案 课题名称:静力分析的基本概念 班级:姓名: (一)、工作任务: 如果想让课桌分别做直接运动,定轴转动,自身转动我们应该分别怎样用力,这些力各有什么不同。在实际工作中怎么来利用这些力? (二)、学习目标: 通过本次课的学习使学生掌握静力学的基本概念、基本公理,并能够在后边的学习中和以后的工作中正确应用。
(三)、回答问题 1、如果想让课桌分别做直接运动,定轴转动,自身转动我们应该分别怎样用力? 2、让课桌分别做直接运动,定轴转动,自身转动的这些力各有什么不同? (四)、分析该资料,完成项目任务: 一、力的概念 1. 定义力是物体间的相互机械作用。这种机械作用使物体的运动状态或形状尺寸发生改变。 力使物体的运动状态发生改变称为力的外效应; 力使物体形状尺寸发生改变称为力的内效应。 2. 力的三要素及表示方法 物体间机械作用的形式是多种多样的,如重力、压力、摩擦力等。 力对物体的效应(外效应和内效应)取决于力的大小、方向和作用点,这三者被称为力的三要素。 力是一个既有大小又有方向的物理量,称为力矢量。 用一条有向线段表示,线段的长度(按一定比例尺)表示力的大小;线段的方位和箭头表示力的方向; 线段的起始点(或终点)表示力的作用点,如图所示。力的国际单位为[牛顿](N)。
3.力系与等效力系 若干个力组成的系统称为力系。 如果一个力系与另一个力系对物体的作用效应相同,则这两个力系互称为等效力系。 若一个力与一个力系等效,则称这个力为该力系的合力,而该力系中的各力称为这个力的分力。 已知分力求其合力的过程称为力的合成,已知合力求其分力的过程称为力的分解。 4.平衡与平衡力系 平衡是指物体相对于地球处于静止或匀速直线运动的状态。 若一力系使物体处于平衡状态,则该力系称为平衡力系。 二、刚体的概念 所谓刚体,是指在外力作用下,大小和形状保持不变的物体。 这是一个理想化的力学模型,事实上是不存在的。 实际物体在力的作用下,都会产生程度不同的变形。 但微小变形对所研究物体的平衡问题不起主要作用,可以忽略不计,这样可以使问题的研究大为简化。 静力学中研究的物体均可视为刚体。 三、静力学公理 公理1 二力平衡公理
静力弹塑性分析方法的适用性浅析 摘要:主要阐述了美国两本手册FEMA273/274和ATC-40关于静 力弹塑性分析的原理和基本方法,通过一些资料的分析,证明Pushover 方法是目前对结构进行大震作用下弹塑性分析的有效方法。 1 前言 使用静力弹塑性方法 (PushoverAnalysis )进行结构分析的优点在于:既能对结构在多遇地震下的弹性设计进行校核,也能够确定结构在罕遇地震下潜在的破坏机制,找到最先破坏的薄弱环节,从而使设计者仅对局部薄弱环节进行修复和加强,不改变整体结构的性能,就能使整体结构达到预定的使用功能;而利用传统的弹性分析,对不能满足使用要求的结构,可能采取增加新的构件或增大原来构件的截面尺寸的办法,结果是增加了结构刚度,造成了一定浪费,也可能存在新的薄弱环节和隐患。 对多遇地震的计算,可以与弹性分析的结果进行验证,看总侧移和层间位移角、各杆件是否满足弹性极限要求,各杆件是否处于弹性状态;对罕遇地震的计算,可以检验总侧移和层间位移角、各个杆件是否超过弹塑性极限状态,是否满足大震不倒的要求。 2 静力弹塑性方法的基本原理 现行的大多数软件提供的Pushover 的分析方法,主要基于两本手册,一本是由美国应用技术委员会编制的《混凝土建筑抗震评估和修复》(ATC-40),另一本则是美国联邦管理厅出版的《房屋抗震指南》 (FEMA273/274,然而Pushover的主干部分,即该计算方法的分析
部分采用的是能力谱法,来自于ATC-40。 其主要部分由以下几步组成: 1) 在结构上施加竖向荷载并且维持不变,然后单调逐级增加沿高度方向按一定规则分布的水平荷载,考虑材料非线性以及几何非线性效应进行增量非线性求解,每一级加载后更新结构刚度矩阵。计算结构的基底剪力- 顶点位移曲线。 2) 建立能力谱线 对不很高的建筑结构,地震反应以第一振型为主,可用等效单自由度体系代替原结构,因此将基底剪力- 顶点位移曲线转换为谱加速度- 谱位移曲线,即能力谱曲线。 3) 建立需求谱曲线需求谱曲线分为弹性和弹塑性两种需求谱。对于弹性需求谱,可通过将标准加速度Sa反应谱和位移Sd反应谱画在同一坐标系上,根据弹性单自由度体系在地震作用下的运动方程可知Sa和Sd之间 存在的关系。从而得到Sa和Sd之间的关系曲线,即AD格式的需求谱。 3 静力弹塑性分析方法的工程应用静力弹塑性分析并不是一种新的方法,但由于其能提供结构在侧向力作用下的能力或性能数据,符合当前正在研究发展的基于性能抗震设计的需要,因此该方法在近年来得到普遍重视和广泛 研究。 静力弹塑性分析可以对已建、待建或初步设计已完成的结构进行抗震 性能的评估,已在实际工程应用中得到不同的应用。此方法在工程的应用