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21206055_黄业胜_CAE课程报告

《工程抗震数值分析与软件应用》

课程大作业报告

——厂房墙体地震响应分析

CAE 课程报告

1.问题描述

结构自重静力与地震纯动力响应组合分析的apdl命令流开发与运用

基本要求:依据class 9_10.pdf的最后一页的作业建立ansys模型,考虑

两个水平向地震波的共同作用(地震载荷按RG1.60标准谱缩放,谱值如下),主要计算底部跨中单宽上的剪力与弯矩最大值,及顶部水平位移。分别进行静力、地震纯动力的ansys apdl命令流开发与计算。进行结果组合与静动组合的apdl 分析与计算。加深对ansys中的静动组合分析的理解。分析不同阻尼值(0.02,0.05,0.10)的影响。

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2.数值分析框图思路与理论简介

本次课程论文主要进行一下的计算,并试图对采用不同方法计算的结果进行对比分析。

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该问题主要牵涉到结构动力分析当中的谱分析和瞬态分析。其中,谱分析是模态分析的扩展,

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是用模态分析结果与已知输入谱结合进而计算模型的位移和应力的分析技术;瞬态分析则是随时间变化荷载作用下结构响应的技术。

3. 有限元模型与荷载说明

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(基本参数及其运用)

几何尺寸按照题目所示确定,网格大小按0.5m控制,先划分面(shell62),拖拉形成体单元模型(solid45),约束底部所有自由度。

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基本参数根据题目已知条件选取,其中对于反应谱分析,直接输入标准谱阻尼采用阻尼比的直接设定;

对于瞬态分析,取2800个荷载步,每个荷载步为0.01s,每个荷载步分1个子步加载;阻尼采用瑞利阻尼(由阻尼比换算而来)。

最终内力结果以底部跨中单宽的剪力和弯矩为依据(fsum命令得到)。最终水平位移以顶部跨中的中间节点的各方向位移为考察依据。

4.数值结果与合理性比较

4.1重力作用下重力作用下静力计算

重力作用下顶点位移:

UUX = 1.507701056E-04; UUY = -7.950262566E-05; UUZ = -1.021180322E-17

重力作用下底部内力值:

FX’ = -0.5688962E-03 ; FY’= -0.1797148E+08; FZ’= -0.4325793E-06; MX’ = -0.4269416E-05 ; MY’ = -0.1113181E-05 ; MZ’ = -804935.2

重力作用下底部跨中单宽内力值:

FX = 103.8452 ; FY = -589547.2 ; FZ = -0.1573153E-07

MX = -0.2881279E-08 ; MY = -0.1483841E-08 ; MZ = -27607.47

模型体积:

VOL 748.500

小结:

由体积和密度可以求出重量,然后计算出y 向受力:748.5*2450*9.8=17971485 ,对比底部内力值可知计算结果正确。

比较重力作用下底部内力值和底部跨中单宽上的内力值,发现FY,FZ,MZ 大致成比例(30倍),其他几组内力不成比例,可能因为约束情况不一样。 重力作用下变形图和y 向内力分布图如图1所示。

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图 1 重力作用下变形图和y 向内力分布图

4.2模态分析

分为不考虑重力和重力作为预应力施加两种情况进行模态分析,得到前28阶的自震频率和振型。两种情况下的自震频率列表如下:

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两种情况下振型相似,前六阶振型如下图所示:

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小结:

由结果可知,考虑重力与否对墙体的自震频率和振型几乎没有影响,这与预应力效应只对柔性体系的模态分析影响比较大的观点相符。

通过振型图和输出窗口中的系数,可以判断哪一阶模态对具体分析问题的影响,但是要真正明白其中的原委,还要学习。

虽然查阅很多资料,对模态分析中参与系数,模态阻尼,有效质量等概念还是不清楚,也凸显理论知识的重要性。

4.3 谱分析

按照前面的分析思路,将各种情况的结果收集整理,汇总表格如下:

1.自重+/-纯动组合的情况:

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2.

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3.X向和z

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图 2 x向(左)和z向(右)谱分析的

变形图,x,y,z应力图(自上而下)4.双向谱分析的结果

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图 3 双向谱分析结果(自上而下:变形,x,y,z向应力)

小结:

对比两个表格可以发现,考虑重力预应力与否对谱分析的结果影响很小,不论是单个方向还是方向组合之后的结果。

2.从结果的对比中可以发现考虑重力作为预应力进行谱分析,与不考虑重力作用的纯谱分析结果很相近,而与自重+/-纯动组合有出入,所以个人认为考虑重力的预应力效应并不代表动静组合??

3.自重+/-纯动组合时,通过工况加减可以得到位移值,但是试了很多种顺序跟方法,都无法得到动静组合的底部跨中单宽上的内力值,不知道原因出在哪里?

4. 谱分析和模态分析的原理虽然上课老师通了一遍,但是跟ANSYS 之间的联系还是搞不懂,模态参与系数,模态阻尼,有效质量等很多系数不知道具体的含义,总之这部分的理论基础太弱,导致很多东西不是很明白?

5.谱分析时可以选择模态合并时只合并影响系数大的模态,如下面列出的就是x方向谱分析时最后合并的模态,对比阵型图可以发现阵型主要对哪个方向位移有影响。

SET TIME/FREQ LOAD STEP SUBSTEP CUMULATIVE

1 6.0974 1 1 1

2 14.53

3 1 3 2

3 34.236 1 6 3

6.对比x方向、z向谱分析和双向谱分析的结果图可知主要是x方向激励起作用,x方向结果与双向谱分析的结果相近,分布规律相同。可能与x方向相对z方向比较弱有关。

4.4时程分析

按照前面不同的分析思路,将各种情况的结果收集整理,汇总表格如下:

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重力作为第一步荷载,不考虑重力,和重力按预应力计算三种情况下的顶点位移程曲线形状十分相似,大小也相差无几。

跨中顶点位移ux和uy (重力作为第一步荷载)的时程位移曲线如下图4所示.

小结:

1.对比结果可以发现,重力作为预应力计算瞬态响应没有效果,其结果与无重力计算下的结果完全一致(psress打开也没有影响)。

2.将重力作为第一步荷载计算,并在后续的荷载步中考虑重力作用,计算的结果与动静结合的结果一致,说明这个方法可以用来计算动静组合。

3.还有一些情况自己没有搞明白,a.重力作为第一步荷载计算时,应力钢化效应打开对结果的影响(经验证这个改成nlgeom之后没有影响);b.荷载步长的影响,因为时间关系,我每隔两步计算一个,不知道对结果的影响,c.阻尼比的影响,本人只用了0.02的阻尼比,据同学实验,阻尼比对谱分析没有任何影响?还有阻尼的选取和计算也不是很明白。

4.阻尼比增大,跨中位移和内力都随之减少。

5.时间步长的选取也非常重要,课上老师也讲过一些公式,这里对比了0.02s 步长和0.01s步长,结果显示位移和大部分内力都随时间步长减小而增大,但是增大幅度不大。

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图 4 顶点位移的时程曲线

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图 5 跨中单宽内力的时程曲线(重力按第一步荷载计算)

5. 结论与体会

结论:

主要是验证静动组合的几种不同的处理方法的一致性,经过两周来的不断尝试,将各种处理方法得到的结果对比发现:

谱分析中考虑预应力进行模态求解,然后谱分析的方法跟不考虑重力的结果十分相像,跟静+/-动力的结果有出入,所以个人认为考虑预应力不代表考虑重力(或者重力在本题中作用太小)。

时程分析中考虑预应力,先静力求解然后退出求解器在进行动力求解的方法不可行,因为结果跟不考虑预应力的结果完全一样。而把重力作为时程分析的第一荷载步,关闭时间积分效应,则得到的结果和静+/-动力的结果一致(注意后续的荷载步要保持重力加速度)。

阻尼比越大,系统的响应越小(本例范围内),时程分析受时间步长的影响也比较大,事先要计算一下时间步长。 体会:

自己动手做这个大作业,虽然历时很长,而且最终也没得到让自己信服的结

-1.50E+06

-1.00E+06-5.00E+050.00E+005.00E+05

1.00E+061.50E+06010

20

30

f z (N )

时间(s)

MZ

论,但是在操作技巧和思维上边都有很大收获。尽管本科的时候用过ansys做过一些分析甚至是毕业设计,不过要说真正的探索性学习,现在才是第一次。除了写在报告中的一些思路之外,两个月以来的确做了很多探索,也收获了很多,很感谢老师的帮助以及论坛中和ansys群中结识的几个前辈和高手,也特别感激教研室那些一块探讨的朋友们!我感觉自己最大的收获就是,在ansys操作当中,考验的不仅是技巧,更重要的是基础知识的明确,以及清晰的头脑!一定不能钻牛角尖!或许科研工作更需要如此。

关于这门课,虽然收获挺大,但仍觉得自己只是收获了整个课堂内容的不到十分之一,老师特别认真,恨不得把自己所有懂得的都给我们教会了似的,而且我觉得自己上课也挺认真的,可是效果确实不是很好,可能最大的环节就是自己课下练习的太少,太多的理论没有办法付诸实施,也就很快就忘掉了。我的建议就是,如果老师能够在每节课上课前关于这节课找个比较全面的例子,让大家照着提前给的课件的操作方法自己先做个结果,上课前抽查一个结果并让该同学讲下操作思路和要点,调动大家的积极性,或许上课的时候会更有重点,学的也更快些。

软件中很多选项与理论的联系不明白,希望老师可以多介绍一下这方面的内容,便于理论联系实际,提高计算的可靠性。

谱分析命令流:

finish

/clear

/PREP7

et,1,plane42 !辅助划分网格之用ET,2,SOLID45

!1号材料

mp,ex,1,2.e10

MP,PRXY,1,0.25

mp,dens,1,2450

!创建几何模型

!创建关键点

k,1

k,2,0,13

k,3,0.5,13

k,4,0.5,11.5

k,5,2.8,11.5

k,6,2.8,10

k,7,2,10

k,8,2,0

!创建线

*do,i,1,7

l,i,i+1

*enddo

l,8,1

!创建面

al,all

!移动工作平面,切分区域wpro,,90.000000,

wpoff,0,0,-10

asbw,all

wpro,,,90.000000

wpoff,0,0,0.5

asbw,3

wpcsys,-1

lesize,7,,,20

lesize,9,,,20

lesize,12,,,1

lesize,13,,,3

lesize,8,,,4

amesh,2 lesize,1,,,3

lesize,3,,,3

lesize,2,,,1

lesize,11,,,6

amesh,1

lesize,4,,,5

lesize,5,,,3

lesize,6,,,2

amesh,4

!拉伸生成体单元

EXTOPT,ESIZE,60,0,

EXTOPT,ACLEAR,1 !删除面单元

type,2

mat,1

VEXT,1,4,1,,,-30

nummrg,all !合并重复节点和单元

numcmp,all

eplot

save

!施加边界条件

nsel,s,loc,y,0

nplot

d,all,all

allsel

!重力预应力

/solu

acel,,9.8

pstres,on

solve

finish

!z方向

/solu

antype,2

pstress,on

modopt,lanb,28

mxpand,28,,,yes

dmprat,0.02

sed,,,1

svtyp,2

freq,0.25,2.5,9,33

sv,,0.461,3.071,2.349,0.981

srss,0.05,disp

solve

finish

/post1

/input,,mcom

lcwrite,11,fm_sl_y,l11 !写入工况文件

!x方向

/solu

antype,2

pstress,on

modopt,lanb,28

mxpand,28,,,yes

solve

finish

!3.获得谱解

/solu

antype,spectr

spopt,sprs,28,yes

dmprat,0.02

sed,1

svtyp,2

freq,0.25,2.5,9,33

sv,,0.461,3.071,2.349,0.981

solve

finish

!4.扩展模态

/solu

antype,modal

expass,on

mxpand,28,,,yes solve

finish

!5.模态合并

/solu

antype,spectr

srss,0.05,disp

solve

save,modelrst4,db

finish

/post1

/input,,mcom

lcwrite,10,fm_sl_x,l10 !!!x !写入工况文件

/post1

lczero

lcfile,10,fm_sl_x,l10 !!从荷载工况文件创建荷载工况

lcfile,11,fm_sl_y,l11

lcase,10 !!读入荷载工况

lcoper,squa !!数据平方求和

lcwrite,16,fm-02_x,l16 !!写入工况文件

lcase,11

lcoper,squa

lcwrite,17,fm-02_y,l17

lcfile,16,fm-02_x,l16

lcfile,17,fm-02_y,l17

lcase,16

lcoper,add,17 !!荷载工况相加

lcoper,sqrt !!将数据库中的数据开平方

lcwrite,30,fm_zhch,l30

!后处理

lcase, 30

! 顶点位移

nsel,s,loc,y,13

nsel,r,loc,z,-15

nsel,r,loc,x,0.5

nplot

*get,uux,node,237,u,x

*get,uuz,node,237,u,z

*get,uuy,node,237,u,y

!底部跨中单宽内力

nsel,s,loc,y,0,0.5

nsel,r,loc,z,-14.5,-15.5

esln,,1

nsel,r,loc,y,0

spoint,,1,0,-15

fsum

时程分析命令流:

!提取地震波

*dim,acx,array,2800,1

*dim,acy,array,2800,1

*creat,fll

*vread,acx(1,1),acex,txt,,JIK,1,2800 (e16.2)

*end

/input,fll

*creat,fll

*vread,acy(1,1),acey,txt,,JIK,1,2800 (e16.2)

*end

/input,fll

!求解

/solu

antype,trans

TRNOPT,FULL

timint,off

acel,0,9.8

kbc,1

nsubst,2

time,1e-8

alls nlgeom,on

solve

timint,on !考虑惯性和阻尼的影响打开时间积分效果

nlgeom,on

nsubst,1

ALPHAD,alpha

!质量矩阵阻尼比

betad,beta

!刚度阵阻尼比

Outres,all,all

*do,i,1,2800

!试算

ACEL,acx(i),9.8,acy(i) !保持9.8的基础上,施加动力加速度。TIME,I*0.01

SOLVE

*ENDDO

save

!后处理,得到数组,写入文件

/post1

*dim,tt,array,2801

*dim,JMneili,array,2801,6

*do,i,1,2801,1 !每一步读一次,共两千八百步

set,,,,,(i-1)*0.01

tt(i)=0.01*(i-1)

nsel,s,loc,y,0,0.5

nsel,r,loc,z,-14.5,-15.5

esln,,1

nsel,r,loc,y,0

spoint,,1,0,-15

fsum

*get,JMneili(i,1),fsum,,item,fx

!将fsum的结果赋值

*get,JMneili(i,2),fsum,,item,fy

*get,JMneili(i,3),fsum,,item,fz

*get,JMneili(i,4),fsum,,item,mx

*get,JMneili(i,5),fsum,,item,my

*get,JMneili(i,6),fsum,,item,mz

*enddo

*status,JMneili

*cfopen,shichengtransit2800,txt

*vwrite,tt(1),JMneili(1,1),JMneili(1,2),J Mneili(1,3),JMneili(1,4),JMneili(1,5),JM neili(1,6)

(e18.7,1x,e18.7,1x,e18.7,1x,e18.7,1x,e1 8.7,1x,e18.7,1x,e18.7)

*cfclos

allsel

finish

/post1

*dim,DDweiyi,array,2801,3

*do,i,1,2801,1 !每一步读一次,共两千八百步

set,,,,,(i-1)*0.01

*get,DDweiyi(i,1),node,237,u,x

*get,DDweiyi(i,2),node,237,u,y

*get,DDweiyi(i,3),node,237,u,z

*enddo

*status,DDweiyi

*cfopen,shichengweiyitransit,txt

*vwrite,tt(1),DDweiyi(1,1),DDweiyi(1,2), DDweiyi(1,3)

(e18.7,1x,e18.7,1x,e18.7,1x,e18.7)

*cfclos

finish