ANSYS地震分析實例

1、ANSY弛震分析實例土木工程中除了常見的靜力分析以外，動力分析，特別是結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的受力分析，也是土木工程中經(jīng)常碰到的題目。結(jié)構(gòu)的地震分析根據(jù)現(xiàn)行抗震規(guī)范要求，一般分為以下兩類：基于結(jié)構(gòu)自振特性的地震反應(yīng)譜分析和基于特定地震波的地震時程分析。本算例將以一個4質(zhì)點的彈簧-質(zhì)點體系來說明如何使用有限元軟件進行地震分析。更復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分析其基本過程也與之類似。關(guān)鍵知識點：(a)模態(tài)分析(b)譜分析(c)地震反應(yīng)譜輸進(d)地震時程輸進(e)時程動力分析(1)在ANSYS窗口頂部靜態(tài)菜單，進進Parameters菜單，選擇ScalarParameters選項，在輸進窗口中填進DAMPRATIO=

2、0.02,即所有振型的阻尼比為2%(2)ANSYS主菜單Preprocessor->Elementtype->Add/Edit/Delete,添力口Beam188單元(3)在ElementTypes窗口中，選擇Beam188單元，選擇Options,進進Beam188的選項窗口，將第7個和第8個選項，Stress/Strain(SectPoints)K7,Stress/Strain(SectNods)K8,從None改為MaxandMinOnly。即要求Beam188單元輸出積分點和節(jié)點上的最大、最小應(yīng)力和應(yīng)變(4)在ElementTypes窗口中，繼續(xù)添加Mass

3、21集中質(zhì)量單元(5)下面輸進材料參數(shù)，進進ANSYS主菜單Preprocessor->MaterialProps->MaterialModels菜單，在MaterialModelNumber1中添加Structural->Linear->Elastic->Isotropic屬性，輸進材料的彈性模量EX和泊松比PRXY分別為210E9和0.3。(6)繼續(xù)給MaterialModelNumber1添加Density屬性，輸進密度為7800。(7)繼續(xù)給MaterialModelNumber1添加Damping屬性，采用參數(shù)化建

4、模，輸進阻尼類型為Constant,數(shù)值為DAMPRATIO(8)接著建立梁單元的幾何屬性，和上一個例子一樣，采用Sections建模，進進ANSYS主菜單Preprocessor->Sections->Beam->CommonSections，選擇Sub-Type為工字型，截面尺寸W1=0.2,W2=0.2,W3=0.5,t1=0.01,t2=0.01,t3=0.008(9)通過實參數(shù)輸進集中質(zhì)量單元的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量，在ANSYS主菜單中選擇Preprocessor->RealConstants->Add/Edit/Del

5、ete菜單，在RealConstants窗口中選擇Add,在ElementtypeforRealConstants選擇Mass21,在RealConstantforNumber1窗口中輸進1.6E2,1.6E2,如圖所示。即該質(zhì)量單元在X和丫方向的質(zhì)量都為160,由于本例子模型為平面題目，所以不必考慮Z方向的質(zhì)量，同樣也不考慮單元的轉(zhuǎn)動慣量。(10)繼續(xù)添加第二類集中質(zhì)量，過程和上面一樣，但是輸進的質(zhì)量數(shù)值為1.2E2,1.2E2(11)完成以上工作就完成了模型的基本數(shù)據(jù)預(yù)備，下面開始建立物理模型。(12)在ANSYS主菜單中選擇Preprocessor->Modeling-&a

6、mp;gt;Create->Keypoints->InActiveCS,依次輸進關(guān)鍵點編號和坐標(biāo)：需要說明的是，關(guān)鍵點6為后面建立梁單元所需的截面方向控制點，在上一個例子中已經(jīng)做過先容。(13)完成關(guān)鍵點輸進后下面建立直線模型。在ANSYS主菜單中選擇Preprocessor->Modeling->Create->Lines->Lines->StraightLine，依次連接關(guān)鍵點15。(14)下面給建立完的幾何模型賦予材料屬性，在ANSYS菜單中選擇Meshing->MeshAtt

7、ributes->PickedLines，選中所有的直線，進進LineAttributes窗口，選擇相關(guān)選項材料屬性，實參數(shù)，單元類型和截面類型都為1,點擊OK后輸進關(guān)鍵點6作為截面方向控制點。(15)在ANSYS主菜單中選擇Preprocessor->Meshing->SizeCntrls->ManualSize->Lines->PickedLines,在ElementSizesonPickedLines窗口中設(shè)定NDIVNo.ofelementdivisions為3,即將每條直線分為3段(16)在ANSYS

8、i菜單中選擇Preprocessor->Meshing->Mesh->Lines，選擇所有的直線，完成直線的網(wǎng)格劃分。(17)為了便于后面操縱，將網(wǎng)格劃分后的單元和節(jié)點編號進行適當(dāng)?shù)那謇?。在ANSYS主菜單中選擇Preprocessor->NumberingCtrls->MergeItems,在MergeCoincidentorEquivalentlyDefinedItems窗口中選擇All,清理所有重復(fù)的元素。同樣選擇NumberingCtrls->CompressNumber菜單，在CompressNumb

9、er中選擇All,對節(jié)點和單元進行重新編號。ANSYS主菜單中選擇(18)下面建立集中質(zhì)量單元，采取直接輸進單元的方法建立。在Preprocessor->Modeling->Create->Elements->ElemAttributes,在ElementAttributes中設(shè)定單元類型編號為2MASS21,材料編號任意，實參數(shù)編號為1。如圖所示(19)在ANSYS主菜單中選擇Preprocessor->Modeling->Create->Elements->AutoNumbere

10、d->ThruNodes,選擇節(jié)點2,建立第一個集中質(zhì)量。(20)再次進進第18步ElementAttributes窗口，設(shè)定實參數(shù)(Realconstantsetnumber)為2。(21)重復(fù)19步，選擇節(jié)點8,14,20,建立其他的三個集中質(zhì)量單元。(22)到此完成所有建模工作，下面開始進行結(jié)構(gòu)分析(23)進進ANSYS主菜單中Solution功能模塊，選擇Solution->DefineLoads->Apply->Structural->Displacement->OnNodes,選擇節(jié)點1,設(shè)定約束所

11、有的自由度。港臺化妝品(24)首先做一次靜力分析，選擇ANSYS主菜單Solution->AnalysisType->NewAnalysis,設(shè)定分析類型為Static(25)選擇ANSYS主菜單Solution->Solve->CurrentLS選項，進行一次靜力分析(26)分析完后，下面進行模態(tài)分析，在ANSYS主菜單中選擇Solution->AnalysisType->NewAnalysis,選擇分析類型為Model(27)在ANSYS主菜單中選擇Solution->AnalysisType

12、->AnalysisOptions,輸進模態(tài)分析方法為子空間法(Subspace),求解8階模態(tài)，同時需要作模態(tài)擴展，擴展的模態(tài)為8階，并計算單元應(yīng)力和應(yīng)變，輸進窗口如圖(28)再次選擇ANSYS主菜單Solution->Solve->CurrentLS,計算當(dāng)前題目(29)這時，假如需要看結(jié)果，可以進進后處理模塊，即ANSYS主菜單GeneralPostproc,可以看到計算的各階頻率和振型。(30)完成結(jié)構(gòu)自振分析后，下面就可以進行反應(yīng)譜分析(31)進進ANSYS主菜單Solution->AnalysisType->Ne

13、wAnalysis,選擇分析類型為Spectrum。(32)在ANSYS主菜單Solution->AnalysisType->AnalysisOptions中，選擇譜分析的類型為單點輸進(Sing-ptresp)(33)在ANSYS主菜單中選擇Preprocessor->Loads->LoadStepOpts->Time/Frequenc->Damping,輸進所有的阻尼為DAMPRATIO,如圖所示(34)下面需要定義地震的反應(yīng)譜。我國規(guī)范給定的是基于加速度的反應(yīng)譜。在ANSYS主菜單中選擇Solution-

14、>LoadStepOpts->Spectrum->SinglePoint->Settings，設(shè)定反應(yīng)譜類型為地震加速度，放大系數(shù)為1,輸進方向為X方向(1,0,0)。(35)接下來開始輸進地震反應(yīng)譜。這里輸進的反應(yīng)譜按7度多遇地震，取地震影響系數(shù)為0.08,第一組，HI類場地，卓越周期Tg=0.45s。值得留意的是，我國規(guī)范給的反應(yīng)譜橫坐標(biāo)是周期，ANSYS定義的反應(yīng)譜橫坐標(biāo)是頻率，應(yīng)該留意上述區(qū)別。選擇ANSYS主菜單Solution->LoadStepOpts->Spectrum->Sing

15、lePoint->FreqTable,輸進頻率反應(yīng)譜Freq1Freq12為0.167,0.25,0.333,0.,0.5,0.667,1,1.25,1.667,2.222,10,如圖(36)選擇ANSYSi菜單Solution->LoadStepOpts->Spectrum->SinglePoint->SpectrValues,輸進對應(yīng)的反應(yīng)譜數(shù)值依次如下：(37)最后選擇ANSYS主菜單Solution->LoadStepOpts->Spectrum->SinglePoint-&

16、amp;gt;ModeCombine,設(shè)定振型組合方式為SRS銖，如圖所示(38)選擇ANSYS主菜單Solution->Solve->CurrentLS,計算反應(yīng)譜結(jié)果(39)進進ANSYS主菜單后處理模塊GeneralPostproc,在ANSYS窗口頂部菜單選擇File->Readinputfrom,選擇文件后綴名為*.mcom的文件(40)進進ANSYS主菜單GeneralPostproc->PlotResults->DeformedShapes,選擇繪制變形后外形和結(jié)構(gòu)外形，得到地震反應(yīng)譜分析的結(jié)構(gòu)變形如圖(41)

17、最后我們來進行地震時程分析，進行地震時程分析以前，首先要有一個地震時程記錄，本例子給定的地震時程記錄總長20秒，記錄點間隔0.02s,共有1001個記錄點。該地震記錄存放在RECORD.TX攻件中。(42)首先建立兩個變量，在ANSYS窗口頂部菜單選擇Parameters->Scalarparameters,在窗口中輸進NT=1001,即總共1001個記錄點，DT=0.02,即記錄點間隔0.02s(43)然后還需要定義一個數(shù)組來存放地震記錄，選擇ANSYS窗口頂部菜單Parameters->Arrayparameters->Define/Edit，在彈

18、出的ArrayParameters窗口中點擊Add按鈕，在AddNewArrayParameter窗口中輸進數(shù)組的名稱為AC,行數(shù)為NT個，如圖所示。(44)下面從數(shù)據(jù)文件中讀進地震時程記錄。選擇ANSYS窗口頂部菜單Parameters->Arrayparameters->Readfromfile，在彈出窗口中依次輸進將數(shù)據(jù)讀進的數(shù)組名稱AC,可以用Browse選擇目標(biāo)數(shù)據(jù)文件，最后要2出數(shù)據(jù)讀進的格式(F8.3),可以參考Fortran相應(yīng)的文件輸進輸出要求。(45)完成數(shù)據(jù)讀進后就可以進行地震反應(yīng)分析。由于本次地震分析一共要進行1001步，超過了ANSYS!認

19、的最大1000步限制，因此首先需要進行調(diào)整。在ANSYS的命令輸進窗口內(nèi)，輸進以下命令：Finish/CONFIG,NRES,(46)進進ANSYS主菜單Solution->AnalysisType->NewAnalysis，指定分析類型為瞬態(tài)分析Transient,Solutionmethod可以選擇Full。(47)進進ANSY駐菜單Solution->AnalysisType->Sol'nControls，在SolutionControls窗口里面選擇Transient頁面，設(shè)定瑞雷阻尼的數(shù)值。由于阻尼的機理十分復(fù)雜

20、，因此不同題目可能各不相同，這里僅先容一種阻尼的取法。輸進質(zhì)量阻尼系數(shù)為2*DAMPRATIO*FREQ1*2*3.,剛度阻尼系數(shù)為2*DAMPRATIO/(FREQ1*2*3.),FREQ1為結(jié)構(gòu)的第一階自振頻率。(48)下面將用一組循環(huán)控制語句來定義作用在結(jié)構(gòu)上的加速度并進行計算。讀者可以將下面這部分語句用任意編輯器(比如windows的記事本)輸進好以后復(fù)制ANSYS的輸進欄中。*DO,I,1,02地震分析算例(ANSYS)土木工程中除了常見的靜力分析以外，動力分析，特別是結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的受力分析，也是土木工程中經(jīng)常碰到的題目。結(jié)構(gòu)的地震分析根據(jù)現(xiàn)行抗震規(guī)范要求，一般分為以下兩類：

21、基于結(jié)構(gòu)自振特性的地震反應(yīng)譜分析和基于特定地震波的地震時程分析。本算例將以一個4質(zhì)點的彈簧-質(zhì)點體系來說明如何使用有限元軟件進行地震分析。更復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分析其基本過程也與之類似。關(guān)鍵知識點：(a)模態(tài)分析(b)譜分析(c)地震反應(yīng)譜輸進(d)地震時程輸進(e)時程動力分析(1)在ANSYS窗口頂部靜態(tài)菜單，進進Parameters菜單，選擇ScalarParameters選項，在輸進窗口中填進DAMPRATIO=0.02,即所有振型的阻尼比為2%(2)ANSYS主菜單Preprocessor->Elementtype->Add/Edit/Delete,添力口Beam1

22、88單元(3)在ElementTypes窗口中，選擇Beam188單元，選擇Options,進進Beam188的選項窗口，將第7個和第8個選項，Stress/Strain(SectPoints)K7,Stress/Strain(SectNods)K8,從None改為MaxandMinOnly。即要求Beam188單元輸出積分點和節(jié)點上的最大、最小應(yīng)力和應(yīng)變(4)在ElementTypes窗口中，繼續(xù)添加Mass21集中質(zhì)量單元(5)下面輸進材料參數(shù)，進進ANSYS主菜單Preprocessor->MaterialProps->MaterialModels菜單，在Ma

23、terialModelNumber1中添加Structural->Linear->Elastic->Isotropic屬性，輸進材料的彈性模量EX和泊松比PRXY分別為210E9和0.3。(6)繼續(xù)給MaterialModelNumber1添加Density屬性，輸進密度為7800。(7)繼續(xù)給MaterialModelNumber1添加Damping屬性，采用參數(shù)化建模，輸進阻尼類型為Constant,數(shù)值為DAMPRATIO(8)接著建立梁單元的幾何屬性，和上一個例子一樣，采用Sections建模，進進ANSYS主菜單Preprocessor-&a

24、mp;gt;Sections->Beam->CommonSections，選擇Sub-Type為工字型，截面尺寸W1=0.2,W2=0.2,W3=0.5,t1=0.01,t2=0.01,t3=0.008(9)通過實參數(shù)輸進集中質(zhì)量單元的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量，在ANSYS主菜單中選擇Preprocessor->RealConstants->Add/Edit/Delete菜單，在RealConstants窗口中選擇Add,在ElementtypeforRealConstants選擇Mass21,在RealConstantforNumber1窗口中輸

25、進1.6E2,1.6E2,如圖所示。即該質(zhì)量單元在X和丫方向的質(zhì)量都為160,由于本例子模型為平面題目，所以不必考慮Z方向的質(zhì)量，同樣也不考慮單元的轉(zhuǎn)動慣量。(10)繼續(xù)添加第二類集中質(zhì)量，過程和上面一樣，但是輸進的質(zhì)量數(shù)值為1.2E2,1.2E2(11)完成以上工作就完成了模型的基本數(shù)據(jù)預(yù)備，下面開始建立物理模型。(12)在ANSYS主菜單中選擇Preprocessor->Modeling->Create->Keypoints->InActiveCS,依次輸進關(guān)鍵點編號和坐標(biāo)：需要說明的是，關(guān)鍵點6為后面建立梁單元所需的截面方向控制點，

26、在上一個例子中已經(jīng)做過先容。(13)完成關(guān)鍵點輸進后下面建立直線模型。在ANSYS主菜單中選擇Preprocessor->Modeling->Create->Lines->Lines->StraightLine，依次連接關(guān)鍵點15。(14)下面給建立完的幾何模型賦予材料屬性，在ANSYS菜單中選擇Meshing->MeshAttributes->PickedLines,敏感肌膚化妝品選中所有的直線，進進LineAttributes窗口，選擇相關(guān)選項材料屬性，實參數(shù)，單元類型和截面類型都為1,點擊O

27、K后輸進關(guān)鍵點6作為截面方向控制點。(15)在ANSYS主菜單中選擇Preprocessor->Meshing->SizeCntrls->ManualSize->Lines->PickedLines,在ElementSizesonPickedLines窗口中設(shè)定NDIVNo.ofelementdivisions為3,即將每條直線分為3段(16)在ANSYSi菜單中選擇Preprocessor->Meshing->Mesh->Lines，選擇所有的直線，完成直線的網(wǎng)格劃分。(17)為了

28、便于后面操縱，將網(wǎng)格劃分后的單元和節(jié)點編號進行適當(dāng)?shù)那謇?。在ANSYS主菜單中選擇Preprocessor->NumberingCtrls->MergeItems,在MergeCoincidentorEquivalentlyDefinedItems窗口中選擇All,清理所有重復(fù)的元素。同樣選擇NumberingCtrls->CompressNumber菜單，在CompressNumber中選擇All,對節(jié)點和單元進行重新編號。(18)下面建立集中質(zhì)量單元，采取直接輸進單元的方法建立。在ANSYS主菜單中選擇Preprocessor->Mo

29、deling->Create->Elements->ElemAttributes,在ElementAttributes中設(shè)定單元類型編號為2MASS21,材料編號任意，實參數(shù)編號為1。如圖所示(19)在ANSYS主菜單中選擇Preprocessor->Modeling->Create->Elements->AutoNumbered->ThruNodes,選擇節(jié)點2,建立第一個集中質(zhì)量。(20)再次進進第18步ElementAttributes窗口，設(shè)定實參數(shù)(Realconstant

30、setnumber)為2。(21)重復(fù)19步，選擇節(jié)點8,14,20,建立其他的三個集中質(zhì)量單元。(22)到此完成所有建模工作，下面開始進行結(jié)構(gòu)分析(23)進進ANSYS主菜單中Solution功能模塊，選擇Solution->DefineLoads->Apply->Structural->Displacement->OnNodes,選擇節(jié)點1,設(shè)定約束所有的自由度。(24)首先做一次靜力分析，選擇ANSYS主菜單Solution->AnalysisType->NewAnalysis,設(shè)定分析類型

31、為Static(25)選擇ANSYS主菜單Solution->Solve->CurrentLS選項，進行一次靜力分析(26)分析完后，下面進行模態(tài)分析，在ANSYS主菜單中選擇Solution->AnalysisType->NewAnalysis,選擇分析類型為Model(27)在ANSYS主菜單中選擇Solution->AnalysisType->AnalysisOptions,輸進模態(tài)分析方法為子空間法(Subspace),求解8階模態(tài)，同時需要作模態(tài)擴展，擴展的模態(tài)為8階，并計算單元應(yīng)力和應(yīng)變，輸進窗口如

32、圖(28)再次選擇ANSYS主菜單Solution->Solve->CurrentLS,計算當(dāng)前題目(29)這時，假如需要看結(jié)果，可以進進后處理模塊，即ANSYS主菜單GeneralPostproc,可以看到計算的各階頻率和振型。(30)完成結(jié)構(gòu)自振分析后，下面就可以進行反應(yīng)譜分析(31)進進ANSYS主菜單Solution->AnalysisType->NewAnalysis,選擇分析類型為Spectrum。(32)在ANSYS主菜單Solution->AnalysisType->AnalysisOption

33、s中，選擇譜分析的類型為單點輸進(Sing-ptresp)(33)在ANSYS主菜單中選擇Preprocessor->Loads->LoadStepOpts->Time/Frequenc->Damping,輸進所有的阻尼為DAMPRATIO,如圖所示(34)下面需要定義地震的反應(yīng)譜。我國規(guī)范給定的是基于加速度的反應(yīng)譜。在ANSYS主菜單中選擇Solution->LoadStepOpts->Spectrum->SinglePoint->Settings，設(shè)定反應(yīng)譜類型為地震加速度，放大

34、系數(shù)為1,輸進方向為X方向(1,0,0)。(35)接下來開始輸進地震反應(yīng)譜。這里輸進的反應(yīng)譜按7度多遇地震，取地震影響系數(shù)為0.08,第一組，HI類場地，卓越周期Tg=0.45s。值得留意的是，我國規(guī)范給的反應(yīng)譜橫坐標(biāo)是周期，ANSYS定義的反應(yīng)譜橫坐標(biāo)是頻率，應(yīng)該留意上述區(qū)別。選擇ANSYS主菜單Solution->LoadStepOpts->Spectrum->SinglePoint->FreqTable,輸進頻率反應(yīng)譜Freq1Freq12為0.167,0.25,0.333,0.,0.5,0.667,1,1.25,1.667,2.2

35、22,10,如圖(36)選擇ANSYSi菜單Solution->LoadStepOpts->Spectrum->SinglePoint->SpectrValues,輸進對應(yīng)的反應(yīng)譜數(shù)值依次如下：(37)最后選擇ANSYS主菜單Solution->LoadStepOpts->Spectrum->SinglePoint->ModeCombine,設(shè)定振型組合方式為SRS銖，如圖所示(38)選擇ANSYS主菜單Solution->Solve->CurrentLS

36、,計算反應(yīng)譜結(jié)果(39)進進ANSYS主菜單后處理模塊GeneralPostproc,在ANSYS窗口頂部菜單選擇File->Readinputfrom,選擇文件后綴名為*mcom的文件(40)進進ANSYS主菜單GeneralPostproc->PlotResults->DeformedShapes,選擇繪制變形后外形和結(jié)構(gòu)外形，得到地震反應(yīng)譜分析的結(jié)構(gòu)變形如圖(41)最后我們來進行地震時程分析，進行地震時程分析以前，首先要有一個地震時程記錄，本例子給定的地震時程記錄總長20秒，記錄點間隔0.02s,共有1001個記錄點。該地震記錄存放在RECORD.TXTC件中。(42)首先建立兩個變量，在ANSYS窗口頂部菜單選擇Parameters->Scalarparameters,在窗口中輸進NT=1001,即總共1001個記錄點，DT=0.02,即記錄點間隔0.02s(43)然后還需要定義一個數(shù)組來存放地震記錄，選擇AN