基于ANSYS軟件的梁系結(jié)構(gòu)有限元分析

1.2,李廣博 3.黃飛馳

1.吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院 2.吉林省結(jié)構(gòu)與抗震科技創(chuàng)新中心 3.吉林建筑大學(xué)工程力學(xué)系

基于ANSYS軟件的梁系結(jié)構(gòu)有限元分析

1.2,李廣博 3.黃飛馳

1.吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院 2.吉林省結(jié)構(gòu)與抗震科技創(chuàng)新中心 3.吉林建筑大學(xué)工程力學(xué)系

隨著建筑工藝的日益發(fā)展，具有結(jié)構(gòu)布置靈活，應(yīng)用范圍廣泛等優(yōu)點的梁系結(jié)構(gòu)愈來愈普遍的應(yīng)用于各類建筑當(dāng)中。本文利用Ansys軟件進行建模，對具體梁系結(jié)構(gòu)進行了靜力分析和模態(tài)分析，計算了結(jié)構(gòu)模態(tài)的振型、頻率等。

梁系結(jié)構(gòu)；ANSYS；靜力分析；模態(tài)分析

圖1 結(jié)構(gòu)模型示意圖

圖2 位移圖

圖3 應(yīng)力圖

圖4 第一階振型

圖5 第二階振型圖

圖6 第三階振型圖

1 概述

隨著科技的發(fā)展，梁系結(jié)構(gòu)的形式日新月異，應(yīng)用范圍日益擴大，其重要性日益凸顯。本文介紹了APDL語言，靜力分析和模態(tài)分析[1]的相關(guān)理論和知識，以及對梁系結(jié)構(gòu)進行有限元分析，通過ANSYS軟件建立有限元模型，并對其進行靜力分析和模態(tài)分析。

2 APDL語言簡介

APDL語言是ANSYS提供的用于實現(xiàn)參數(shù)化有限元分析的設(shè)計語言[2]。用戶通過使用它，可以按實際要求，自行編寫程序，實現(xiàn)參數(shù)化建模。

3 梁系結(jié)構(gòu)的有限元分析

3.1 問題描述

本文就梁系結(jié)構(gòu)的工作特性進行計算分析。具體模型為某空間桁架結(jié)構(gòu)，主要對應(yīng)使用階段所承受的外荷載進行內(nèi)力分析和位移計算，校核梁系結(jié)構(gòu)承載后的穩(wěn)定性。空間桁架結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

3.2 建立有限元模型

(1)梁截面文件的創(chuàng)立

在ANSYS軟件標(biāo)準(zhǔn)梁截面庫中沒有本結(jié)構(gòu)截面類型，因此在正式建模前需要使用自定義截面功能建立該截面文件，以供后續(xù)建模采用之。

(2)參數(shù)化建模

在參數(shù)設(shè)定中定義單元類型，實常數(shù)和材料參數(shù)。

在實體建模中，充分利用循環(huán)語句和鏡像功能，可以高效的形成整體空間桁架結(jié)構(gòu)。

3.3 靜力分析

對結(jié)構(gòu)進行靜力分析，可以得出彎矩、軸力的極大值和極小值，以及結(jié)構(gòu)變形最大處，便于對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

按結(jié)構(gòu)實際承載情況加載并求解，得到的位移圖和應(yīng)力圖分別如圖2和圖3所示。

3.4 模態(tài)分析

結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析中的模態(tài)分析通常用于確定結(jié)構(gòu)的振動特性，同時也是高級動力分析的基礎(chǔ)。

無阻尼線性結(jié)構(gòu)自由振動控制方程：

假設(shè)結(jié)構(gòu)的運動為簡諧振動：

代入結(jié)構(gòu)位移和速度可得自振頻率運動方程：

本文中模態(tài)分析采用Block Lanczos方法[4]。得出結(jié)果如圖4至圖6所示。

4 總結(jié)

本文介紹了梁系結(jié)構(gòu)有限元分析的基本理論，然后對梁系結(jié)構(gòu)進行計算分析，包括靜力分析和模態(tài)分析。通過本文可以體會到ANSYS軟件對于梁系結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要性，了解將有限元分析應(yīng)用于梁系結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本操作。

[1]尚曉江，ANSYS結(jié)構(gòu)有限元高級分析方法與范例應(yīng)用，北京：中國水利水電出版社，2005

[2]博嘉科技，有限元分析軟件ANSYS融會與貫通，北京：中國水利水電出版社，2002.

[3]胡曉光，段文峰，李妍，蔡斌.結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，(2012.2重印)

[4]Lu Z， Yu Y，Woodman， A theory of structural vulnerability[J].The Structural Engineer，2001，77(18)：17-24.