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LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS 硕士研究生学位课程讲义（2006） 通用有限元程序ANSYS及应用 (七) 主 讲： 钱 江 二OO六年四月七日 1通用有限元程序ANSYS及应用 LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS 硕士研究生学位课程讲义（2006） 第七讲 内容提要 9. ANSYS 动力分析的基本功能及一维单元应用实例 空间框架结构地震响应分析的谱分析法 9.1 ANSYS 动力分析的基本功能简介 9.2 实体建模及刚性楼板假定的实施 9.3 模态分析求解过程（交互式输入及命令流） 9.4 谱分析法求解过程（交互式输入及命令流） 9.5 瞬态地震响应求解过程 2通用有限元程序ANSYS及应用 LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS 9.1 ANSYS 动力分析的基本功能简介 ANSYS ANSYS 动力分析的基本功能动力分析的基本功能 模态分析 谐响应分析（不做具体介绍） 谱分析 瞬态响应分析 3通用有限元程序ANSYS及应用 LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS 9.1 ANSYS 动力分析的基本功能简介（续1） 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： 固有频率（自振周期 1/固有频率） 振型 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） 模态分析结果可以直接用于指导结构设计； 根据模态分析结果可以定性知晓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） 模态分析只对线性结构成立模态分析只对线性结构成立! ! 4通用有限元程序ANSYS及应用 LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS 9.1 ANSYS 动力分析的基本功能简介（续2） 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； 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 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励同频率同频率的节点谐位移（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； 单位力作用下的谐响应分析结果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； 谐响应分析结果可以直接用于指导作旋转运动的结构设计； 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! ! 5通用有限元程序ANSYS及应用 LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS 9.1 ANSYS 动力分析的基本功能简介（续3） 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； 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 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： 获得模态解 计算谱解 扩展模态 组合各模态解 谱谱分析也分析也只对线性结构成立只对线性结构成立! ! 6通用有限元程序ANSYS及应用 LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS 9.1 ANSYS 动力分析的基本功能简介（续4） 瞬态响应分析 是一种确定随时间变化载荷作用下结构响应的计算技术； 瞬态响应分析的三种求解方法： 完整矩阵法（完整矩阵法（FullFull） 缩减矩阵法（Reduced） 模态叠加法（Mode Superposition） 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；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 本次课重点介绍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! ! 7通用有限元程序ANSYS及应用 LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS 9.2 实体建模及刚性楼板假定的实施 分析目的：地震作用下结构的线弹性动力响应分析 模型规划：梁、柱均采用 BEAM4 单元、楼板采用 SHELL63 建立属性表： 单元类别： E1, BEAM4, ! 框架柱单元 E2, BEAM4, ! 外环梁单元 E3, BEAM4, ! 楼面梁单元 E4, SHELL63, ! 楼面板单元 材料属性： M1, ! C30 混凝土 M2, ! 型钢 单元实参数：R1, E1, BEAM4, ! 框架柱单元 R2, E2, BEAM4, ! 外环梁单元 R3, E3, BEAM4, ! 楼面梁单元 R4, E4, SHELL63, ! 楼面板单元 参照讲义第3章交互式建模或执行命令流文件生成框架结构。 8通用有限元程序ANSYS及应用 LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS 9.2 实体建模及刚性楼板假定的实施（续1） 实施刚性楼板假定的 GUI 操作命令 执行 Utility Menu Selet Entities 命令，弹出选取图 元对话框，在选取类型表中选 Nodes，选取标准表中选 By Location，参数设定窗中输入 Z 坐标限定范围 Min，Max为（4 ，4），单击OK按钮，即选中 1 层楼面的全部节点。 执行 Main Menu Preprocessor Coupling/Ceqn Rigid Region 命令，弹出选取主节点对话框，图形上选中刚度中心处 的节点 120，单击OK按钮；弹出选取从节点对话框，选中该层 其余所有节点，单击OK按钮，完成 1 层楼面的刚性楼板约束。 类似地，对 2、3层实施刚性楼板约束 9通用有限元程序ANSYS及应用 LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS 9.2 实体建模及刚性楼板假定的实施（续2） ！实施刚性楼板假定的命令流 ! 定义 1 层楼面刚性楼板 !* /PREP7 NSEL,S,LOC,Z,4,4 CERIG,120,ALL,UXYZ, , , , ! 193号节点为该层形心位置，定义为刚度中心 ! 定义 2 层楼面刚性楼板 !* /PREP7 NSEL,S,LOC,Z,8,8 CERIG,127,ALL,UXYZ, , , , ! 229号节点为该层形心位置，定义为刚度中心 ! 定义 3 层楼面刚性楼板 !* /PREP7 NSEL,S,LOC,Z,12,12 CERIG,134,ALL,UXYZ, , , , ! 350号节点为该层形心位置，定义为刚度中心 10通用有限元程序ANSYS及应用 LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS 9.3 模态分析求解过程 模态分析 GUI 操作流程： 执行 Main Menu Solution Analysis Type New Analysis 命令，弹出如左下图所 示求解类型对话框，选择 Modal选项，单击 OK 按钮；弹出右下图所示模态分析选项对 话框，输入模态提取数（No. of modes to extract）为 20，单击 OK 按钮；弹出Block Lanczos Method 选项对话框，取默认值即可。单击 OK 按钮。 执行 Main Menu Solution Solve Current LS 命令，进行模态分析。 求解类型对话框 模态分析选项对话框 11通用有限元程序ANSYS及应用 LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS 9.3 模态分析求解过程（续） !* /SOLUTION ANTYPE, MODAL ！进行模态分析 MODOPT,LANB,20,0,0, ,OFF ！选择模态分析方法、模态提取数 MXPAND,0, , ,0 ！选择模态扩展数 LUMPM,0 ！选择质量阵形式为一致质量阵 PSTRES,0 ！关闭预应力选项开关 SOLVE ！求解模态 FINISH 12通用有限元程序ANSYS及应用 LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS 9.4 谱分析法求解过程 !* /SOLUTION ANTYPE,8 SPOPT,SPRS,20,1 ！谱分析法，取 20 个模态计算 ! 输入加速度谱值 SVTYP,2,9.8, ！输入加速度谱，以重力加速度g为输入单位 SED,1,0,0, ！定义 X轴方向为地震输入方向 ROCK,0,0,0,0,0,0, !* FREQ, 0.111111, 0.125000, 0.142857, 0.166667, 0.200000 FREQ, 0.222222, 0.250000, 0.285714, 0.333333, 0.400000 FREQ, 0.500000, 0.555556, 0.625000, 0.714286, 0.833333 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-01 SV, 0.05, 0.187940E-01, 0.208960E-01, 0.235640E-01, 0.270710E-01, 0.318980E-01 SV, 0.05, 0.389930E-01, 0.428710E-01, 0.476650E-01, 0.537520E-01, 0.615710E-01 SV, 0.05, 0.727630E-01, 0.800000E-01, 0.800000E-01, 0.360000E-01 ! ! SOLVE FINISH 13通用有限元程序ANSYS及应用 LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS 9.4 谱分析法求解过程（续） !* /SOLUTION ANTYPE,2 EXPASS,1 ！扩展模态 MXPAND,20,0,0,1,0.005, SOLVE FINISH !* /SOLUTION ANTYPE,8 SPOPT,SPRS,20,1 SRSS,0.005,DISP ！采用SRSS 叠加各模态结果 SOLVE FINISH !* !* 14通用有限元程序ANSYS及应用 LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS 9.5 瞬态地震响应求解过程 ! 时程分析命令流时程分析命令流 ! *set,st,0.01 ！设定时间步长 st0.01 *set,endpoint,100 ！设定数组长度为 endpoint100 *dim,xforce,array,endpoint ！定义数组名 xforce 和长度 *vread,xforce(1),Seismic_x,txt ！以指定格式(7F10.5)从文件中读入数据 (7F10.5) *VOPER,xforce(1),xforce(1),MULT,9.8, , , ！对数组元素进行乘法运算 15通用有限元程序ANSYS及应用 LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS 9.5 瞬态地震响应求解过程（续） ! 时程分析命令流（续）时程分析命令流（续） ! /SOLU !* ANTYPE,TRANS ！进行瞬态分析 TRNOPT,FULL ！选择完整矩阵法 !* *dim,shijian,array,endpoint ！定义数组名 shijian 和长度 *vfill,shijian(1),ramp,st,st ！对数组进行数据填充 Ntm_star=1 Ntm_end=100 Ntm_incr=1 *DO,Ntm,Ntm_star,Ntm_end,Ntm_incr ！执行循环 TIME,shijian(Ntm) ！对