Ansys悬索拱桥的谐响应及地震响应分析

精品文档 1欢迎下载 悬索拱桥的谐响应及地震谱响应分析悬索拱桥的谐响应及地震谱响应分析 1 1 问题描述 问题描述 悬索拱桥除了承受风载 地震载荷外 更多的面临是车辆载荷的作用 由 于共振引起的桥梁坍塌事故过去和现在都有发生 因此 根据动态分析的结果 对悬索拱桥结构进行直接的动态性能评估具有一定的指导意义 本文将先进行 悬索拱桥的谐响应分析 确定悬索拱桥在单位简谐载荷作用下的结构响应 然 后将在桥体侧向加地震谱 确定该桥体的结构响应 所选悬索拱桥长 140m 桥 墩高 10m 悬索最高点距桥面的距离为 20m 桥面采用混凝土材料 桥身框架采 用钢材 2 2 建模过程 建模过程 1 定义工作文件名和工作标题 设定工作文件名为 BRIDGE HARMONIC ANALYSIS 图形标题为 BRIDGE HARMONIC ANALYSIS 2 定义单元类型 本分析将采用三种单元类型 桥体框架讲使用 BEAM4 单元 桥面将使用 SHELL63 单元 悬索将使用 LINK10 单元 操作如下 图 1 单元类型定义 3 定义单元实常数 定义三组实常数 其中 实常数 1 针对 BEAM4 单元 实常数 2 针对 LINK10 单元 实常数 3 针对 SHELL63 单元 如下图 精品文档 2欢迎下载 图 2 单元实常数定义 4 定义材料参数 整体模型采用两种材料 桥身框架采用钢材 弹性模量 泊 EX 2 0 1011 松比 PRXY 0 3 密度 DENS 7800kg 桥面采用混凝土 弹性模量 EX 3 0 3 泊松比 PRXY 0 2 密度 DENS 1011Pa3000 3 5 创建关键点 由于桥体具有对称性 首先创建单侧的关键点 然后通过平移复制得到另 一侧的关键点 所有关键点创建完成后如下图 图 3 关键点定义 6 创建桥体框架 连接相应关键点 建立桥体模型框架结构 结果如下图 精品文档 3欢迎下载 图 4 桥体框架 7 创建桥面 整个桥面由 9 块平面组成 创建完成后如下图 图5 桥体几何模型 至此 整个悬索拱桥的几何模型已经创建完毕 8 划分网格 根据模型的特点和使用的材料情况 采用人工分网 桥体框架采用 BEAM4 单元 1 号实常数和 1 号材料 网格大小指定为 2 划分网格前需要选定相应的 桥体框架直线 桥面上的 8 根悬索采用 LINK10 单元 2 号实常数和 1 号材料 网格指定大小为 1 桥面采用 SHELL63 单元 3 号实常数和 2 号材料 网格大小 指定为 2 划分结果如下图 精品文档 4欢迎下载 图 6 分网之后的有限元模型 3 3 谐响应载荷分析 谐响应载荷分析 1 设定分析类型 进入 ansys 求解器 设定分析类型为 Harmonic 2 设置分析选项 求解方法选择 Full 输出形式选择 Real imaginary 单击 OK 关闭对话框 图 7 分析选项设定 3 载荷步选项设置 设定频率范围为 0 2 5Hz 载荷子步数为 50 载荷形式选择 Ramped 单击 OK 按钮 精品文档 5欢迎下载 图 8 载荷步选项设置 4 施加位移约束 在图形窗口选择 4 个支座处节点 在 ALL DOF 中 VALUE 文本框中输入 0 单击 OK 按钮 采取同样的方法在桥面两端的节点施加 UX 方向位移约束为 0 结果如下图 图 9 位移约束 5 施加载荷 在图形中选择节点 5 和节点 25 载荷方向选择 FY 载荷实部输入 1 虚部 为 0 单击 OK 按钮 至此 所有边界条件加载完毕 6 谐响应求解 执行 Solve Current Load Step 对话框 求解谐响应结果 完成后推出求 解器 7 观察结果 定义 Y Compent of displacement 变量名取为 UY 1 在图形窗口拾取左侧 悬索和桥面连接处的节点 同理 选取中间悬索和桥面连接处的节点 Y 方向定 义位移为 Y 2 在 Time History Variables 对话框中显示图形窗口变量 UY 1 和 UY 2 随频率的变化曲线 精品文档 6欢迎下载 图 10 桥面挠度响应曲线 4 4 地震载荷响应 地震载荷响应 1 计算模态解 进入 ansys 求解器 设置分析类型为 Modal 模态提取方法采用 Block Lanzcos 提取模态数为 10 设置完成后进行模态求解 求解完毕退出求解器 参数设置窗口如下 图 11 模态分析选项设置 2 谱分析求解 精品文档 7欢迎下载 重新进入 ansys 求解器 设置分析类型为 Spectrum 在 Spectrum Analysis 中设置谱分析类型为 Single pt resp 模态求解数设为 10 激励谱 类型为 Seismic displac 激励方向为 0 1 0 单击 OK 按钮 定义激励谱曲 线 结果如下图 图 12 频率设置对话框 图 13 谱值设置对话框 定义完成后进行谱分析求解 求解完成后推出求解器 3 模态合并 设置模态合并方法为 CQC 在 significant 文本框输入 0 01 输出类型为 Displacement 单击 OK 按钮 进行模态合并求解 求解完成后退出求解器 4 观察结果 进入通用后处理器 读取结果文件 后缀名为 mcom 查看 UY 方向位移变形 如下图 精品文档 8欢迎下载 图 14 桥体结构位移变形 UY 同样可以查看在该地震谱激励下 X 方向和 Z 方向的变化情况 如下图 图 15 桥体 X 方向位移变化情况 图 16 桥体 Z 方向位移变化情况 可以通过更改地震激励谱的方向得到桥体在另外两个方向的位移变化情况 在此不再赘述 5 5 结果分析 结果分析 1 谐响应分析结果 精品文档 9欢迎下载 由图 10 分析可知 UY 1 为左侧悬索与桥面连接处节点 UY 2 为中间悬索 与桥面连接处节点 在同样的单位间谐激励响应下 中间悬索的振动情况明显 强于左侧悬索的振动情况 既中间悬索在该情况下更容易遭到破坏 同时 还 可以看出 UY 1 和 UY 2 在频率为 1 5Hz 和 2 25Hz 的时候振动情况较在其他情 况下振动剧烈 既桥体有可能产生共振 应尽量避开 2 地震谱分析结果 由图 14 15 16 分析可知 由于施加激励谱的方向为 Y 方向 所以桥面在 Y 方向产生较大变形 且主要集中在左右两端的悬索附近 而悬索在此情况下应 产生较大的变形 6 6 实验心得体会 实验心得体会 通过该实验了解了 ansys 动态分析的应用 学习了同一模型使用多种材料 分析的方法 学习了谐响应分析 模态分析 谱分析 模态合并的使用 动力 学分析和静态分析还是有许多的不同 由于在学习的过程中可能了解体会等有 诸多不足 可能造成分析的结果不一定可靠 可能还有许多需要改进的地方 实验中的不足还请批评和指正 精品文档 10欢迎下载 参考文献参考文献 1 杜平安 甘娥忠 于娅婷 有限元法 原理 建模及应用 国防工业出版社 2004 8 2 王金龙 王清明 王伟章 有限元分析及范例解析 机械工业出版社