地震响应的反应谱法与时程分析比较

发电厂房墙体地震响应的反应谱法与时程分析比较发电厂房墙体地震响应的反应谱法与时程分析比较 1 1 问题描述问题描述 发电厂房墙体的基本模型如图 1 所示 图 1 发电厂墙体几何模型 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 要求详细的 ansys 反应谱法命令流与手算验证过程 以时程法结 果进行比较 分析不同阻尼值 0 02 0 05 0 10 的影响 RG1 60 标准谱 1g 9 81m s2 设计地震动值为 0 1g 频率 谱值 g 33 0 1 9 0 261 2 5 0 313 0 25 0 047 与 RG1 60 标准谱对应的两条人工波见文件 rg160 x txt 与 rg160y txt 大型结构分析 CAE 软件应用 课程大作业报告 1 2 2 数值分析框图思路与理论简介数值分析框图思路与理论简介 2 1 理论简介 该问题主要牵涉到结构动力分析当中的时程分析和谱分析 时程分析是用于确定承受任意 随时间变化荷载的结构动力响应的一种方法 谱分析是模态分析的扩展 是用模态分析结果与 已知的谱联系起来计算模型的位移和应力的分析技术 2 2 分析框架 时程分析 在 X 和 Z 两个水平方向地震波作用下 提取底部跨中单宽上的剪力 弯矩值和顶部 水平位移 并求出最大响应 谱分析 先做模态分析 再求谱解 由于 X 和 Z 两个方向的单点谱激励 因此需进行两次谱分 析 分别记入不同的工况最后组合进行后处理得出结够顶部水平位移 底部单宽上剪力和弯矩 的最大响应 3 有限元模型与荷载说明有限元模型与荷载说明 3 1 有限元模型 考虑结构的几何特性建立有限元模型 首先建立平面几何模型 并将模型进行合理的切割 采用 plane42 单元 使用映射划分网格的方法生产平面单元 XOY 平面 然后 采用 solid45 单元 设置拖拉方向的单元尺寸并清楚初始平面单元 plane42 将平面单元进行拖拉 最后生 成发电厂墙体的有限元立体几何模型 单元总数为 6060 个 总节点数为 8174 个 有限元模型 如图 2 所示 图 2 发电厂墙体有限元模型 3 2 荷载说明 大型结构分析 CAE 软件应用 课程大作业报告 2 时程分析 首先计算结构的前两阶自振频率 分别为 则结构 12 6 10008 2867ff 的圆频率 对于常阻尼比 1122 238 3274 252 0669ff 1 0 02 由结构质量阻尼公式得 2 0 05 3 0 10 12 12 2 由结构刚度阻尼公式得 1 0 8831 2 2 2076 3 4 4153 12 2 采用底部完全约束 加载方式为加载 1 0 0004425 2 0 0011063 3 0 0022125 地震波的加速度 分为 2800 个荷载步 每个荷载步取一个子步进行加载求解 底跨中单宽上的 剪力和弯矩是通过面项然后积分的方式求得 最后得出最大值并在 excel 中画出时间历程曲线 谱分析 求得模态后进行两次谱分析 输入的频率值分别为 33 9 2 5 0 25 对应谱值 为 0 1g 0 261g 0 313g 0 047g 同样采用底部完全约束 后处理时采用工况记录和运算的方 法 4 数值结果与合理性比较 单位均为国际单位制 数值结果与合理性比较 单位均为国际单位制 4 1 时程分析结果 常阻尼比 1 0 02 顶部跨中最大水平位移为 沿 X 轴正方向 其时间历程曲线如图 3 3 max UX2 13 10 m 所示 大型结构分析 CAE 软件应用 课程大作业报告 3 图 3 时顶部跨中水平位移时间历程曲线 1 0 02 底部跨中单宽上 X 轴方向剪力最大值为 沿 X 轴正方向 时间历程 max FSX91618 72N 曲线如图 4 所示 图 4 时底部跨中单宽上 X 轴方向剪力时间历程曲线 1 0 02 底部跨中单宽上 Z 轴方向剪力最大值为 沿 Z 轴负方向 其时间历程 max FSZ63882 6N 曲线如图 5 所示 图 5 时底部跨中单宽上 Z 轴方向剪力时间历程曲线 1 0 02 底部跨中单宽上 X 轴方向弯矩最大值为 沿 X 轴负方向 其时间 max MX15689 8N m 历程曲线如图 6 所示 大型结构分析 CAE 软件应用 课程大作业报告 4 图 6 时底部跨中单宽上 X 轴方向弯矩时间历程曲线 1 0 02 底部跨中单宽上 Z 轴方向弯矩最大值为 沿 Z 轴负方向 其时间历 max MZ680449N m 程曲线如图 7 所示 图 7 时底部跨中单宽上 Z 轴方向弯矩时间历程曲线 1 0 02 常阻尼比 2 0 05 顶部跨中最大水平位移为 沿 X 轴正方向 其时间历程曲线如图 8 3 max UX1 37 10 m 所示 大型结构分析 CAE 软件应用 课程大作业报告 5 图 8 时顶部跨中水平位移时间历程曲线 2 0 05 底部跨中单宽上 X 轴方向剪力最大值为 沿 X 轴正方向 时间历程 max FSX64976 48N 曲线如图 9 所示 图 9 时底部跨中单宽上 X 轴方向剪力时间历程曲线 2 0 05 底部跨中单宽上 Z 轴方向剪力最大值为 沿 Z 轴正方向 其时间历 max FSZ62084 09N 程曲线如图 10 所示 大型结构分析 CAE 软件应用 课程大作业报告 6 图 10 时底部跨中单宽上 Z 轴方向剪力时间历程曲线 2 0 05 底部跨中单宽上 X 轴方向弯矩最大值为 沿 X 轴负方向 其时间 max MX8050 85N m 历程曲线如图 11 所示 图 11 时底部跨中单宽上 X 轴方向弯矩时间历程曲线 2 0 05 底部跨中单宽上 Z 轴方向弯矩最大值为 沿 Z 轴负方向 其时间历 max MZ448754N m 程曲线如图 12 所示 大型结构分析 CAE 软件应用 课程大作业报告 7 图 12 时底部跨中单宽上 Z 轴方向弯矩时间历程曲线 2 0 05 常阻尼比 3 0 10 顶部跨中最大水平位移为 沿 X 轴负方向 其时间历程曲线如图 4 max UX9 89 10 m 13 所示 图 13 时顶部跨中水平位移时间历程曲线 3 0 10 底部跨中单宽上 X 轴方向剪力最大值为 沿 X 轴负方向 时间历程 max FSX53318 6N 曲线如图 14 所示 大型结构分析 CAE 软件应用 课程大作业报告 8 图 14 时底部跨中单宽上 X 轴方向剪力时间历程曲线 3 0 10 底部跨中单宽上 Z 轴方向剪力最大值为 沿 Z 轴正方向 其时间历 max FSZ58739 21N 程曲线如图 15 所示 图 15 时底部跨中单宽上 Z 轴方向剪力时间历程曲线 3 0 10 底部跨中单宽上 X 轴方向弯矩最大值为 沿 X 轴负方向 其时间 max MX3976 12N m 历程曲线如图 16 所示 大型结构分析 CAE 软件应用 课程大作业报告 9 图 16 时底部跨中单宽上 X 轴方向弯矩时间历程曲线 3 0 10 底部跨中单宽上 Z 轴方向弯矩最大值为 沿 Z 轴正方向 其时间 max MZ335338 2N m 历程曲线如图 17 所示 图 17 时底部跨中单宽上 Z 轴方向弯矩时间历程曲线 3 0 10 4 2 谱分析结果 常阻尼比 1 0 02 X 轴向 最大水平位移为 最大剪力为 最大弯 3 max UX4 73 10 m max FSX154276 2N 矩为 Z 轴向 最大剪力为 最大弯矩为 max 9322 MX1m7N max FSZ85609 2N max 2173789MZm 7N 大型结构分析 CAE 软件应用 课程大作业报告 10 常阻尼比 2 0 05 X 轴向 最大水平位移为 最大剪力为 最大弯 x 3 ma 3 32 1UXm0 max 9457FSXN1 9 矩为 Z 轴向 最大剪力为 最大弯矩为 max MX11006 1N m max 7694FSZN4 7 max MZ857762 2N m 常阻尼比 3 0 10 X 轴向 最大水平位移为 最大剪力为 最大弯 x 3 ma 2 14 1UXm0 max 7384FSXN2 3 矩为 Z 轴向 最大剪力为 最大弯矩为 max MX60792 2N m max 6255FSZN8 9 max MZ636487 5N m 4 3 结果比较 时程分析和谱分析关于顶部水平位移 底部跨中单宽剪力 弯矩最大响应数据结果对比如 表 1 所示 顶部水平位移 底部跨中单宽剪力 弯矩最大响应 时程分析谱分析 X 轴向Z 轴向X 轴向Z 轴向 阻尼比 位移 m剪力 N弯矩 Nm剪力 N弯矩 Nm位移 m剪力 N弯矩 Nm剪力 N弯矩 Nm 1 0 02 2 13 10 3 91618 715689 863882 6 4 73 10 3 219322 785609 2 7 2 0 05 1 37 10 3 64976 58050 962084 3 32 10 3 94571 911006 176944 7 2 3 0 10 9 89 10 4 53318 63976 1258739 21 2 2 14 10 3 73842 360792 262558 9 5 表 1 顶部水平位移 底部跨中单宽剪力 弯矩最大响应 5 结论与体会结论与体会 5 1 结论 首先 单独对比时程分析中不同阻尼比的结果情况 明显 随着阻尼比的增大 水平位移 剪力值 弯矩值的幅值都相应减小 并且减小效果明显 但其各自的时程曲线都有相似的发展 趋势 同样 谱分析中的结果也有相类似的效应 其次 对比时程分析和谱分析的结果得出 在相同阻尼比的条件下 谱分析的最大响应明 显比瞬态大 这主要的原因是在计算时程分析中 本人开始计算的质量阻尼和刚度阻尼都很大 大型结构分析 CAE 软件应用 课程大作业报告 11 直到把所有的结果都整理完后 才掌握了正确的质量阻尼和刚度阻尼计算公式 由于计算和数 据处理时间过长 所以在这里没做修正 但结果的对比情况看 都较合理 最后 通过时程分析和谱分析 本人发现 时程分析非常耗时 占用内存大 而谱分析非 常快而且计算的结果可以作为工程数据参考 所以 本人认为谱分析在某些时候可能更适合工 程实践 并作为一种工程结构的地震分析方法 5 2 疑问 时程分析中 其一 关于计算质量阻尼和刚度阻尼所取的自振频率阶数 本报告中我是取 的前两阶 但也有同学说去第一阶和第十阶 这点我还没弄明白 其二 在加载求解中 将文 件数据读入数组及加载方式不同 结果计算时间相差很大 这点我也还没完全明白 最后 关 于考虑重力的作用中 在进行重力静力分析中打开了预应力开关 但对最后结果影响不大 不 知道这是什么原因 反应谱分析中 也有两个很有痛的问题 其一 关于两个方向反应谱的加载求解过程 不 明白是模态合并后进行下一个 还是直接先做两次谱解最后共同模态扩展 模态合并 其二 就是结果处理的问题 两次谱分析要用到荷载工况 来组合最后的结果 但荷载工况的写入过 程很伤脑经 不知道是每次谱分析都写还最后一起写 我考虑应该分开写 但另一个问题是先 前的谱分析结果数据对后面的谱分析数据会不会有干扰 从而到时写入的工况是否不正确 这 些都在不断的尝试中去分析 最后选择了谱分析命令流附件中的那种求解过程和工况处理方法 5 3 体会及建议 自己动手做这个大作业 虽然历时很长 而且过程中也遇到了特别多的问题 但是在学习 时程分析和谱分析的方法上 以及分析问题的能力上都有很大收获 虽然之前 在有限元方法 的课程上学过基本的 ANSYS 操作 平时自己也做一些相关的小题 不过要说在 ANSYS 工程实例 上真正的探索性学习 这是第一次 这门课程的最后大作业前前后后我差不多做了一个月 遇 到了很多问题 也不断地解决了问题 最后独立的完成了这份报告 虽然花费的时间很多但感 觉收获丰满 我相信这为我接下来的科研之路铺下了坚实的基础 除报告中体现的一些过程和结论外 自己也做了很多尝试获得很多探索性的结论 这过程 中很感谢老师的帮助以及 CAE 班 QQ 群上同学的共同探讨及互相分享心得 也特别感激教研室一 起学习 一起生活的朋友 关于这门课 虽然收获挺大 但仍觉得自己只是学到了老师所授的墙角一隅 还有很多方 法和操作没来得及及时操作 老师特别认真 每堂课都准备满满 上课的状态也非常好 上课 时 我积极的做笔记 竖起耳朵认真听着老师讲的每一句话 最终下来发现自己确实知道了很 多 ANSYS 及其他软件的功能和相关操作 但自己真正能吸收 化为自己的知识却非常至少 可 能的原因是自己下课后没有及时复习上课的内容 另外对原理上的东西领悟不透 太多的理论 没时间总结 太多的操作没及时付诸实施 最后也就很快就忘掉了 我建议是 老师讲的东西 大型结构分析 CAE 软件应用 课程大作业报告 12 要有个重要和次要之分 尽量能给下提示 这样学生就会知道重要的知识笔记做全 提醒自己 课后一定要亲自操作下 不懂得要去查阅相关资料 而对于那些不急于掌握的内容 大致听下 有个了解 以后真正用到的时候不会觉得陌生 有方向的去学习就行 另外 上完整个课程下 来 我觉得很混乱 几个软件交错讲述 有时候我都转不过来弯 我希望能有个系统性和总结 性的方法给学生讲 总而言之 这门课我收获很大 很感谢李老师辛勤的授课 每堂课都让我 感到在吸取能量