ANSYS简单框架问题及梁板.docx

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ANSYS简单框架问题及梁板

01简单框架问题及梁板复合计算（ANSYS）

ANSYS9.0版本启动的时候首先出现如下图所示的对话框，其中第一页提示用户选择需要的ANSYS功能模块，用户需要根据其购买的ANSYS模块和计算的问题内容来选择。

选择启动对话框的第二个页面，这里ANSYS提示用户给出操作所在的文件夹以及相应的任务名称。

而后ANSYS的计算过程及结果都存放在该文件夹中，一般都以任务命作为文件名，以扩展名表示文件的类型。

例如，在本次分析中，任务名为Case01，那么ANSYS的计算结果，一般会以Case01.rst文件的形式存放在D:

\AnsysWork\Book\case01\文件夹中

以上设置好后点击“Run”按钮，就进入ANSYS的主操作界面，ANSYS操作界面主要包括以下4部分：

（1）ANSYS窗口顶部菜单，提供一些常用功能开关选项；

（2）ANSYS窗口顶部工具栏，提供一些常用功能件，比如打开文件、保存文件等；

（3）在工具栏右侧为命令输入栏，ANSYS的所有操作都可以通过输入一定格式的命令来完成，ANSYS称其这套命令体系为APDL语言；

（4）ANSYS窗口中央左侧为ANSYS的主菜单，ANSYS图形界面分析（GUI）的大部分功能都由这部分菜单完成。

主菜单中最常用的几个模块为前处理模块（Preprocessor），求解模块（Solution），通用后处理模块（GeneralPostproc）和时程后处理模块（TimeHistPostproc）；

（5）ANSYS窗口中央右侧为ANSYS的显示窗口，GUI界面的各种操作和结果都在该窗口显示

首先要选择分析所用的单元类型。

在本次分析中，我们将用到在土木工程中最常用的两种单元：

三维梁单元Beam188和三维壳单元Shell63。

一般结构中梁柱可以用梁单元模拟，而剪力墙和楼板则可以用壳单元模拟。

ANSYS提供了多种梁单元，其中Beam188单元的好处是可以很方便的定义各种土木工程常用构件截面形式，并可以很方便的在GUI截面中显示出来，因此比较受欢迎。

首先在ANSYS提供的上百个单元中按类别选择梁单元Beam188

以及壳单元Shell63

ANSYS中每个单元还有一些选项，可以通过点击Option按钮加以设定。

定义完单元类型后，下面就要定义单元的一些几何属性。

我们首先来定义壳单元。

进入ANSYS主菜单的第二项，RealConstants，选择Add/Edit/Delete,进入实参数定义窗口，选择Add按钮添加实参数，并指定该实参数和Shell63单元相关。

在实参数窗口中输入壳单元的厚度，在本算例中，壳单元用作楼板，厚度为150mm。

需要说明的是，在有限元软件中，一般都不限制参数的单位制，使用者需要根据具体问题选择统一的单位制。

比如对于本问题采用的就是N-mm单位制。

ANSYS主菜单的第三项为输入材料参数，点击进入材料参数输入窗口。

选择材料类型为结构型（Structural）->线性（Linear）->弹性（Elastic）->各向同性（Istropic）。

输入材料的弹性模量和泊松比，对于钢材分别为200×103和0.3。

选择材料窗口中Material菜单，选择NewMaterial，材料编号为2，输入混凝土的弹性模量和泊松比，分别为30×103N/mm2和0.2。

下面进入ANSYS的主菜单的第四个选项，输入截面信息。

我们要定义的梁单元截面为工字型截面。

首先定义柱子，设定截面编号（ID）为1，截面类型选择为工形，按图中提示参数依次输入翼緣宽度，腹板高度，翼緣厚度和腹板厚度。

需要注意的是，ANSYS这里还要求输入梁单元轴线在截面上的位置。

对于柱子，我们设定轴线在梁截面中心，即选择Offsetto“Centroid”

对于梁单元，其他和柱子一样，区别是我们让梁的轴线位置在梁的顶部，即选择Offsetto截面坐标（0,500）的位置。

不同截面的原点坐标在截面图上都有相应标识。

完成截面信息定义后就可以开始建模操作。

首先我们通过ANSYS主菜单Preprocessor->Modeling->Create->Keypoint选择建立关键点。

需要说明的是，ANSYS建模几何拓扑关系严格遵守点（Keypoint）－线（Line）－面（Area）－体（Volumn）这样的规律，所以我们先从点开始建立模型。

选择点的输入方式为当前坐标系（InActiveCS），第一个关键点的编号为1，坐标0，0，0。

下面我们要生成X方向的柱网。

在ANSYS主菜单中选择复制（Preprocessor->Modeling->Copy）。

复制的对象为Keypoints，从弹出菜单中选择刚才建立的关键点。

在复制窗口中，输入要复制成4个点，各点间距为5000mm。

于是得到新的关键点分布如图

在ANSYS建模中，Beam188单元需要一个截面方向控制点（意义后面再解释）。

对于柱子而言，我们设定一个在X方向很远（5000000mm）的点为方向控制点。

因此，将关键点1复制一个到X=5000000mm位置。

这时屏幕显示如下，由于关键点5（即5000000mm位置的点）距离太远，我们看不清其他关键点，所以我们选择Pan-Zoom-Rotate按钮，用Pan-Zoom-Rotate提供的BoxZoom功能放大原点附近的区域。

下一步将把柱网关键点1-4向上（Z轴方向）复制3000mm，生成柱子顶部。

同样选择复制关键点，这时也可以用Box工具来选择关键点。

输入复制的距离，为Z方向3000mm。

复制完成后点击Pan-Zoom-Rotate窗口中的Iso按钮，就可以看到三维空间中这些关键点的布置。

建立完关键点后下一步就要建立线。

选择Create菜单中的Lines选项，输入线的形式为直线。

点选相应关键点，生成直线。

将刚才生成的柱网关键点相连，得到4根柱子轴线如图

复制这些轴线，选择Copy->Lines，选择刚才生成的柱子

进入CopyLines窗口，输入复制成3份，间距4000mm。

得到柱子布置如图。

同样方法，选择ANSYS主菜单Preprocessor->Modeling->Create->Lines->Lines->StraightLines将柱顶相连生成梁

同样，梁单元也需要定位关键点，将位于原点处的关键点1复制到Z轴3000000mm处。

最后生成楼板，进入ANSYS顶部菜单Plot->Lines，选择ANSYS菜单中Create->Areas->Arbitrary->ByLines，即通过线来生成楼板（相应的几何形体为面）。

选择相应的直线，建立面

建立完楼板后，几何建模工作完成，下面需要给刚才建立的几何体赋予物理属性。

首先设定梁柱单元。

进入Meshing菜单，选择MeshAttribution，选定所有表示柱子的直线。

设定其材料属性为1（钢材），因为刚才没有设定和梁单元相关的实参数，所以可以任意选择，单元类型为Beam188。

截面类型为1。

这里尤其需要注意的是，要输入截面方向控制关键点。

我们知道，空间梁单元除了轴线方向以外，还需要一个矢量来定义其截面弯曲的主轴方向。

ANSYS中对Beam188采用了“截面方向控制点”的方法来定义截面主轴方向，即：

除了输入单元的两个端点以外，还需要输入一个附加的节点或者关键点。

这个附加节点或者关键点和梁单元的起始节点构成一个矢量，这个矢量就是梁单元的法线方向。

因此，在前面建模工作中，我们在X方向很远的地方建立一个关键点，目的就是让柱子的主轴方向和X轴方向一致。

在plot菜单中选择绘制关键点。

得到关键点分布如图

选择刚才建立的在X方向很远的关键点，作为柱子的方向控制点。

再到Plot菜单中选择绘制Lines，

同样选择代表梁的直线

设定梁的属性，与柱子一样，只是截面属性编号为2。

基于同样原因，选择Z方向很远的那个关键点作为梁的方向控制点，即梁的主轴方向是Z轴方向。

最后，给所有的面设定属性，其材料属性为2（混凝土），实参数为1，单元类型为Shell63。

由于截面属性和壳单元无关，所以可以任意输入。

完成几何体的属性赋值后就可以进行网格划分。

选择Meshtool工具。

首先要设定有限元网格划分的密度。

一般可以通过Lines的分段数来控制。

选择Meshtool窗口的Lines->Set按钮。

然后选择所有代表柱子的线。

给线设定网格密度的方法有两种，一种是设定分段数，一种是设定每段的长度。

对于柱子，我们设定其分段数为5。

得到下图

而对于代表梁单元的直线，我们设定其分段方式为分段得到单元的最大长度为2000mm。

得到最后的分段情况如图。

下面开始划分网格，首先对线进行网格划分，选择mesh的对象为Lines，选择所有的线，

划分得到有限元分析所用的单元

但是这些单元看不出其形状和方向。

ANSYS提供了很好的前处理人机界面。

通过选择菜单PlotCtrl->Style->SizeandShape菜单选项

设定Displayofelement为ON

ANSYS就会绘出相应单元的空间形状和位置。

将梁柱结点附近单元放大

可以看到单元之间的相对位置，这样非常便于检查单元的位置和相互关系是否正确，尤其是单元截面主轴方向是否正确。

再次在Meshtools中选择网格划分对象为Area，选中所有的面进行网格划分，

得到楼板单元如图

同样可以到角部放大观察楼板和梁的空间位置关系是否正确。

前面提到，对于梁单元，我们定义其截面的时候设定截面的Offset为（0,500）即为其顶面，这和实际结构中梁顶面位于楼板以下的情况是一致的。

如果将截面的Offset和柱子一样设定为“Centroid”，就会发现，梁和楼板的相对位置发生了变化，如图所示。

完成了上述工作后网格划分完成，开始进入分析阶段，首先在ANSYS主菜单Solution模块中，选择AnalysisType->NewAnalysis，指定分析的工况类型为静力分析Static

下面开始输入荷载和支座条件，首先输入支座。

选择ANSYS菜单中的DefineLoad->Apply->Structural->Displacement->OnKeypoints选项，选择所有的柱脚关键点。

设定这些关键点的位移全部被约束住（AllDOF）

得到约束分布如图。

再在结构上施加节点力，选择Apply->Force->OnKeypoints，选择第一榀梁柱交点

输入荷载为X方向的力（FX），类型为恒定值，大小为-100×103N（负数表示延X轴负方向）

得到荷载表示如图

添加完荷载和支座条件后就可以计算了，在ANSYS主菜单Solution模块选择Solve菜单，选择分析的对象为当前荷载步CurrentLoadStep（LS），会弹出一个文本窗口简要介绍当前分析对象的主要参数。

关闭文本窗口，确认当前计算

计算完成后对话框提示如图

进入ANSYS的后处理菜单GeneralPostproc，选择绘制结果（Plotresults），绘制变形后的形状（DeformedShape），并选择绘制方式为变形后的形状加上未变形形状的轮廓（Def+undefedge）。

得到结构变形图如下

选择Pan-Zoom-Rotate窗口，选择当前视图为Bot视图，得到结构变形平面内视图如下。

本案例注意事项：

（1）空间梁单元方向定义

（2）空间梁单元和楼板之间的相互关系

（3）

02地震分析算例（ANSYS）

土木工程中除了常见的静力分析以外，动力分析，特别是结构在地震荷载作用下的受力分析，也是土木工程中经常遇到的问题。

结构的地震分析根据现行抗震规范要求，一般分为以下两类：

基于结构自振特性的地震反应谱分析和基于特定地震波的地震时程分析。

本算例将以一个4质点的弹簧－质点体系来说明如何使用有限元软件进行地震分析。

更复杂结构的分析其基本过程也与之类似。

关键知识点：

（a）模态分析

（b）谱分析

（c）地震反应谱输入

（d）地震时程输入

（e）时程动力分析

（1）在ANSYS窗口顶部静态菜单，进入Parameters菜单，选择ScalarParameters选项，在输入窗口中填入DAMPRATIO=0.02，即所有振型的阻尼比为2%

（2）ANSYS主菜单Preprocessor->Elementtype->Add/Edit/Delete，添加Beam188单元

（3）在ElementTypes窗口中，选择Beam188单元，选择Options，进入Beam188的选项窗口，将第7个和第8个选项，Stress/Strain（SectPoints）K7,Stress/Strain（SectNods）K8，从None改为MaxandMinOnly。

即要求Beam188单元输出积分点和节点上的最大、最小应力和应变

（4）在ElementTypes窗口中，继续添加Mass21集中质量单元

（5）下面输入材料参数，进入ANSYS主菜单Preprocessor->MaterialProps->MaterialModels菜单，在MaterialModelNumber1中添加Structural->Linear->Elastic->Isotropic属性，输入材料的弹性模量EX和泊松比PRXY分别为210E9和0.3。

（6）继续给MaterialModelNumber1添加Density属性，输入密度为7800。

（7）继续给MaterialModelNumber1添加Damping属性，采用参数化建模，输入阻尼类型为Constant，数值为DAMPRATIO

（8）接着建立梁单元的几何属性，和上一个例子一样，采用Sections建模，进入ANSYS主菜单Preprocessor->Sections->Beam->CommonSections，选择Sub-Type为工字型，截面尺寸W1=0.2，W2=0.2,W3=0.5,t1=0.01,t2=0.01,t3=0.008

（9）通过实参数输入集中质量单元的质量和转动惯量，在ANSYS主菜单中选择Preprocessor->RealConstants->Add/Edit/Delete菜单，在RealConstants窗口中选择Add，在ElementtypeforRealConstants选择Mass21，在RealConstantforNumber1窗口中输

入1.6E2,1.6E2，如图所示。

即该质量单元在X和Y方向的质量都为160，由于本例子模型为平面问题，所以不必考虑Z方向的质量，同样也不考虑单元的转动惯量。

（10）继续添加第二类集中质量，过程和上面一样，但是输入的质量数值为1.2E2,1.2E2

（11）完成以上工作就完成了模型的基本数据准备，下面开始建立物理模型。

（12）在ANSYS主菜单中选择Preprocessor->Modeling->Create->Keypoints->InActiveCS，依次输入关键点编号和坐标：

关键点1：

坐标（0,0,0）

关键点2：

坐标（0,3,0）

关键点3：

坐标（0,6,0）

关键点4：

坐标（0,9,0）

关键点5：

坐标（0,12,0）

关键点6：

坐标（0,0,10000）

需要说明的是，关键点6为后面建立梁单元所需的截面方向控制点，在上一个例子中已经做过介绍。

（13）完成关键点输入后下面建立直线模型。

在ANSYS主菜单中选择Preprocessor->Modeling->Create->Lines->Lines->StraightLine，依次连接关键点1～5。

（14）下面给建立完的几何模型赋予材料属性，在ANSYS菜单中选择Meshing->MeshAttributes->PickedLines，选中所有的直线，进入LineAttributes窗口，选择相关选项材料属性，实参数，单元类型和截面类型都为1，点击OK后输入关键点6作为截面方向控制点。

（15）在ANSYS主菜单中选择Preprocessor->Meshing->SizeCntrls->ManualSize->Lines->PickedLines，在ElementSizesonPickedLines窗口中设定NDIVNo.ofelementdivisions为3，即将每条直线分为3段

（16）在ANSYS主菜单中选择Preprocessor->Meshing->Mesh->Lines，选择所有的直线，完成直线的网格划分。

（17）为了便于后面操作，将网格划分后的单元和节点编号进行适当的清理。

在ANSYS主菜单中选择Preprocessor->NumberingCtrls->MergeItems，在MergeCoincidentorEquivalentlyDefinedItems窗口中选择All，清理所有重复的元素。

同样选择NumberingCtrls->CompressNumber菜单，在CompressNumber中选择All，对节点和单元进行重新编号。

（18）下面建立集中质量单元，采取直接输入单元的方法建立。

在ANSYS主菜单中选择Preprocessor->Modeling->Create->Elements->ElemAttributes，在ElementAttributes中设定单元类型编号为2MASS21，材料编号任意，实参数编号为1。

如图所示

（19）在ANSYS主菜单中选择Preprocessor->Modeling->Create->Elements->AutoNumbered->ThruNodes，选择节点2，建立第一个集中质量。

（20）再次进入第18步ElementAttributes窗口，设定实参数（Realconstantsetnumber）为2。

（21）重复19步，选择节点8，14，20，建立其他的三个集中质量单元。

（22）到此完成所有建模工作，下面开始进行结构分析

（23）进入ANSYS主菜单中Solution功能模块，选择Solution->DefineLoads->Apply->Structural->Displacement->OnNodes，选择节点1，设定约束所有的自由度。

（24）首先做一次静力分析，选择ANSYS主菜单Solution->AnalysisType->NewAnalysis，设定分析类型为Static

（25）选择ANSYS主菜单Solution->Solve->CurrentLS选项，进行一次静力分析

（26）分析完后，下面进行模态分析，在ANSYS主菜单中选择Solution->AnalysisType->NewAnalysis，选择分析类型为Model

（27）在ANSYS主菜单中选择Solution->AnalysisType->AnalysisOptions，输入模态分析方法为子空间法（Subspace），求解8阶模态，同时需要作模态扩展，扩展的模态为8阶，并计算单元应力和应变，输入窗口如图

（28）再次选择ANSYS主菜单Solution->Solve->CurrentLS，计算当前问题

（29）这时，如果需要看结果，可以进入后处理模块，即ANSYS主菜单GeneralPostproc，可以看到计算的各阶频率和振型。

（30）完成结构自振分析后，下面就可以进行反应谱分析

（31）进入ANSYS主菜单Solution->AnalysisType->NewAnalysis，选择分析类型为Spectrum。

（32）在ANSYS主菜单Solution->AnalysisType->AnalysisOptions中，选择谱分析的类型为单点输入（Sing-ptresp）

（33）在ANSYS主菜单中选择Preprocessor->Loads->LoadStepOpts->Time/Frequenc->Damping，输入所有的阻尼为DAMPRATIO，如图所示

（34）下面需要定义地震的反应谱。

我国规范给定的是基于加速度的反应谱。

在ANSYS主菜单中选择Solution->LoadStepOpts->Spectrum->SinglePoint->Settings，设定反应谱类型为地震加速度，放大系数为1，输入方向为X方向（1，0，0）。

（35）接下来开始输入地震反应谱。

这里输入的反应谱按7度多遇地震，取地震影响系数为0.08，第一组，III类场地，卓越周期Tg=0.45s。

值得注意的是，我国规范给的反应谱横坐标是周期，ANSYS定义的反应谱横坐标是频率，应该注意上述区别。

选择ANSYS主菜单Solution->LoadStepOpts->Spectrum->SinglePoint->FreqTable，输入频率反应谱Freq1~Freq12为0.167,0.25,0.333,0.44444,0.5,0.667,1,1.25,1.667,2.222,10,100000,如图

（36）选择ANSYS主菜单Solution->LoadStepOpts->Spectrum->SinglePoint->SpectrValues，输入对应的反应谱数值依次如下：

0.154350625,

0.191590625,

0.210210625,

0.224175625,

0.250716714,

0.329514922,

0.484352764,

0.598723486,

0.786897371,

1.034212766,

1.034212766,

0.3528

（37）最后选择ANSYS主菜单Solution->LoadStepOpts->Spectrum->SinglePoint->ModeCombine，设定振型组合方式为SRSS法，如图所示

（38）选择ANSYS主菜单Solution->Solve->CurrentLS，计算反应谱结果

（39）进入ANSYS主菜单后处理模块GeneralPostproc，在ANSYS窗口顶部菜单选择File->Readinputfrom，选择文件后缀名为*.mcom的文件

（40）进入ANSYS主菜单GeneralPostproc->PlotResults->DeformedShapes，选择绘制变形后形状和结构形状，得到地震反应谱分析的结构变形如图

（41）最后我们来进行地震时程分析，进行地震时程分析以前，首先要有一个地震时程记录，本例子给定的地震时程记录总长20秒，记录点间隔0.02s，共有1001个记录点。

该地震记录存放在RECORD.TXT文件中。

（42）首先建立两个变量，在ANSYS窗口顶部菜单选择Parameters->Scalarparameters，在窗口中输入NT=1001，即总共1001个记录点，DT=0.02，即记录点间隔0.