基于ANSYS軟件的梁系結構有限元分析

1.2,李廣博 3.黃飛馳

1.吉林建筑大學土木工程學院 2.吉林省結構與抗震科技創新中心 3.吉林建筑大學工程力學系

基于ANSYS軟件的梁系結構有限元分析

1.2,李廣博 3.黃飛馳

1.吉林建筑大學土木工程學院 2.吉林省結構與抗震科技創新中心 3.吉林建筑大學工程力學系

隨著建筑工藝的日益發展，具有結構布置靈活，應用范圍廣泛等優點的梁系結構愈來愈普遍的應用于各類建筑當中。本文利用Ansys軟件進行建模，對具體梁系結構進行了靜力分析和模態分析，計算了結構模態的振型、頻率等。

梁系結構；ANSYS；靜力分析；模態分析

圖1 結構模型示意圖

圖2 位移圖

圖3 應力圖

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

隨著科技的發展，梁系結構的形式日新月異，應用范圍日益擴大，其重要性日益凸顯。本文介紹了APDL語言，靜力分析和模態分析[1]的相關理論和知識，以及對梁系結構進行有限元分析，通過ANSYS軟件建立有限元模型，并對其進行靜力分析和模態分析。

2 APDL語言簡介

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

3 梁系結構的有限元分析

3.1 問題描述

本文就梁系結構的工作特性進行計算分析。具體模型為某空間桁架結構，主要對應使用階段所承受的外荷載進行內力分析和位移計算，校核梁系結構承載后的穩定性。空間桁架結構模型如圖1所示。

3.2 建立有限元模型

(1)梁截面文件的創立

在ANSYS軟件標準梁截面庫中沒有本結構截面類型，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，以供后續建模采用之。

(2)參數化建模

在參數設定中定義單元類型，實常數和材料參數。

在實體建模中，充分利用循環語句和鏡像功能，可以高效的形成整體空間桁架結構。

3.3 靜力分析

對結構進行靜力分析，可以得出彎矩、軸力的極大值和極小值，以及結構變形最大處，便于對結構進行優化。

按結構實際承載情況加載并求解，得到的位移圖和應力圖分別如圖2和圖3所示。

3.4 模態分析

結構動力學分析中的模態分析通常用于確定結構的振動特性，同時也是高級動力分析的基礎。

無阻尼線性結構自由振動控制方程：

假設結構的運動為簡諧振動：

代入結構位移和速度可得自振頻率運動方程：

本文中模態分析采用Block Lanczos方法[4]。得出結果如圖4至圖6所示。

4 總結

本文介紹了梁系結構有限元分析的基本理論，然后對梁系結構進行計算分析，包括靜力分析和模態分析。通過本文可以體會到ANSYS軟件對于梁系結構設計的重要性，了解將有限元分析應用于梁系結構設計的基本操作。

[1]尚曉江，ANSYS結構有限元高級分析方法與范例應用，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.結構力學[M].北京：北京郵電大學出版社，(2012.2重印)

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