大型有限元软件课程报告汇总.docx

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大型有限元软件课程报告汇总

大型有限元软件课程报告

摘要

本文分析了两个问题，并且用命令流编程实现了分析的全过程。

第一个问题是一钢管混凝土悬臂梁受弯，分别采用三种不同的方法计算，对比了实体单元模拟分析与用等效刚度法等效以后采用杆系单元分析的差别。

第二个问题是轻型门式刚架结构空间整体特性分析，通过采用三维杆系单元建立三维空间模型，在Ansys中实现了门式刚架的静力分析、自振特性分析、反应谱分析等。

1.钢管混凝土悬臂梁分析

钢管混凝土在结构上能够将钢材和混凝土的优点结合在一起，可使混凝土处于侧向受压状态，其抗压强度可成倍提高.同时由于混凝土的存在，提高了钢管的刚度，两者共同发挥作用，从而大大地提高了承载能力。

但是，钢材和混凝土两种材料力学性能差别很大，工程计算中一般采用简化计算方法，其中等效刚度法是一种常见的简化计算方法。

本例通过一钢管混凝土悬臂梁受弯分析，比较分析了数值模拟方法与等效刚度法的差异。

图1.1所示钢管混凝土截面参数和材料参数D×t×L=140×5.0×1000mm，钢材弹性模量

=2.0e11,泊松比ν=0.273，混凝土弹性模量

=3.0e11,泊松比ν=0.28，钢材与混凝土表面接触摩擦系数取0.3，F取20KN。

图1.1刚管混凝土悬臂梁示意图

1.1等效刚度法分析

等效刚度法将钢管和混凝土等效为一种材料，用以下刚度等效公式进行等效：

（1.1）

（1.2）

记钢管外径，内径为别为

和

，则对于钢管截面，

（1.3）

对混凝土截面，

（1.4）

对等效以后的截面,

（1.5）

将式1.3-1.5代入式1.1和1.2即可得到等效以后的弹性模量E和剪切模量G，

（1.6）

（1.7）

由式

可得等效以后的泊松比，见式1.8

（1.8）

得到等效的弹性模量和

=2.0e11,泊松比ν=0.28以后，用ansys建模，采用BEAM189单元进行计算，图1.2为ansys计算模型，计算结果见表1。

图1.2采用BEAM189

单元的有限元计算模型

1.2实体单元模拟分析

实体单元模拟采用了两种方案，两种方案网格化分相同，均考虑钢管与混凝土的接触，只是模拟采用的单元不同，模型网格化分见图1.3，。

图1.3实体模型网格图

第一种方案钢管和混凝土均采用solid185模拟，单元由八个节点定义,每个节点有三个自由度,x,y,z三个方向的线位移，它增加了超弹、粘弹粘塑、单元自动选择技术，但无膨胀、无自适应网格划分。

钢管与混凝土本构关系均采用线弹性。

第二种方案钢管选用Solid45单元模拟，单元具有八个节点,每个节点有三个自由度,x,y,z三个方向的线位移，其特性有塑性、蠕变、膨胀、应力刚化、大变形、大应变、单元生死、自适应网格划分、初应力输入等。

（a）混凝土（miso）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（b）钢材（bkin）

图1.4实体模型方案二材料本构关系

混凝土采用Solid65单元模拟,它是ANSYS专为混凝土、岩石等抗压强度远大于抗拉能力的非均匀性材料开发的单元,它的几何形状、节点位置和坐标系与SOLID45单元相同。

混凝土本构关系采用多线性等向强化模型（miso），钢材本构关系采用双向性随动强化模型（bkin），其应力应变关系曲线见图1.4。

图1.5实体模型方案二Mises应力图

两种方案接触设置相同，均是面—面接触,采用接触单元conta174和目标单元target170。

按照目标面与接触面的设置规则,设定钢管内表面为目标面,混凝土外表面为接触面,钢管与混凝土之间的摩擦系数为0.3,图1.5是实体模型方案二计算得到的Mises应力图,图1.6是对应的模型变形放大五倍以后的变形效果。

图1.6模型变形示意图

1.3结果对比

实体模拟方法与采用等效刚度法计算的结果对比主要体现在悬臂梁自由端的竖向位移上，由表1和图1.7可以看出，在20KN的竖向荷载作用下，三种方法得到的位移有区别，但差别不大，等效刚度法计算的结果与实体模拟的方案一结果比较接近，这是因为它们均采用的线弹性的本构关系造成的。

实体模拟的两种方案计算结果也是有差别的，这一方面由于单元特性不同造成的，另一方面是主要是由于本构关系不同造成的。

由得出的结果可以看出，等效刚度法作为一个简化的计算方法其计算结果具有一定的参考价值，但没有考虑材料进入塑性以后的情况，与实际结果有一定的偏离。

（a）方案一　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（b）方案二

图1.7位移随时间步变化曲线

表1钢管混凝土自由端竖向位移不同方案计算结果比较

　　　方案

F（KNm）

等效刚度法

实体单元模拟分析

BEAM189

solid185，考虑接触

Solid45和Solid65，考虑接触

20KN

4.89mm

4.91mm

5.89mm

1.4命令流

1.4.1等效刚度法

/PREP7

r1=（140.0/2-5.0）/1000!

钢管内径

r2=140.0/2000!

钢管外径

r=r2!

等效半径

Econ=3.0e10!

混凝土的弹性模量

Vcon=0.28!

混凝土的泊松比

Es=2.0e11!

钢材的弹性模量

Vs=0.273!

钢材的泊松比

fe=0.3!

摩擦系数

pi=3.1415926

EI=Es*pi*（r2**4-r1**4）/4+Econ*pi*r1**4/4!

等效的弹性模量

EA=Es*pi*（r2**2-r1**2）/4+Econ*pi*r1**2

Eeq=EI*4/（pi*r2**4）

GA=Es/（1+Vs）/2*pi*（r2**2-r1**2）

GA=GA+Econ/（1+Vcon）/2*pi*r1**2

Geq=GA/（pi*r2**2）!

等效的剪切模量

Veq=Eeq/（2*Geq）-1!

等效的泊松比

ET,1,BEAM189

SECTYPE,1,BEAM,CSOLID,r,0

SECOFFSET,CENT

SECDATA,r,6,!

圆环半径

MP,EX,1,Eeq

MP,NUXY,1,Veq

K,1,,,,

K,2,1,,,

K,3,0.5,1

LSTR,1,2

LATT,1,,1,,3,,1

LESIZE,1,,,30

LMESH,1

DK,1,,,,0,ALL

FK,2,FY,-20000

FINISH

/SOL

SOLVE

/POST1

nsel,s,loc,x,1

prnsol,u,y!

得到悬臂梁位移

FINISH

1.4.2一般实体单元（方案一）

/prep7

/prep7

r1=（140.0/2-5.0）/1000!

钢管内径

r2=140.0/2000!

钢管外径

Econ=3.0e10!

混凝土的弹性模量

Vcon=0.28!

混凝土的泊松比

Es=2.0e11!

钢材的弹性模量

Vs=0.273!

钢材的泊松比

fe=0.3!

摩擦系数

!

.............................................

mp,ex,1,Econ!

定义材料1混凝土的弹性模量

mp,prxy,1,Vcon

!

...............................................

mp,ex,2,Es!

定义材料2钢材的弹性模量

mp,prxy,2,Vs

et,1,solid185

et,2,174!

定义接触单元conta174

et,3,170!

定义目标单元target170

type,1

mat,1

cylind,0,r1,0,1,0,360,!

建立实心混凝土圆柱体（D=109mm）

wprota,,90,

vsbw,1

wprota,,,90

vsbw,all

lplot,all

numcmp,line

lplot,all

numcmp,all

vplot

!

.................!

对实心混凝土圆柱体划分网格

lsel,s,line,,1,8

lesize,all,,,6!

圆弧网格划分

lplot,all

lsel,s,line,,9,10!

纵向线

lsel,a,line,,15

lsel,a,line,,21

lesize,all,,,30

lsel,s,line,,11,14!

径向线

lsel,a,line,,17,20

lplot,all

lesize,all,,,6!

半径网格划分

vsel,all

mshape,0,3d

mshkey,1

vmesh,all

WPCSYS,-1

type,1

mat,2

CYLIND,r1,r2,0,1,0,360,!

建立空心钢管圆柱体（外径114，壁厚5mm）

wprota,,90,

vsbw,5

wprota,,,90

vsbw,6

vsbw,7

numcmp,all

vplot,all

allsel,all

!

................

lsel,s,line,,42,46!

径向线

lsel,a,line,,49,50

lsel,a,line,,53

lplot,all

lesize,all,,,1

!

................

lsel,s,line,,38,41,1!

纵向线

lsel,a,line,,47,48,1

lsel,a,line,,51,52,1

lplot,all

lesize,all,,,25

!

................

lsel,s,line,,22,37,1!

圆弧网格划分

lplot,all

lesize,all,,,5

!

..................

mshape,0,3d

mshkey,1

vmesh,all

vplot,all

!

................................................建立接触单元

R,1,,,0.1,0.1,!

材料3、4正则处罚刚度0.1

mp,mu,3,fe!

材料3、4接触-摩擦系数fe

real,1!

接触单元contact174

mat,3

type,2

allsel,all

aplot,all

numcmp,all

aplot,all

asel,s,,,3

asel,a,,,8

asel,a,,,12

asel,a,,,16

aplot,all

cm,_contact,area

nsla,s,1

esln,s,0

esurf,all

!

..............................................

type,3!

目标单元170

lsel,all

!

..................

asel,s,area,,23

asel,a,area,,25

asel,a,area,,30

asel,a,area,,35

aplot,all

cm,_target,area

nsla,s,1

esln,s,0

esurf,all

cmdel,_target

cmdel,_contact

allsel,all

finish

!

...........（求解设置）.............................

/SOL

!

*

ANTYPE,0

nsel,s,loc,z,0

d,all,all

nsel,s,loc,z,1

nsel,r,loc,x,0

nsel,r,loc,y,0

F,ALL,FY,-20000

allsel,all

ANTYPE,0

NLGEOM,1!

打开大变形

AUTOTS,1!

打开自动时间步

TIME,1

NSUBST,50,100,50

NEQIT,50!

平衡迭代次数

PRED,ON,,ON!

打开预测器

OUTRES,ALL,ALL!

输出所有子步的结果

SOLVE

/POST1

CSYS,0

nsel,s,loc,z,1

nsel,r,loc,x,0

nsel,r,loc,y,0

prnsol,u,y!

得到悬臂梁位移

/POST26

NSOL,2,38,U,Y,UY_2

XVAR,1

PLVAR,2,

FINISH

1.4.3混凝土单元（方案二）

/prep7

r1=（140.0/2-5.0）/1000!

钢管内径

r2=140.0/2000!

钢管外径

Econ=3.0e10!

混凝土的弹性模量

Vcon=0.28!

混凝土的泊松比

Es=2.0e11!

钢材的弹性模量

Vs=0.273!

钢材的泊松比

fe=0.3!

摩擦系数

fct=2.3e6!

混凝土抗拉`强度

fck=25.6e6!

混凝土抗压强度

fy=275.9e6!

钢材抗拉屈服强度

fe=0.3!

摩擦系数

et,1,solid65!

定义单元1为solid65单元!

混凝土

et,2,solid45!

定义单元2为solid45单元！

钢管

et,3,174!

定义接触单元conta174

et,4,170!

定义目标单元target170

!

............................................

mp,ex,1,Econ!

定义材料1混凝土的弹性模量

mp,prxy,1,Vcon

TB,CONCR,1,1!

定义材料1为混凝土材料

TBTEMP,0

TBDATA,1,0.3,0.55,fct,-1！

关闭混凝土开裂

TB,MISO,1,1,15!

屈服准则！

多线性等向强化

TBPT,,100E-6,3.0E6

TBPT,,300E-6,8.3E6

TBPT,,600E-6,14.6E6

TBPT,,900E-6,19.1E6

TBPT,,1100E-6,21.0E6

TBPT,,1250E-6,22.0E6

TBPT,,1400E-6,22.6E6

TBPT,,1550E-6,22.8E6

TBPT,,1650E-6,22.7E6

TBPT,,1800E-6,22.3E6

TBPT,,2000E-6,21.4E6

TBPT,,2800E-6,16.8E6

TBPT,,3200E-6,14.7E6

TBPT,,3800E-6,12.3E6

TBPT,,4600E-6,9.9E6

!

...............................................

mp,ex,2,Es!

定义材料2钢材的弹性模量

mp,prxy,2,Vs

tb,bkin,2!

定义材料2为双向性随动强化模型

tbtemp,0

tbdata,,fy,0

type,1

mat,1

cylind,0,r1,0,1,0,360,!

建立实心混凝土圆柱体（D=109mm）

wprota,,90,

vsbw,1

wprota,,,90

vsbw,all

lplot,all

numcmp,line

lplot,all

numcmp,all

vplot

!

.................!

对实心混凝土圆柱体划分网格

lsel,s,line,,1,8

lesize,all,,,6!

圆弧网格划分

lplot,all

lsel,s,line,,9,10!

纵向线

lsel,a,line,,15

lsel,a,line,,21

lesize,all,,,30

lsel,s,line,,11,14!

径向线

lsel,a,line,,17,20

lplot,all

lesize,all,,,6!

半径网格划分

vsel,all

mshape,0,3d

mshkey,1

vmesh,all

WPCSYS,-1

type,2

mat,2

CYLIND,r1,r2,0,1,0,360,!

建立空心钢管圆柱体（外径114，壁厚5mm）

wprota,,90,

vsbw,5

wprota,,,90

vsbw,6

vsbw,7

numcmp,all

vplot,all

allsel,all

!

................

lsel,s,line,,42,46!

径向线

lsel,a,line,,49,50

lsel,a,line,,53

lplot,all

lesize,all,,,1

!

................

lsel,s,line,,38,41,1!

纵向线

lsel,a,line,,47,48,1

lsel,a,line,,51,52,1

lplot,all

lesize,all,,,25

!

................

lsel,s,line,,22,37,1!

圆弧网格划分

lplot,all

lesize,all,,,5

!

..................

mshape,0,3d

mshkey,1

vmesh,all

vplot,all

!

................................................建立接触单元

R,4,,,0.1,0.1,!

材料3、4正则处罚刚度0.1

mp,mu,4,fe!

材料3、4接触-摩擦系数fe

real,4

mat,4

type,3

allsel,all

asel,s,,,3

asel,a,,,8

asel,a,,,12

asel,a,,,16

aplot,all

cm,_contact,area!

接触单元174

nsla,s,1

esln,s,0

esurf,all

type,4

allsel,all

asel,s,area,,23

asel,a,area,,25

asel,a,area,,30

asel,a,area,,35

aplot,all

cm,_target,area!

目标单元170

nsla,s,1

esln,s,0

esurf,all

cmdel,_target

cmdel,_contact

finish

!

...........（求解设置）.............................

/SOL

allsel,all

nsel,s,loc,z,0

D,all,all

CSYS,1!

转换为柱坐标系，选取钢管外层节点

NSEL,S,LOC,Z,1

NSEL,R,LOC,X,r2

NSEL,R,LOC,Y,90

F,ALL,FY,-20000!

集中力

allsel,all

ANTYPE,0

NLGEOM,1!

关闭大变形

AUTOTS,1!

打开自动时间步

TIME,1

NSUBST,100,200,50

NEQIT,50!

平衡迭代次数

PRED,ON,,ON!

打开预测器

OUTRES,ALL,ALL!

输出所有子步的结果

SOLVE

/POST1

CSYS,0

nsel,s,loc,z,1

nsel,r,loc,x,0

nsel,r,loc,y,0

prnsol,u,y!

得到悬臂梁位移

PLESOL,S,EQV,0,1.0!

mises应力图

/POST26

NSOL,2,38,U,Y,UY_2

XVAR,1

PLVAR,2,

FINISH

2.轻型门式刚架结构整体分析

轻型门式刚架普遍跨度较大，构件偏于柔性，在正常工作状态下，挠度变形偏大，结构有一定的几何非线性特征，现有的一些结构设计软件一般只进行平面分析，本例研究了门式刚架的的空间特性，对其空间非线性特征进行了研究，分别进行了，静力分析、模态分析，和地震反应谱分析。

1.1工程概况

门式刚架单层单跨厂房，檐口高度为8m，跨度24m,柱距6m，屋面坡度为0.1。

柱网尺寸48×24m，屋面活荷载0.4KN/m2，恒荷载0.3KN/m2，（不计屋面檩条以及钢梁自重），基本风压0.55KN/m2，梁柱构件采用宽翼缘热轧H型钢，梁采用H500×200，柱采用H600×200。

墙面和屋面檩条采用C160×60×20×2.0冷弯薄壁型钢，屋面和墙面覆盖单层压型钢材。

在柱网两个端头设置柱间支撑与屋面水平支撑，檐口处设置刚性系杆。

墙檩从柱脚起第1，3，5根檩条设置隅撑，屋脊处以及屋面中间布置支撑的檀条处设置隅撑，计算过程中带隅撑檩条看做是与刚架刚接的。

支撑杆件与刚性系杆均采用φ20圆钢。

地震设防烈度为6度,场地类别II，第二组，阻尼比取0.02。

1.2计算模型

图2.1实体模型网格图

图2.1为用ansys软件建立的有限元模型，模型所有构件材料假定为理想弹塑性材料，符合HOOKE定律，故模型分析为弹性静力分析，但模型偏柔性，具有一定的几何非线性。

计算模型的所有结构单元均采用三维空间杆系单元，其中梁柱采用3结点非线性梁单元BEAM189，檩条与刚性系杆采用梁单元BEAM44，柱支撑采用空间铰接两节点杆单LINK10。

门式刚架梁柱连接、柱脚连接采用刚接，支撑与结构连接、屋面檩条与刚架梁柱均采用铰接，，模型不考虑压型钢板的蒙皮效应,图2.2局部显示了第一二榀刚架之间的模型。

图2.2第一二榀刚架模型图

1.3静力分析

静力分析考虎了三种工况：

恒载，活载和左风荷载。

两种荷载组合：

1.2恒载+1.4活载+1.4*0.6左风荷载。

图2.3恒载作用示意图

图2.4风荷载作用示意图

恒载和活载等效为作用在平面刚架梁上的竖向均布线荷载，中间跨线荷载值取面荷载×柱距，边跨荷载取中间跨的一半。

恒载和活载均为竖向荷载，施加到梁单元上时须分解为沿单元方向和垂直于单元两个方向施加。

左风荷载等效为作用的刚架上的均布力，方向垂直于单元，分吸力和压力两种，其值按门式刚架规范计算，仍是中间跨线荷载值取面荷载×柱距，边跨荷载取中间跨的一半。

图2.3恒载作用示意图，活载与荷载情况相同，故只给出恒载的示意图，风荷载作用示意图2.4。

模型施架荷载及约束以后就可以进行求解，求解结束后就可以查看变形和内力，如图2.5-2.8所示，活载作用下的情况与恒载作用下的类似，故只给出恒载和左风荷载结果。

图2.5恒载作用下的结构变形

图2.6左风荷载作用下的结构变形

图2.7恒载作用刚架的弯矩图

图2.8左风荷载作用下刚架的弯矩图

工况组合是通过LSWRITE命令将不同工况分别写成荷载步文件计算，然后再用LSSOLVE分别计算形成，再读取所有工况，再用LCOPER组合就可以得到需要的组合，不同的组合结果可用LCWRITE保存为工况文件,需要的时随时可以再用LCFILE命令读入.得到需要的组合以后可以通过相关命令查看分析结果。

图2.9第二榀刚架组合弯矩图（1