1、探讨 ANSYS 在水工结构抗震性能分析中的应用摘要: 本文只要介绍 ANSYS 在水工结构抗震性能分析中的应用,包括抗震分析中的具体建模方法,单元的应用,以及在水工结构抗震分析中的优势等内容。 关键词:ANSYS,水工结构,抗震分析,有限元 Abstract: this paper introduced in hydraulic structure as long as ANSYS seismic performance analysis of the application, including seismic analysis of the specific modeling metho
2、d, the application of the unit, and in hydraulic structure seismic analysis of the advantage, etc. Keywords: ANSYS, hydraulic structures, seismic analysis, finite element 中图分类号：TU973+.31 文献标识码：A 文章编号： ANSYS 以其强大的建模能力、求解功能、非线性分析功能、智能网格划分、良好的优化功能等被广泛的应用于有机械、航空航天、交通运输、土木建筑以及水利等领域。其结构分析用于确定结构在荷载作用下的静、动力
3、行为,研究结构的强度、刚度和稳定。其中谱分析和瞬态响应分析在水工结构抗震分析领域占据重要地位。 1 仿真模型建构方法 有 3 种生成模型的方法1:实体建模、直接生成和从CAD 系统中输入实体模型。实体建模是一种对几何实体模型划分网格生成有限元模型的方法。与直接建模法比较,它的主要优点有:更适用于庞大而复杂的模型,尤其是三维模型;可以进行拖拉和旋转等操作,节点和单元是不能完成这些操作的;可以从基本的几何图素出发,通过布尔运算建立模型;是自适应网格划分所必须的;易于对几何模型进行修改,易于改变单元属性;用户可以混合采用自下而上建模和自上而下建模两种建模方法。与实体建模相比,直接生成法对小型或简单模
4、型的生成较方便,能使用户对几何形状及每个节点和单元的编号有完全的控制,但它不能用自适应网格划分,且改进网格划分十分困难。从 CAD 系统中输入实体模型指用户已经在擅长的 CAD 系统中建立了几何模型,这时可以通过ANSYS 与 CAD 系统的接口把它输入到 ANSYS 中进行分析。对于复杂的模型推荐使用实体模型建模方法。ANSYS 中提供两种操作方式:GUI 方式和 APDL 语言方式。单元网格的划分合适与否,对计算结果的影响很大,有限元分析的单元划分原则如下:凡应力较大或应力梯度变化急剧的部位,单元划分应较小较密;反之,应力较小或应力梯度变化平缓的部位,单元可以划分得较大较疏;单元的形态力求
5、匀称,尤其在重要部位;不同的材料性质如混凝土、岩石、断层破碎带以及不同的厚度,或者不同的计算方法如作为平面应变问题和平面应力问题,都应分区划分单元;地基范围应取足够的深度和宽度,根据地基的软弱程度,其弹性模量和结构弹性模量相差得越大,越应采用较大的倍数。 2 单元应用 ANSYS 单元库中有 150 多种不同的单元类型,每个单元都有特定的编号和一个表示单元类型的前缀,例如Beam4,Solid45,Plane77 等。本文采用 Solid45 单元模拟岩体,用 Beam188 单元模拟桩。Solid45 单元即为 8 节点 6 面体单元,4 节点 4 面体单元是该单元的特例,该单元每个节点有
6、3个自由度;Beam188 单元适合于分析从细长到中等粗短的梁结构,该单元考虑了剪切变形的影响,它是三维线性(2 节点)或者二次梁单元。每个节点有 6 个或者 7 个自由度,自由度的个数取决于 KEYOPT(1)的值。当 KEYOPT(1)=0(缺省)时,每个节点有 6 个自由度,当 KEYOPT(1)=1 时,每个节点有 7 个自由度,这个单元非常适合线性、大角度转动和非线性大应变问题。 3 分析计算方法 水工结构地震响应分析方法由最初的静力法到 20 世纪普遍采用的方法,始终都处在线性分析阶段,而随着ANSYS 一类大型有限元分析程序和计算机水平的飞速发展,非线性动态时程分析法己经越来越多
7、地被应用到当前的结构抗震性能分析领域中。反应谱方法建立在结构动力特性分析基础之上,采用振型组合方法进行,其本质还是拟动力分析。ANSYS 对反应谱的组合分析给出多种振型组合方式,如 CQC 法、 SRSS 法、ABS 法等,在方向组合上也给出SRSS 法及 ABS 法等组合方法。时程分析法是结构真实的动力分析,而且随着当前计算机性能的提高和存储容量的增大,时程分析的计算时间问题已经基本被解决。ANSYS 时程分析法,是一种能够将短暂的地震过程中任一时刻结构所处状态的参量均能算出的准确方法,是用数值积分求解运动微分方程的一种方法,在数学上又称为逐步积分法2。 4 结果输出 ANSYS 对于结果的
8、处理与输出主要有两条途径:1)采用GUI 方式直接显示于程序中;2)交互式的屏幕表格输出。ANSYS 可输出的数据十分全面,各载荷工况下的变形图、动力振型图、构件的内力或应力图、节点位移时程图等,均可以十分方便地输出显示。ANSYS 还提供视频动画的输出,包括多步动画视频及循环动画视频,其中多步动画视频是在运行时程分析之后显示结构随时间变化的动态变形情况,这也是在水工结构抗震分析中非常有用的功能之一。 5 工程实例 现以某水利枢纽工程导流泄洪洞为例,对 ANSYS 在水工结构抗震性能分析中的应用作简单介绍。该导流泄洪洞从桩号 0-002.604桩号 0+099.700 为进口段 ;进口段由八字
9、墙段、涵洞段、隧洞段三段组成。八字墙段通过渐变段与涵洞段相连,渐变段长 6.5m。涵洞段分喇叭口段和涵洞洞身段,喇叭口段采用三面收缩,侧面和顶面采用相同的收缩曲线,皆为 1/4 椭圆曲线,椭圆曲线长轴为 5.4m,短轴为 1.8m。从桩号 0+083.575桩号 0+99.700 为渐变段,长 16.136m,渐变段外模尺寸与直洞段、转弯段相同,只是在内模尺寸上将顶拱圆弧由圆变方,渐变段末端断面为 7m 8.5m(宽 高)的矩形断面。渐变段末端与竖井闸室段相连。 实体建模采用自底向上的方式:在构造实体模型时,首先定义最低级的图元关键点,再利用这些关键点定义较高级的实体图元(即线、面和体)。由于
10、山体是由不同性质的岩体组成的,具有不同的材料属性,因此应将其建成不同的实体。对于山体表面,利用地质图,结合标高投影的知识,可确定任意一点的 x,y,z 坐标,可采用棋盘网格式取点方法;对于内部不同材料岩体的分界面,应利用地质断面图才能得到点的坐标。由于山体不规则,不能直接利用已建点来直接生成体,所以应先建立各个体的表面,再通过面组成最后的体。 渐变段、喇叭口这类存在曲面的实体,先分析该曲面是否能够直接建立,如果不能,应建立一系列关键点,用二次曲线拟合渐变曲线的形状。此方法能够模拟实际的曲线、面的几何特性和变化规律,有一定的工程应用价值。为简化建模过程,本文分别建立山体和泄洪洞模型,利用 ANS
11、YS 建模工具中的 CDWRITE,CDREAD 将两模型合并起来形成最终的模型(见图 1)。 图 1 实体模型 下面对拟静力分析、谱分析和时程分析的结果进行一下对比,如图 2 所示。 图 2 拟静力、动力分析结果对比 6 结语 ANSYS 作为有着 40 年发展历史的结构静动力分析设计软件,凭借其直观简洁的用户界面、高效精确的分析引擎和全面完善的结果处理,已经成为结构工程中尤其是抗震分析领域不可或缺的结构分析有限元软件。 参考文献: 1龚曙光.ANSYS 工程应用实例解析M.北京:机械工业出版社,2003. 2T.Paulay,M.J.N.Priestley.钢筋混凝土和砌体结构的抗震设计M. 戴瑞同,译.北京:中国建筑工业出版社,1999. 3万利军.论结构抗震的几种方法J.山西建筑,2006,32(24):76. 注：文章内所有公式及图表请以 PDF 形式查看。
