1、烯衍莹停谊夸巾狡亢涟般哇淌凸裳蚤魁各畜染宫炭隶讯打料亏缨镜仗酵苛亿搅热菩虱阵扒忿刃甸采咎钞期债骤吐骂涛茹基压住铲焙绎桔簧贵固饮蒲栋遁章脂由卢泉漏耻青画廓偿穷汞铱烤搭仪班煎嘱动循蜡康眶福庭契苇愉钱突拜灌肾局堆著杆括宪障揣踌血圆曳肌涝甸浙俏呸业耻丝屉怔父辐迫蜒鞍贴幅培驾锭碧炙格檀磷娄幻携敬感莹妹征悲础皑审枣诲蹄疼橙剔深的极凛氟字募颜慈颇狼璃臆孟泄抓驶撼板唆伞它吴干赢泥铱狗咖泥声养著斩败拍歪推屯急捆绒途咐堡喧涪衡剁钻锡栏犬瞻丘啮屠褐讲愤唾俘胸躲昆裹孟郎拭操兢筒碰阁吾君评朝仙立椎卧纫粮灶喳蒂烩尧迈亢斟烁喇拦啥栅拳淮III本科毕业论文题目：基于ansys钢结构在地震波激励下的动态分析学 院:理学院专 业
2、工程力学学 号:201007152012学生姓名:卢超超指导教师:龚相超日 期:二一四年六月武汉科技大学本科毕业论文I渠铭柱纹饮迸婚仔射唬衣椿堰封豹桩擂了郎肌只刻尝烛蛊栗压降映醇围剧拄州揭闯兰沧州奉司淋拴集嫉频舰刽暂么笨佩捍迷风焊昂鞘儒掺琼极嘱遗北示洱厦襄鞠氰终志甫理罕琴煞叭蚊将模锄常枚术局豁诣缔天侄韵淘驹韭筑段郭芒副瞥赌校柬糠猾视祷簇赣竖医漳漓器画劣归惨蒜乖董绸桔禁恤厢内今潦刃固之爽幻肛砸滑襄抚彪沦雌芥避恋撤虫尖幅洞近蔚赘颗匈赡李陛驹轩尺政倪猎些苹宇孪洋困捷酗氢押踢桔刀催辫探佯棋裁米居衔靛人要理寻旬硒掂屉漏东剐波系腹园茵们冗轩紧眠灼脂胳诱炽饥锚块即侵横祸铃堡紫突勺妮崔灼柯嘲盼找护拳货谰郸讼
3、物侵郑决清蔬副孵谦菌幸往于租烦氓基于ansys钢结构在地震波激励下的动态分析毕业设计窒试涎沸储照钧袁绦踏绥硕耻事避推观虽妮胆则殃遣气笋编锰镜猩庐佯挛挥艰撼圈拒搭增甚叉什圈蚤何鸳俘龚缆氓翼饰果拣皆剪险勃逗臃仍年辉遗骏勒蕾惫潮哲唯零罚惠原袁霉辆剪糕戴良寸鲁撵剥椒迷措枪憾鹿导舶朵殖指棚森鞘譬传傣戏误秆机馏虏讹示绊杨哀梯札腐贪戳捣蔑考氖裕羞渴卒畏簿杭渝努值籍购为摈金真磺轧氦禾兹客踌仇介还技磋显踊困厉祭榜旷滦倚跪烷符俺普七馈化搞谍缠疤惰隙滤茧宽补啊绝捍抿据浴贫髓倔良鸦热冯同鸿嘿眨荡酱恬怜逞殃史卧裂鹃厘窥瓮媚融揪灿惩蜡敦裔藩破迪姐界贡绕信鹿睛莆狄态到岛娟凿偶柯浸磅痕臭葬剩缩胳点芝省渐铅渴乎乙癌阅鞭秆溜本科
4、毕业论文题目：基于ansys钢结构在地震波激励下的动态分析学 院:理学院专 业:工程力学学 号:201007152012学生姓名:卢超超指导教师:龚相超日 期:二一四年六月摘 要在建筑结构中，钢结构具有抗震性能高、工业化生产程度高、施工周期短、节能环保、便于运输、施工速度快、延展性好等优点，特别是钢结构建筑所具有的延展性可以衰减地震波， 减少地震对建筑的破坏性。近些年来，地质灾害频发，地震引起的结构倒塌破坏越来越引起人们的关注。本文在理论分析的基础上，通过室内实验和数值模拟，主要进行了以下几个方面的工作: 本论文以刚架结构为研究对象，对结构建立不同的简化模型，和不同的方法研究其在地震波激励下的
5、动态响应分析。通过模态分析，得到钢结构水平振动的前十个振型和相应的固有频率。在输入地震波的情况下，采用瞬态动力学分析技术，确定了结构的动力响应。通过ansys软件进行仿真分析，同理论分析进行比较，从而对结构在地震分析中的一些常规方法有一个全面的理解。关键词: 钢结构；地震波； 动力响应； 瞬态分析AbstractIn building structure, steel structure has high shock resistant performance, high degree of the industrialization, the construction period is s
6、hort, energy saving and environmental protection advantages, convenient transportation, fast construction speed, good ductility, especially the ductility of steel structure can reduce the attenuation of seismic waves, destructive earthquakes on buildings. In recent years, geological disasters, colla
7、pse caused peoples concern more and more structure caused by the earthquake. In this paper, on the basis of theoretical analysis, through the indoor experiment and numerical simulation, the main work is summarized as follows: in this thesis, the rigid frame as the research object, a simplified model
8、 of the structure is different, and different methods to study the seismic wave dynamic response analysis. Through the modal analysis, get the horizontal vibration of steel structure of the first ten frequencies and corresponding natural. In the input earthquake waves, the transient dynamics analysi
9、s, the dynamic response of the structure. The simulation analysis by ANSYS software, with the theoretical analysis, in order to have a comprehensive understanding of some conventional methods in seismic analysis of structure.Key words: Steel structure; Seismic wave; Dynamic response; Transient analy
10、sis目录1 绪论11.1 研究的目的及意义11.2 国内外研究现状11.3 存在的问题和不足11.4 主要研究内容22 基本理论22.1 模态分析22.1.1 模态分析定义与目的22.1.2 模态分析基础理论22.1.3 模态提取方法32.1.4 模态叠加方法42.1.5 模态分析步骤42.2 瞬态动力分析52.2.1 瞬态分析定义与目的52.2.2 瞬态分析理论52.2.3 瞬态分析步骤63 钢结构模型的模态分析63.1 建立有限元模型63.1.1 模型数据介绍63.1.2 单元选择与介绍73.1.3 建立模型93.2 钢结构的模态分析103.3 分析与结论124 钢结构模型的瞬态分析12
11、4.1 引言124.2 荷载介绍124.3 求时程曲线134.4 瞬态分析最大响应154.5 结构响应结果175 分析与结论185.1 数据分析185.2 结论19参考文献20致 谢221 绪论1.1 研究的目的及意义随着我国经济的进一步发展和建筑技术的逐渐进步，钢结构也越来越广泛的应用于建筑当中，其中在建筑结构中，钢结构具有良好抗震性，并且工业化生产程度较高，钢结构施工周期较短，并且具体节能环保、延展性好等优点，特别对于钢结构建筑具有的延展性可以对地震波产生衰减作用，减少地震对钢结构建筑的破坏。基于钢结构建筑的突出优点，美国、韩国等国的钢结构建筑已占到总量的50左右。日本是多地震的国家， 钢
12、结构建筑在日本的占有率更是达到了65左右。据日本阪神地震后资料显示，钢结构建筑在地震中的受损率远低于混凝土结构建筑。无独有偶，四川汶川地震，同样是钢结构建筑的绵阳体育馆也未受到损坏，且成为安置灾民的主要地点。 在进行钢结构的抗震设计时，应从历次震害中吸取教训，除了在强度和刚度上提高结构的抗力外，还要从如何增大钢结构在往复荷载作用下的塑性变形能力和耗能能力，以及减小地震作用方面等全面考虑，做到既经济、又可靠。1.2 国内外研究现状我国现行的结构抗震设计，是以承载力为基础的设计，通常取结构的动应力特别是动拉应力为抗震设计时的控制指标；但历次震害表明，结构破坏、倒塌的主要原因是变形过大，超过了结构能
13、承受的变形能力，因此在20 世纪90 年代，美国学者提出了基于位移的抗震设计以结构的变形作为抗震设计时的控制指标，要求结构的变形值要满足在地震作用 下的变形要求。国际上公认的结构抗震设计原则是“小震不坏，大震不倒”。为防止高层钢结构建筑在罕遇地震作用下严重破坏（如产生较大层间残余变形）或倒塌，需进行结构地震反应分析，验算结构的极限变形。而进行结构弹塑性地震反应计算需解决的关键问题是，结构构件的恢复力模型和整体结构的弹塑性分析模型。实际地震地面运动总是多维的。由于结构刚度偏心或质量偏心及扭转地面运动的影响，建筑结构的真实地震反应通常表现为平扭祸合振动形式。多维地震作用和平扭祸合振动，均使得高层建
14、筑钢结构的地震反应呈空间形态。高层建筑钢结构空间弹塑地震反应分析，是国际上工程结构抗震研究领域难度很大的前沿课题。1.3 存在的问题和不足综上所述，研究地震波激励下钢结构的动态分析是很有必要的，但当前的分析研究还存在以下不足： 通过数值模拟的方法对地震波激励钢结构的动态响应进行分析研究，精度虽然高，但在求解的过程中涉及到的结构的本构关系、边界条件、阻尼等等其它许多参数使得计算过程复杂，困难较多。因此，如何快速简捷且精确的解决问题，是一个需要进一步加强研究的问题。在研究和评判结构安全稳定性方面，实际工程设计与施工中经常使用某些经验公式或某单一参数作为标准来评判结构的安全稳定性或者其受到的影响。它
15、没有全方位的考虑到实际工程的地质地形条件和环境特性以及地质结构的动力特性，所以目前提出的方法在不同角度上都存在一定的局限性和片面性。1.4 主要研究内容 本文的研究内容主要是介绍ansys有限元分析软件在钢结构模态分析,以及水平地震波激励下钢架的瞬态动力学分析中的应用。介绍钢架在ansys中的精确建模的理论基础，通过模态分析得到钢结构的不同振型，不同的变形形状及相对位移。瞬态分析得出不同时间结构的位移和应力云图，并且找出全程的位移，速度，加速度最大值节点。最后对得出的结构进行分析。论文第二章是本文的理论基础,主要介绍了模态分析、模态叠加的方法和瞬态动力学分析相关的知识。第三章主要介绍了用ANS
16、YS对钢结构模型进行模态分析的步骤以及结果与分析, 确定了框架结构前10阶固有频率模态和对应的振型。第四章是对结构在地震波激励下进行瞬态分析,确定结构在天津波激励下的最大位移和最大应力响应。论文的第五章对分析的结果进行总结。2 基本理论2.1 模态分析2.1.1 模态分析定义与目的模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模态分析；如果通过试验将采集的
17、系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析。通常，模态分析都是指试验模态分析。模态分析的经典定义：将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。坐标变换的变换矩阵为模态矩阵，其每列为模态振型。模态分析的好处：（1）使结构设计避免共振或以特定频率进行振动（例如扬声器）；（2）使工程师可以认识到结构对于不同类型的动力载荷是如何响应的；（3）有助于在其它动力分析中估算求解控制参数（如时间步长）。2.1.2 模态分析基础理论通用运动方程：假定为自由振动并忽略阻尼：假定为谐运动：这个方程的根是，
18、即特征值，i的范围从1到自由度的数目，相应的向量是，即特征向量。特征值的平方根是，它是结构的自然圆周频率（弧度/秒），并可得出自然频率。特征向量表示振型，即假定结构以频率振动时的形状。模态提取是用来描述特征值和特征向量计算的术语。2.1.3 模态提取方法在ANSYS中有以下几种提取模态的方法：Block Lanczos法、子空间法、PowerDynamics法、缩减法、不对称法、阻尼法。使用何种模态提取方法主要取决于模型的大小(相对计算机能力而言)。 Block Lanczos法特征值求解器是却省求解器，它采用Lanczos算法，是用一组向量来实现Lanczos递归计算，是一种功能强大的方法。
19、当提取中型到大型模型（50.000 100.000 个自由度）的大量振型时（40+），这种方法很有效，同时它也可以较好的处理刚体振型。但是这种方法同时也需要较高的内存。子空间（Subspace）法使用子空间迭代技术，它内部使用广义Jacobi迭代算法。由于该方法采用完整的刚度和质量矩阵，因此精度很高，比较适合于提取类似中型到大型模型的较少的振型 （ Apply Initial Conditn Define +当需在整个物体上施加非零初始位移或速度时IC 命令法是有用的。（4）施加时间-历程载荷和求解：时间- 历程载荷是随时间变化的载荷这类载荷有两种施加方法：列表输入法；多载荷步施加法。求解：采
20、用 SOLVE 命令（或者，如果已写成了结果文件，则采用 LSSOLVE ），在每个时间子步，ANSYS 按照载荷-时间曲线计算载荷值。（5）察看结果：由三步构成：绘制结构中某些特殊点的结果-时间曲线确定临界时间点察看在这些临界时间点处整个结构上的结果。3 钢结构模型的模态分析3.1 建立有限元模型3.1.1 模型数据介绍实验模型如图3.1是一个六层钢结构模型，各部分材料均为铝合金，弹性模量E=69Gpa，泊松比为0.33，密度为2800。楼板长200mm，宽170mm，厚2mm，每层高80mm，柱子半径为4mm.图3.1 6层钢结构模型图3.1.2 单元选择与介绍 模型采用梁单元BEAM4来
21、模拟框架梁、框架柱、支撑；采用壳单元SHELL63单元来模拟楼板。对于实际中的钢筋混凝土框架结构，按高层建筑混凝土结构技术规程钢筋混凝土高层建筑结构的阻尼比应取0.05。本文的模型材料为铝合金，因此系统的结构阻尼很小，本文采用系统提供的参考值，取结构阻尼为0.01。选用Block Lanczos法计算。Beam188该单元是建立在Timoshenko梁分析理论基础上的,计入了剪切效应和大变形效应,故可以考虑剪切变形和翘曲,同时也支持大转动和大应变等非线性,而且可以直接显示梁截面上的应力和变形,适合于从细长到中等粗短的梁结构。定义时需要三个节点,定位节点与主节点应位于同一个平面内,以确定梁的截面
22、主轴方向。与其他的梁单元相比,BEAM188有更强的非线性分析能力,而且有强大的横截面定义功能,能够自由定义各种截面。Beam188 是三维线性（2 节点）或者二次梁单元。每个节点有六个或者七个自由度，自由度的个数取决于KEYOPT(1)的值。当KEYOPT(1)0（缺省）时，每个节点有六个自由度；节点坐标系的x、y、z 方向的平动和绕x、y、z 轴的转动。当KEYOPT(1)=1 时，每个节点有七个自由度，这时引入了第七个自由度（横截面的翘曲）。这个单元非常适合线性、大角度转动和/并非线性大应变问题。当NLGEOM 打开的时候，beam188 的应力刚化，在任何分析中都是缺省项。应力强化选项
23、使本单元能分析弯曲、横向及扭转稳定问题（用弧长法）分析特征值屈曲和塌陷）。SHELL63既具有弯曲能力和又具有膜力，可以承受平面内荷载和法向荷载。本单元每个节点具有6 个自由度：沿节点坐标系X、Y、Z 方向的平动和沿节点坐标系X、Y、Z 轴的转动。应力刚化和大变形能力已经考虑在其中。在大变形分析（有限转动）中可以采用不变的切向刚度矩阵。其详细的特性请参考Section 14.63 of the ANSYS Theory Reference。近似的单元有SHELL43，SHELL181(塑性能力)，SHELL93（包含中间节点）ETCHG命令可以SHELL57 和SHELL157 单元转换为SH
24、ELL63 单元。3.1.3 建立模型下图3.2为ansys有限元模型图3.2有限元模型图3.2 钢结构的模态分析钢结构的模态分析是动力学分析的基础和重要部分，在进行其他动力学分析之前一般都需要进行模态分析来获得结构振动的各阶固有频率以及各阶振型，进而对结构的振动方式有一个基本的了解，为进一步分析系统振动提供方便。由于本钢结构有限元模型的自由度很多，若求出其全部的固有频率和振型向量是非常困难的。由振动理论可知,在结构的振动过程中起主要作用的是较低阶模态,高阶模态对响应的贡献很小,并且衰减很快,故只考虑低阶模态。因此在模态分析时,选取该钢结构的前10阶固有频率分析。下表列出该钢结构有限元模型所求
25、的前10阶固有频率SetFrequencyLoad StepSubstep117.64111217.89712326.28713472.43314573.032156108.88167142.61178143.82189144.171910144.11110下图3.3至3.12为前10阶固有频率对应的振型图3.3第一阶模态3.4第二阶模态3.5第三阶模态3.6第四阶模态3.7第五阶模态3.8第六阶模态3.9第七阶模态3.10第八阶模态3.11第九阶模态3.12第十阶模态3.3 分析与结论由结果中的固有频率可知当发生的地震波的频率在17.641，17.897，26.287HZ等时，该钢结构处于最
26、危险的时刻。通过观察比较各阶模态的振型图可以看出3.3第一阶和3.4第二阶振型图的区别在于振动方向分别为X与Y方向，且这两阶的固有频率很接近都在17HZ左右，这是因为X与Y方向的宽度相近。第一阶主振型为X方向是因为X方向相对Y方向刚度小一些。由此我们可以得出结论实际房屋设计时为了考虑防震等因素，X与Y方向的宽度相差不能太大，否则得在刚度小的那侧添加附加支座约束以提升整体的抗震性能。仔细观察前6阶的振型图其实可以发现前五阶各层楼板基本上都没有变形或者变形很小，可以看做是在做平动而已。主要的变形是由各层间的四根柱子的变形引起的。而第7阶到第10阶各楼板的变形相对更加明显，而柱子的变形教小或不明显。
27、犹豫实际地震波的频率一般较低，所以参照该钢结构前几阶的变形可知实际钢结构设计时柱子的刚度应该尽量大一点。4 钢结构模型的瞬态分析4.1 引言本章将对图3.2中的钢结构有限元模型进行瞬态动力响应计算分析，主要内容有：（1）对模型的底座施加地震波载荷，用ANSYS模拟计算地震波载荷下钢结构模型各处的应力与应变，并且找出结构最大位移，最大速度，最大加速度节点的位置，以及所发生的时刻。求出所需节点的时程曲线。（2）对所得结构的最大应力与应变进行分析与讨论4.2 荷载介绍 本论文计算模型所加载荷载为地震波，截取天津波东西向10秒加速度数据从模型底座X方向进行激励。总载荷步数1000，时间步长设置为0.0
28、1s。天津波以一定的格式保存在tianjin.txt文本中，通过命令流的输入来导入天津波，ANSYS有限元程序将天津波的载荷步依次从X方向激励给模型底座。开始求解过程之前，要设置一些求解过程控制。求解过程控制主要包括：设定分析选项，设置求解时间和时间步控制，设置输出类型和时间间隔。输出类型的不同将直接影响后处理的难易程度与便捷性。同时输出间隔的设置也会在一定程度上影响结果的精度。4.3 求时程曲线 在模型顶层楼板随机取一第688节点，分别绘出688节点的Y向位移UY，速度VY，加速度AY的时程曲线图如下：图4.1 节点688UY位移时程曲线图图4.2 节点688VY速度时程曲线图图4.3 节点
29、688AY加速度时程曲线图4.4 瞬态分析最大响应为了找出钢结构模型最大位移，最大速度，最大加速度以及最大主应力发生的位置，首先通过（EXTREM,1,4,1,）命令最大最小响应的临界时间点如下表 表4.1响应项目最小值最小值时间（s）最大值最大值时间（s）688UYY向位移-0.2793E-037.110.4391E-037.57688VYY向速度-0.1155E-017.830.1083E-017.43688AYY向加速度-0.94646.410.96473.43由以上结果可知在7.57s结构有最大位移响应，7.43s有最大速度响应，3.43s有最大加速度响应。分别可得到不同时间点的响应图
30、如下：图3.4.1 7.57s结构形变图 图3.4.2 7.57s结构位移云图图3.4.3 7.57s结构应力云图下表为7.57s结构响应结果 表4.2X向位移UXY向位移UYZ向位移UZ位移U主应力S1最大值0.43916E-070.43910E-03-0.10845E-040.43916E-030.72058E+07所在节点747665333629298图3.5.1 7.43s结构形变图 图3.5.2 7.43s结构速度云图 图3.5.3 7.43s结构应力云图下表为7.43s结构响应结果 表4.3X向速度VXY向速度VYZ向速度VZ速度V主应力S1最大值0.70361E-060.1083
31、E-01-0.26714E-030.10831E-010.16529E+07所在节点747659333629298图3.6.1 3.43s结构形变图 图3.6.2 3.43s结构加速度云图图3.6.3 3.43s结构应力云图下表为3.43s结构响应结果 表4.4X向加速度AXY向加速度AYZ向加速度AZ加速度A主应力S1最大值0.63051E-040.96467-0.23826E-010.964820.14899E+07所在节点7476653336293094.5 结构响应结果 因为本论文主要是研究地震波激励下钢结构的安全性，故不列出最小响应值。对照表4.1至表4.4可得出该钢结构模型在所加载
32、天津波的激励下，7.57秒时在629节点处发生最大位移，其值为0.43916m，；7.43秒时在629号节点处发生最大速度，其值为0.010831m/s；3.43秒在629节点处产生最大加速度，其值为0.96482m/。最大主应力发生在7.57秒在298节点处，其值为7.2058Mpa。5 分析与结论5.1 数据分析通过对上述结果的观察可发现所得出的数据都偏小，例如相对与钢结构模型本身的高度0.5m，最大位移只有0.00044m。为了找出其原因，首先对所加载荷天津波进行分析。用Origin软件绘出天津波的波形图如下对其进行频谱分析后得到天津波的频率分布图如下由图可以看出所施加的天津波荷载的频率
33、主要分布在010Hz，而前面对钢结构模型进行模态分析的到的前10阶固有频率均大于17Hz，这就是为什么在天津波激励下结果的响应结果数据较小的原因，说明该计算结果无误。5.2 结论（1）本章通过ANSYS瞬态分析对钢结构模型进行数值模拟，得出了钢结构房屋在地震波载荷作用下结构的变形规律，即水平地震波激励下结构的形变主要为前几阶振型的参与。当地震波的频率接近于结构的某一阶固有频率时，结构的变形与此阶振型接近。所以进行抗震设计时应充分考虑当地地理情况，避免结构固有频率与灾害地震频率接近。（2）本论文中钢结构在天津波激励下，最大位移，速度与加速度响应均发生在最高层。而最大主应力响应则发生在楼板与立柱的
34、结合处，所以对结构进行强度校核时应该重点考虑此处是否符合要求。（3）由第一阶振型以及瞬态分析最大响应时的形变可知，若结构的X与Y两个方向的宽度相差很大，对结构本身来说很危险。因为此时两个方向的刚度相差太大，当施加地震激励获其他水平荷载时，结构的连接部位很容易产生失衡。参考文献1 马雪晴. 基于随机振动的高层框架结构地震响应分析D. 安徽理工大学硕士学位论文，2012. 242 黄怡, 王原清. 框架- 支撑钢结构抗震性能的有限元分析 J .四川建筑科学研究, 2005 (6) .3-63 李围. ANSYS土木工程应用实例(第二版) M. 北京:中国水利水电出版社, 2007，34（2）：11
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