ANSYS中索计算的一些整理

ANSYS中索计算的一些整理

一、索结构分析

索分为三种力学状态：无应力状态，初始状态和工作状态。无应力状态是指加工放样状态，该状态中索为原长，且索中无应力，不承受任何荷载。初始状态是指仅承受自重或预应力作用下的自平衡状态，不考虑外部荷载的作用，该状态提供了分析结构在外部荷载作用下的所有初始条件，如几何结构和预应力等。工作状态是指在外部荷载作用下所达到的平衡状态。

相应的索结构也对应三种力学状态：无应力状态，初始状态和工作状态。索结构的设计分析开始的工作就是找到合适的初始状态，即找形工作。

结构的找形是和找力对应的，因为在特定的荷载（初始状态下仅自重，无外荷载）下，结构的形状和内力是对应的。

如果形状确定，求解结构中的预应力，就是找力；如果知道结构中的预应力水平，求解结构的形状，就是找形。

通常找形找力是同时进行的，目的是找到一个合适的预应力水平和合适的建筑外观。

二、建模

1、几何模型

简单的几何模型可以在ansys中直接建立，可以通过定义关键点，线来建立模型。这个部分，可以参考各种ansys的教学用书，里面有比较详细的叙述。

复杂的结构，可以通过别的软件生成，再导入ansys中。例如mst软件中可以方便的生成各种规格的网架、网壳模型，然后通过导出接口文件导入ansys中。

索通常选用Link10单元，并通过KEYOPT设置为仅受拉单元，以模拟索只能受拉的特性。Link10单元为直线单元，只能承受节点力，当索中内力较大时，索可以简化为直线计算，但当索中内力较小时，索其实不是直线，此时可以通过划分更密的单元获得更高的精度，通过设置实常数可以设置索的初始内力以及索的截面面积。

AREA：索的截面面积

ISTRAN:初始应变，基于无应力时的索长和当前索长计算。索的初始应变值可以通过以下公式确定：ε=F/(EA)，其中F为初始内力值，E为索的弹性模量，A为索的截面面积。（注意：索结构通常都是预应力结构，在建模时要注意模型中是否含有预应力，若有预应力，需要导入预应力计算。预应力要和当前模型的几何、荷载相吻合）。

2、材料

一般不考虑材料非线性，假设索为弹性材料，需要输入下列数值：（注意单位的统一性）。

如果需要程序计算自重，还需输入密度（DENS）和加速度值（ACEL）。加速度值注意方向，因为ansys计算时是采用惯性力，因此加速度方向应取和重力相反方向。

三、静力计算

索结构的静力计算通常需要考虑几何非线性，因此求解器中需要打开大变形开关，（NLGEOM,ON），它会自动激活应力刚化开关（SSTIF,ON）。

下面是一个典型的几何非线性静力计算的命令流：

!几何大变形静力分析

/SOLU

ANTYPE,STATIC

NLGEOM,ON !打开大变形

outres,all,all !输出所有结果

solve !计算

save !保存

finish !退出SOLU

四、特征值屈曲计算

特征值屈曲计算需要先进行一次线性静力计算，得到初始单元刚度矩阵，此时应关闭大变形（NLGEOM,OFF），打开预应力开关（PSTRES,ON），如图所示，线性静力计算完后，再进行特征值屈曲分析。

单元网格密度对屈曲荷载系数影响很大，要注意单元网格密度是否合适。特征值屈曲计算为弹性稳定计算，得到的特征值是屈曲荷载系数，屈曲荷载等于该系数乘以所施加的荷载。

下面为一特征值屈曲计算的典型命令流：

!静力分析

/SOLU

ANTYPE,STATIC

NLGEOM,OFF !关闭大变形

PSTRES,ON !打开预应力

outres,all,all !输出所有结果

solve !计算

save !保存

finish !退出SOLU

!特征值屈曲

/solu

antype,buckle !选择分析类型

bucopt,lanb,15! 选择计算方法和提取模态

mxpand,15, ! 提出模态

outres,all,all !输出所有结果

outpr,all,all !

solve

FINISH

五、非线性屈曲计算

非线性屈曲计算是全过程分析中的部分结果。步骤如下：

首先要放大荷载，荷载放大倍数可以根据特征值屈曲荷载系数来估计，一般非线性屈曲荷载系数要小于特征值屈曲荷载系数，但也不排除有些结构中反而是非线性屈曲荷载系数更大。

放大荷载后，进行几何非线性静力计算。计算结束后可以通过查看荷载位移曲线寻找非线性屈曲点。

非线性屈曲计算有很多方法，一般选用默认的牛顿法即可，但有时牛顿法收敛不佳，可采用弧长法。

一般结构计算非线性屈曲，还需引入初始几何缺陷，一般选用特征值屈曲的第一阶模态作为初始缺陷的形状，1/300跨度作为初始缺陷最大值。

下面是一个典型的命令流。

!施加缺陷

/PREP7

UPGEOM,0.33,1,1,'name','rst',' '

!放大静力

/solu

DOFSEL,S,FZ

FSCALE,10, !放大10倍

DOFSEL,ALL

!非线性分析

/solu

ANTYPE,0

NLGEOM,1 !打开大变形

NROPT,FULL, ,ON 牛顿法全过程

NCNV,1,1e20,0,0,0 !收敛准则

NSUBST,500,0,0 !时间步

OUTRES,ERASE !清理以前结果

OUTRES,BASI,ALL !输出所有步骤的基本结果AUTOTS,1!打开自动时间步

solve

finish