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神瑛侍者的博客

 
 
 

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【转载】用ANSYS计算一个单自由度非线性结构并与例题对比  

2013-12-06 20:58:33|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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弹塑性单自由度刚架ANSYS分析并与例题比较

      在学习克拉夫的《结构动力学》,为了深入了解其中P86的例题E8-1,也为了搞清楚ANSYS怎么样进行非线性结构的瞬态分析,所以对此例题用ANSYS模拟。单元类型采用COMBIN39和MASS21,前者模拟柱子,后者模拟楼层质量。可以在实常数中直接输入柱子的弹塑性刚度曲线,比较方便。

     

      例题题目摘要:弹塑性单自由度刚架,质量为0.1千磅.秒^2.英寸,阻尼C=0.2,楼层总刚度K=5千磅/英寸频率f=1.1254,阻尼C=0.2,阻尼比=0.2/(2mw)=0.1414.楼层水平位移为1.2英寸时进入理想弹塑性.外荷载为一曲线荷载.见书上.

      以下是命令流:

! NONLINEAR TRANSIENT DYNAMIC ANALYSIS

finish

/clear

/PREP7

/TITLE,frame                  

f=1.1254

ET,1,COMBIN39,1,,2             ! ELEMENT WITH DISPLACEMENT ALONG NODAL y-AXIS

!注意KEYOPT1要取1,确定卸载曲线.

ET,2,MASS21,,,4                ! MASS WITHOUT ROTARY INERTIA

MP,DAMP,1,0.04    !注意,输入的不是阻尼比0.2,而是材料阻尼系数,等于阻尼比/πf,

!π=3.14,f是结构第一振型的频率。

R,1,0.0,0.0,1.2,6,5,6         ! SPRING DATA

R,2,0.1                       ! MASS DATA

N,1

N,2

E,1,2

TYPE,2

REAL,2

E,2

!求解

/sol

D,1,ALL

D,2,ux

d,2,ROTZ !不影响结果

allsel,all

antype,trans

trnopt,full

!alphad,0                           !定义瑞利阻尼

!betad,2*0.1414/(f*2*3.1415926)

outres,all,all

!outres,basic,all     !对结果的正确性影响很大:比如要提取COMBIN39的内力时,basic的话只输入最后一个子步结果。

!如果是outres,basic则程序默认只输出所有结果的最后一个子步,影响更大。

!outres,esol,all   加上这一项就可以等效于 outres,all,all

cnvtol,f,,0.01,2 !定义收敛条件,使用缺省的VALUE,使用力收敛即可,弯矩收敛不知道什么情况下会较大影响结果?

nsubst,10,30,5    !子步定义的影响很大

!nsubst,20

autots,1 !打开自动时间步控制,对计算影响很大,打开后程序将自动选择时间子步数,即使定义了nsubst,10,计算时并不都是10个子步。

ncnv,2 !如果不收敛时结束而不退出

neqit,50 !每一子步中方程的迭代次数限值

pred,on !打开预测器

TIME,0.1             ! Time at the end of 1st transient load step

f,2,fy,5           ! Load values at above time

LSWRITE,1            ! Write load data to load step file

TIME,0.2          

f,2,fy,8         

LSWRITE,2         

TIME,0.3          

f,2,fy,7          

LSWRITE,3         

TIME,0.4          

f,2,fy,5           

LSWRITE,4  

TIME,0.5         

f,2,fy,3          

LSWRITE,5  

TIME,0.6          

f,2,fy,2           

LSWRITE,6

TIME,0.7            

f,2,fy,1           

LSWRITE,7

TIME,0.8           

f,2,fy,0           

LSWRITE,8  

TIME,3     !为了解没有外荷载后的情况,设时间为3,与例题不同.

LSWRITE,9  

LSSOLVE,1,9

/POST26

FILE,'file','rst','.'   

/UI,COLL,1  

NUMVAR,200  

SOLU,191,NCMIT  

STORE,MERGE

FILLDATA,191,,,,1,1

REALVAR,191,191

NSOL,2,2,U,y,Uy_2  

STORE,MERGE

XVAR,1  

PLVAR,2,

EXTREM,2,,1,

ESOL,10,1,,SMIS,1            !弹簧的力。

ESOL,11,1,,NMIS,1            !弹簧的变形stretch。

ESOL,13,1,,NMIS,4            !弹簧的变形Origin shift upon reversed loading。

add,14,11,13,,,,,1,1         !两者相加得到真正的变形。

!以变量14为横坐标,画出变量10,即为弹簧的滞回曲线。

!其实,我不了解ANSYS帮忙中所说的Origin shift upon reversed loading,究竟是什么呢?

!另外,由于本例题弹簧的节点1是固定的,因此,UY_2也是真正的变形.

计算结果比较:节点2的UY曲线与书上的弹塑性反应曲线基本一致,只是峰值有差别,书上最大位移为2.684英寸(时间为0.6秒),ANSYS结果为3.035英寸(时间0.56秒).可能是材料阻尼系数取的有问题,也可能是书上结果不够正确(荷载步较少)

几种情况对比:

1,如果取MP,DAMP,1,0.2 则最大位移为1.232英寸,时间0.44秒   (nsubst,20)   (autots,1)

2,如果取MP,DAMP,1,0.04 则最大位移为2.957英寸,时间0.58秒   (nsubst,20)   (autots,1)

3,如果取nsubst,30 则最大位移为3.038英寸,时间0.55秒   (MP,DAMP,1,0.04)   (autots,1)

4,如果取nsubst,30并且autots,0 则最大位移为3.018英寸,时间0.56秒   (MP,DAMP,1,0.04)  

5,如果取nsubst,10并且autots,0 则最大位移为3.055英寸,时间0.57秒   (MP,DAMP,1,0.04)

   对比UY曲线可以发现,子步数的影响很大,对弹性阶段影响不大,弹塑性阶段影响大。

6,如果取nsubst,10,30,5并且autots,1 则最大位移为3.035英寸,时间0.56秒   (MP,DAMP,1,0.04)

   可见,运用自动时间步,并且定义最小和最大子步数,可以发现UY曲线全程都和情况4差不多

7,去掉材料阻尼设置MP,DAMP,1,0.04改用alphad,0和betad,2*0.1414/(f*2*3.1415926)定义瑞利阻尼,其它条件同6,发现计算结果与6一模一样.

8,如果同时设置材料阻尼和瑞利阻尼,其它条件同6,则最大位移为2.235,时间0.51秒

  

   

结论:

1,在模型正确的前提下,阻尼设置对动力分析影响很大.并且,(mp,damp)设置了材料阻尼系数后,可以不设置ALPHAD和BETAD瑞利阻尼,两者是等效的,如果两者同时设置反而会计算错误.

       问题是对于多自由度问题,对于复杂的时程分析如地震波,取第几阶频率计算这些参数?难道都取第一阶?如果不是,那就麻烦了

    

2,打开自动时间步后,最好设置子步数为一个范围,比如nsubst,10,30,5那么每个荷载步的第一个子步的大小就是取1/10的荷载步总长,只是不知道后来的时间步长程序按什么调整?

3,对于瞬态分析,程序按默认只输出每个荷载步的最后结果,这对非线性问题影响很大.因此注意根据需要进行调整.

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