ANSYS软件在中国土木工程领域的应用前景展望

2010-09-07青岛理工大学

中国建设信息化 2010年10期

关键词：抗震有限元软件

◎ 青岛理工大学门楷

深圳市建筑科学研究院丘国雄

深圳市大工业区开发管理集团有限公司俞斌

一、前言

工程设计是工程建设的灵魂，设计需要依据有关规范进行，也需要集成了计算力学的结构分析软件的帮助。在当今CAD、CAM、CAE技术迅速发展的今天，功能强大的有限元分析软件，已成为结构设计人员必不可少的工具和手段。

我国现有的工程建设设计企业有1.2万家，施工企业6万多家，每年完成约1.5万多亿元的工程量。这些设计和施工企业要用有关软件完成任务。我国有1500多所高校，这些高校设有土木工程、水利、道桥、岩土工程等专业。这些专业有硕士生、博士生，要用有关软件完成科研和学习任务。我国还有如中国建研院、水科院、铁道研究院和各种研究所等研究机构，这些研究机构也需要有关软件。

绝大多数工程结构的分析用解析法难以完成，工程实践验证，数值分析方法中的有限元法是最为有效、最为优越的方法，因此有限元分析软件就成为上述工程设计企业、高校、科研院所必不可少的工具。

我国的有限元分析软件数量很少，功能有限，而且价格昂贵[1]。国际上著名的有限元分析软件中，经过工程实践的检验，ANSYS软件是最优秀的软件之一。

本文论述了ANSYS软件的特色，概括了其在中国土木工程领域的应用情况；并依此对ANSYS软件与中国规范的结合、与国内外相关软件的连接和在工程结构地震反应分析中前瞻性的应用等方面的前景进行了展望。

二、回顾

2.1 ANSYS软件的主要特色[2]

1.ANSYS软件在性能价格比、数据与图形交换性、单元库、材料库、求解器库等方面与世界其它大型有限元分析软件相比，都是最优越的。

ANSYS的价格略高于ALGOR、COSMOS/M等软件；数据与图形交换性方面优于ALGOR、COSMOS/M等软件；在18个单元库中，ALGOR、COSMOS/M缺少接触单元、奇异单元和摩擦单元；在八个材料库中，ALGOR缺少粘弹性材料，COSMOS/M缺少混凝土材料；在15个求解器中，ANSYS缺少管道分析和刚体动力学分析，ALGOR缺少断裂分析和疲劳分析，COSMOS/M缺少断裂分析、疲劳分析、随机振动分析和刚体动力学分析。

2.能求解1.11亿自由度的结构分析模型。中国国家大剧院的静力分析只有10万个自由度，可见ANSYS计算能力的强大。这就能够模拟巨型复杂结构进行各种结构的分析，能够实施很复杂结构的仿真技术。

3.在重庆维普期刊类数据库中，以关键词搜索，自1989年以来，关于ANSYS的论文有1813篇，其中在工程结构的计算分析方面占相当大的比例。MIDAS/GEN的有122篇，ALGOR的有26篇，ETABS的有10篇，SAP2000的有19篇，STAAD的有4篇，SAP84的有6篇，SATWE的有39篇。在清华同方数据库中，其论文数分别为668，32，6，4，4，2，2，13。可见，软件ANSYS已被广泛应用，已受到工程界、学术界的认定和青睐。

4.ANSYS7.0文件的大小，文件的个数，文件夹的数目分别为479M，4408个，129个；MIDAS/GEN分别为245M，311个，10个；STAAD-CHINA分别为258M，1个，PKPMCAD分别为239M，236个，13个。可见ANSYS文件之大，文件和文件夹的数目之多。

5.ANSYS应用于结构分析、电磁场分析和流体动力学分析等领域，形成了MCAE、CFD、CEM等三个体系，其精髓是“多物理场耦合分析”和“协同仿真环境”

6.ANSYS广泛应用于航空航天、汽车、造船、铁道、电子、机械制造、地矿、水利、核能、石化、生物、医学、土木工程、轻工和一般工业等行业。广泛应用于设计、科研和高校等部门。

7.ANSYS在土木工程行业的应用已扩展到各种结构构件承载力、静、动力特性等的分析，各种建筑结构——高层建筑、厂房结构、空间结构、构筑物等结构的静、动力分析，大坝等水利工程、桥梁、地下结构等结构的静、动力分析，场地土的地震反应分析，工程结构的可靠度分析，工程结构的优化设计分析等。

8.二次开发的工作已经展开。ANSYS有很好的二次开发工具，如MACRO、UILD、UPFS和APDL等。上海现代建筑集团有限公司等设计企业，大连理工大学、清华大学等高校，许多设计、高校、科研等单位在应用ANSYS时都进行了二次开发的工作。

2.2 中国结构设计规范对结构分析的主要要求和软件的应用

中国结构设计规范对结构分析均有着明确的要求。建筑抗震设计规范GBJ50011—2002[3]等规范给出了具体的弹塑性层间位移角限值，也规定了在罕遇地震作用时“应”和“宜”进行弹塑性变形验算的结构范围和弹塑性变形计算的方法，同时指出，计算模型的建立应符合结构的实际工作状况，计算软件的技术条件应符合有关标准的规定，复杂结构应采用不少于两个不同的力学模型等。

结构的弹性分析采用T A T、SATWE、SAP84和ETABS、SAP2000、SATWE、MIDAS/GEN、STAADCHINA等软件，一般建筑结构可以满足要求[4]。如上海环球金融中心，设计单位用软件ETABS、SATWE进行弹性计算。超高限建筑审查用ETABS、SAP2000、SATWE、和MIDAS/GEN计算。但均未给出弹塑性层间位移角的数值和薄弱层的计算结果。

弹性结构的地震作用和作用效应的计算，最一般的情况是在双向地震作用下双向偏心结构的扭转耦联计算（CQC法），同时考虑楼板变形的影响及剪力墙结构为板壳模型，还考虑角柱、铰接柱、不调幅梁、连梁、饺接梁等特殊构件以及考虑多塔、错层、转换层结构；材料可以是钢及型钢混凝土、钢管混凝土等。SATWE，SAP84和STAADⅢ，SAP2000 、ANSYS等软件可以满足要求，其中ANSYS功能最为强大。

弹塑性分析采用EPDA、NTAMS、HBFA(清华大学)和CANNY99（新加坡），ANSYS等软件[4]，其中ANSYS功能最为强大。

2.3 扩展性的应用已很普遍

在土木工程的各个行业、各种结构和各种课题中，ANSYS都已得到广泛的应用，下面举例说明。

1.各种结构构件的承载力、静、动力分析

高轴压比高强混凝土框架柱单调荷载-位移关系曲线的分析[5]。混凝土采用SOLID65实体单元，钢筋采用LINK8空间杆单元，钢筋与混凝土的粘结采用线性弹簧单元COMBIN14。经过分析，明确了轴压比、箍筋形式、混凝土强度及截面形式等因素对轴压比限值的影响，从而确定出各种情况下，柱的轴压比限值。

洪家渡水电站厂房矩形钢管混凝土叠合柱的抗震分析；爆炸荷载作用下箱形钢板-钢筋混凝土组合梁的数值分析；钢-混凝土组合梁的变形及滑移有限元分析；部分剪力连接钢-混凝土组合梁的非线性有限元分析及方钢管混凝土框架梁柱节点的抗震分析等结构构件的分析，都取得了很好的效果。

2.高层建筑的结构分析

上海21世纪中心大厦，采用ANSYS进行了静、动力整体分析[6]。该工程是ANSYS应用于国内高层建筑结构分析较早的工程。它将ETABS建立的模型数据，通过ANSYS-ETABS转换程序转换为ANSYS计算用的数据。并且对该工程的转换层结构用ANSYS进行了更为精确的分析。大连国际贸易中心大厦用ANSYS进行了Push-over分析，但未见分析结果。

3.大跨空间结构的分析

中国国家大剧院采用ANSYS进行了竖向荷载下的静力分析[7]、自振特性分析和超级椭球顶的稳定性分析。其它如郑州国际会展中心展厅的钢屋盖的动力特性分析[8]，索膜结构的ANSYS分析；板壳结构的有限元解法；平板型网架结构固有振动的A NS YS分析等，都采用了ANSYS软件。

4.厂房结构的分析

用ANSYS对某水电站厂房坝段进行抗震分析-谐响应分析、模态计算和反应谱分析，并进行了地震时厂房结构与机组振动的共振校核[9]。还有厂房框架模型空间作用的ANSYS建模分析[10]，采用SOLID45单元组建三维实体模型，进行3D仿真分析，分析得到的厂房框架的空间作用特性与模型试验的结果基本一致。

5.构筑物的结构分析

河南省大召营高型变电构架的动力特性分析[11]。变电站属于抗震设防的生命线工程。分析变电构架的动力特性对于变电站的抗震设防至关重要。用ANSYS对大召营高型变电构架的动力特性进行分析，构架的钢柱采用三维管单元PIPE16，格架式钢梁采用三维梁单元BEAM4，RC构架梁和支撑构件采用三维空间梁单元BEAM44，钢筋拉杆采用拉索单元LINK10，采用子空间迭代法进行结构的模态分析，基本明确了构架的动力特性-自振频率和振型特征。

6.隔震和消能减震结构的分析

隔震和消能减震结构的地震反应分析，一般采用弹塑性时程分析方法。有关的计算参数应符合隔震和消能设施的实际力学性能。

用ANSYS对广州潮汕星河大厦消能减震结构进行有限元时程分析[12]。该工程为25层，框-筒结构。梁、柱均采用三维空间梁单元BEAM188；剪力墙和楼板采用三维板壳单元SHELL63。阻尼器用阻尼单元模拟，其刚度和阻尼由试验确定。分析结果，最大层间位移为1/160，满足规范要求的1/100。该工程是用ANSYS对高层建筑结构进行弹塑性时程分析的典型实例。其它如橡胶垫隔震支座的弹塑性分析；多层框架基础隔震体系非线性地震反应分析及隔震橡胶防护挡块的非线性有限元分析等，均采用ANSYS软件。

7.桥梁结构分析

用ANSYS分析各种类型的桥梁结构，其实例是很多的。应该说，用ANSYS分析桥梁结构已得到很广泛的应用。

●黄河下游特大型公路斜拉桥用ANSYS进行全桥仿真分析，明确了该桥的动力特性和抗震性能。

●重庆奉节长江公路大桥-双塔双索面予应力混凝土斜拉桥的地震反应分析[13]。该桥全长893m，主跨长460m，主梁采用予应力混凝土梁板式结构。梁宽20.5m，用ANSYS对该桥进行了大桥结构的动力特性和三维地震动作用下的弹性时程分析，分析结果，得到了弹性结构的地震位移和内力的反应。

●广州大桥主桥的三维空间实体有限元静力分析。箱梁非线性3-D实体单元采用S O L I D 4 5，横隔板采用SHELL63单元，主桥支座采用链杆约束。整体仿真分析模型的单元总数控制在5.0万个以内。静力分析与静载试验结果对比，挠度和应变等数据比较一致。

大桥还用ANSYS进行了三维空间实体有限元动力分析，主梁和桥墩均采用三维的梁单元BEAM188。经过分析，明确了大桥结构的自振频率和振型，并与实测结果进行了对比。

●广东崖门大跨度斜拉桥风致抖振的时域分析，考虑了几何非线性、材料非线性和气动力非线性等各种频域法所不能考虑的因素，采用ANSYS分析，得到桥梁主梁在风载作用下的位移响应时程，分析结果与试验结果几乎完全一致。该项分析对桥梁结构的抗风设计很有意义。

用ANSYS进行分析的还有湖南茅草街大桥主桥的地震反应、攀枝花陶家度金沙江大桥的稳定性、上海赵家沟双提篮系杆拱桥的锚下局部应力、某上承式钢管混凝土拱桥的动力特性、某原油码头大跨度钢引桥的力学性能等。

ANSYS在桥梁结构分析中应用的一个显著的特点是二次开发。使用二次开发的工具，对ANSYS软件不具备而桥梁设计所需要的功能进行开发。如活载加载、予加应力混凝土结构-混凝土的徐变收缩、混凝土的弹性模量、钢绞线的松弛、予加应力束的生成等。又如应用二次开发工具-UILD、TCL/TK，经过二次开发，用ANSYS对连续刚构桥的建模。再如，经过二次开发，对斜拉桥进行非线性分析，考虑斜拉桥非线性分析的主要影响因素-垂度效应、大变形效应和弯矩与轴力的组合效应等。

8.大坝结构分析

●云南澜沧江漫湾电站坝体应力场的有限元分析，坝体为混凝土重力坝。按平面变形模型分析，坝基高度约为坝体高度，坝基长度为坝体宽度的5倍。依据坝体原型观测实测点的应力-应变关系，采用ANSYS软件，在自重、水压力作用下，对坝体应力场作有限元分析。分析结果表明，坝体发生变形最大的部位在坝顶，应力、应变最大的部位在坝趾和坝踵，应力集中现象十分突出。

●福建某拱坝体型的优化设计分析，坝高90m,坝体水平拱圈曲线为抛物线，用ANSYS软件的APDL优化设计方法，以坝体体积最小为目标函数，以坝体的拉压应力水平为控制条件。经过优化分析，得到拱冠梁沿拱高度的厚度和抛物线的曲率半径。最优设计时的坝体压应力已达到最大允许值，优化结果比较满意。

●辽宁沙牌拱坝的地震动应力分析。拱坝为碾压混凝土坝，按振型分解反应谱法，用ANSYS软件，以三维地震动输入，对拱坝进行弹性地震反应分析，计算结果准确、合理。

●新疆福海县喀拉塑克水库碾压混凝土重力坝的非线性有限元静、动力分析，坝高122.5 m，坝顶宽10.0 m，坝顶总长620.0 m，其基本剖面为三角形。分析时坝基高度和上下游方向宽度均取坝高的两倍，为平面变形模型。静力分析采用线弹性和理想弹塑性材料模拟。动力分析采用振型分解反应谱法。

用ANSYS对大坝结构进行分析的实例还有很多，如张家界宝峰湖拱坝的有限元分析等。

在结构温度应力、施工模拟等方面也有很多用ANSYS分析的工程实例。

三、前景展望

对ANSYS软件在与中国规范的结合、与国内外相关软件的连接和工程结构地震反应的弹塑性时程分析的应用及前瞻性的应用等方面的前景，进行展望。

3.1 进一步与中国的结构设计规范结合

目前，金土木对ETABS、SAP2000的汉化和与中国规范的结合较好，ATAAD/CHINA也有美国规范版和中国规范版。ANSYS在中国设计单位的应用，需要在荷载组合、截面设计等方面按中国规范计算。

3.2 进一步与有关软件连接

有些结构分析的模块有其特色，如混凝土异形柱的截面计算，天津大学有着深入的试验研究并且编有程序CSRC，目前异形柱的内力计算用SATWE，截面计算用CSRC，二者接力计算较好。也可用ANSYS进行内力和位移计算，截面计算用CSRC。又如ETABS、STAAD/CHINA、MIDAS/GEN等软件，有些用户使用较早，用这些软件建模后，也可与ANSYS软件连接，用两个以上的软件进行结构的分析对比，使结构设计工程师更能把握和使用结构分析的结果。

3.3 结构地震反应的弹塑性时程分析仍为重点。

中国是一个多地震的国家。工程结构的抗震设计关系着工程结构安全与经济的重大问题。地震区的各种工程结构需进行抗震设计，它是一个涉及面很广的问题。中国规范的抗震设防思路是“三水准地震，二阶段设计”，就是“小震不坏，大震不倒”，重点是保证大震不倒。因此，工程结构地震时的弹塑性分析，就显得十分必要和重要。目前工程界对Push-over方法很是青睐；但我们认为Push-over分析法毕竟是单调加载，它与地震时结构的反应尚有很大的区别；它难以反映强震时结构的地震破坏规律。因此，罕遇地震下结构地震弹塑性反应的时程分析方法是结构抗震分析的基本方法。能否实现这个方法，取决于有关软件的功能。ANSYS软件能够完善地完成这种分析。并且能创造性地完成各种结构（如核电站）地震反应的弹塑性时程分析。

结构地震反应的弹塑性时程分析方法的关键是采用符合结构构件或单元结构（层结构）实际的地震破坏机理的恢复力特性模型。一般成熟的在工程实践中证明有效的恢复力特性模型，国内外已有很多。对于特殊的结构构件或单元结构（如混凝土异形柱、短肢剪力墙、型钢混凝土剪力墙等组合构件、特殊的结构连接节点、隔震橡胶垫等）的恢复力特性模型需要通过试验获得。以ANSYS的强大功能，可以代替费用昂贵的试验，经过仿真分析获得往复荷载下构件的滞回曲线和恢复力特性模型。这是ANSYS软件一个优越性。

专家学者曾经指出，抗震设计可按“三水准地震，三阶段设计”，更能保证工程结构的抗震性能[4]。其目的是分析抗震结构在三水准地震时，既能检验小震不坏，中震可修和大震不倒，又能控制结构出现必要的耗能机制，保证抗震结构的延性性能，对此ANSYS软件也是能够实施的。不过中间多了一个中震时结构的抗震分析。

3.4 结构分析中疑难问题的解决

岩土工程、地下结构，耦合结构，风工程等的分析比较复杂，分析中存在的难度较大，期望得到ANSYS的进一步解决。

3.4.1 岩土工程的分析

1.地基沉降的计算

中国规范规定的地基变形计算方法是按土体为线弹性理论用压缩模量计算。这个方法计算的地基变形与载荷试验的地基变形存在着几倍的误差和剪力型错误，长安大学焦五一创建的弦线模量法计算软土地基和黄土地基的湿陷变形与实测值很接近，用该方法计算分析了加拿大特朗斯康谷仓倾斜的情况和比萨斜塔的倾斜及提出的反压治理方案，验证了弦线模量法的准确性。

岩土工程界认为，由于土的本构模型中的有关土性参数与实际存在差异，几百个土的本构模型在土工分析中难以应用。因此土工分析的计算机方法还存在很多难题，有待相关软件的研发[14]。

2.场地地震反应的分析

场地地震反应分析是一个复杂的土动力学问题，运用ANSYS的二次开发工具APDL，引入多次透射边界，进行场地地震反应的分析，可以较为准确的模拟场地的无限性[15]。

3.土与结构的动力相互作用分析

考虑土-结构相互作用的高层建筑抗震分析[16]。结构为12层RC框架,箱形基础和桩筏基础两个方案,计算区域和人工边界的施加,分为4种情况：10倍横向结构（自由边界），10倍横向结构(粘-弹性边界)，10倍横向结构（粘性边界），30倍横向结构(自由边界)。纵向取5倍纵向结构尺寸,边界为自由边界。土体动力本构模型采用等效线性模型中的Davidenkov模型的土骨架曲线，在三维波的传播问题中，边界面上要施加3个方向的边界元件,边界的法线方向需施加阻尼器,切线方向施加并联的阻尼器和线性弹簧。考虑了0.1G、0.5G、1G、2G和5G等五个动剪切模量。考虑不同基础深度3.5m、6m、8m、12.8m和不同基础形式及上部结构刚度等五个方面对体系地震反应的影响。分析结果表明，粘-弹性人工边界可较好的模拟无限域土体。软土对地震起隔震作用,硬土对地震起放大作用,随着上部结构刚度的增加,上部结构的位移反应和加速度反应基本上呈增加趋势.

文献[17]指出了ANSYS软件在土-结构动力相互作用中的接触单元只反映了接触单元的力和位移的关系，而未考虑基础单元实际存在的能量损耗。文献对工程研究中常用的Goodman 接触单元增加了阻尼矩阵，以考虑接触单元的能量损耗，并分析了四层RC框架结构与桩-土共同作用的地震反应分析。分析结果得到框架顶层在不同地震动0.15g，0.12g，0.3g工况下，接触单元有阻尼和无阻尼时的弯矩、剪力和水平位移等。分析只按平面框架模型，并只限于弹性结构。文献指出对于复杂结构的土-基础-结构动力相互作用问题的分析还有赖于土-基础界面性状的实验研究和寻求合适的土-基础界面的动力本构模型。

用ANSYS分析这类结构的工程实例也很多。可以看出，土-基础-结构动力相互作用的分析，其关键在于土性参数的取用要有充分的依据。压水堆的分析模型如图1；桩-土-结构相互作用体系的简化模型如图2。

3.4.2 地下结构的分析

用ANSYS分析地下结构的工程实例也很多。

●北京地铁天安门西站至复兴门站区间隧道的地震反应分析[18]。有限元计算的横向范围取地下结构直径的5～6倍，本模型横向宽度取140m，底板距基岩40m，埋深40m，隧道尺寸为宽25m，高8m。用ANSYS的接触单元实现接触分析，地震波的输入，一是用FLUSH程序将地面加速度时程曲线反演到基岩，二是人工边界选取精确边界还是局部边界？前者虽然精确，但运算量大，成本高，后者有良好的实用性，且能满足一般工程的精度要求，经过分析，自由场的周期为1.475S，存在结构时的周期为1.3154S，算出了结构各部位的地震位移和应力反应。

●地下埋管的静力分析，用ANSYS计算地下埋管的应力，按平面变形模型。土体宽度取7D（管孔外径），高度取4D+H（H为填土厚度）。土体按照弹性介质考虑。管壁环向应力，用ANSYS计算结果比按结构力学方法和边界单元法计算的略大。

●宜万线某三线车站隧道，采用荷载结构模式用ANSYS计算两次衬砌内力。二次衬砌用BEAM3单元，二次衬砌与初衬之间的相互作用，用LINK10单元模拟，按平面变形模型，计算出二次衬砌的轴力和弯矩。

图1 压水堆结构的分析模型

图2 桩-土-结构相互作用体系的简化模型

●某地铁车站的地震响应有限元分析。车站为三层框架，影响地铁车站地震反应的主要因素是衬砌厚度和埋深。结构左右对称，计算模型取结构的一半。结构埋深为20m，下底板到边界取20m，右边墙到边界取70m，右边界采用人工边界。文献指出，三维模拟与地震波的非稳态输入将是今后地下结构分析研究的方向。

●湖北宜昌市宜都县殷家隧道施工过程的有限元分析。隧道为双联拱隧道，高5m，宽9.75m，按平面变形模型，用ANSYS5.7对施工过程进行有限元分析，围岩计算范围为上复岩层厚60m，底部取3.5倍隧道高度，水平宽度取隧道开挖宽度的7倍（约70m）,围岩及隧道衬砌结构均采用PLANE42单元，共划分为2059个单元。围岩土体材料的本构方程采用Druker—prager弹塑性本构模型分析结果。得到地表沉降、拱项位移、衬砌应力分布。分析结果与实测结果有一定差距，这也显示了地下结构分析问题的复杂性和不确定性因素。

●隧道地层变位的可靠性分析。影响地层变位的主要因素是衬砌和围岩材料的力学指标。在可靠性分析中，作用效应组合与抗力均为随机变量。利用ANSYS内置的蒙特卡洛模拟法模拟出地层变位的统计特性，以计算结构的可靠度或可靠指标。计算模型为二维平面模型，取隧道的一半，计算范围为上复岩土16.0m，隧道底岩层取洞径的3倍，水平方向一侧宽度取洞径宽度的6倍。围岩材料的本构模型取Drucker—prager模型。隧道衬砌结构及围岩采用PLANE42单元，用ANSYS分析隧道在开挖过程中发生的非线性变形特性，地表下挖控制在30mm以内。分析结果，搞清了隧道地层变位的可靠性。

●水工钢筋混凝土隧洞的ANSYS有限元分析。建立钢筋混凝土隧洞的分析模型，衬砌结构的混凝土用solid65单元，钢筋敷设于洞壁内部1/3厚度的混凝土单元内。考虑钢筋与混凝土间无相对滑移。围岩取6倍的洞径作为计算范围，围岩分为开裂区（与衬砌相连）与完整区，开裂区采用solid65单元，完整区采用solid73单元，6倍洞径外岩石作为计算模型的弹性支撑-弹性连杆，采取Combin14弹簧单元。分析结果验算了衬砌结构中钢筋的实际应力小于钢筋的允许限裂应力。钢筋混凝土隧洞中混凝土开裂宽度小于限裂宽度（0.2mm）。

3.4.3 耦合作用的分析

高层建筑的幕墙结构是连接于高层建筑主体结构上，地震时主体结构发生振动，幕墙结构随着主体结构的震动而震动；火力发电厂，焦化厂的高耸烟囱，其内衬挂在烟囱上，烟囱筒体与内衬会发生耦合振动；储油罐体与油体在地震时，也会产生耦合振动。关于耦合作用的分析，由于其体系的复杂性，分析方法的不尽完善，分析软件的功能有限，过去耦合振动的分析很少。由于ANSYS的功能强大，使得这种分析成为可能。

卧式圆形储油罐液固耦合模态分析，用ANSYS软件分析储油罐组成的液固系统的自振频率和振型，罐体采用Shell63单元，油体采用Fluid30单元，在不同油体高度时，分析得到液固系统的自振频率和振型。分析结果表明，油罐的自振特性必须考虑油体的影响。用ANSYS软件分析的结果，与耦合法和平均密度法的求解结果，差距甚大。

3.4.4 高耸结构的风振分析

在《横风向旋涡脱落的共振分析及在工程上的应用》[19]一文中，考虑横风向风振的频率与高耸结构在横风向的某阶自振频率相接近时，结构会发生共振，可能导致结构破坏。用ANSYS对结构的自振特性和风振的特性进行分析，检验是否会发生共振现象，使得高耸结构的抗风设计做到经济合理，确保质量。

3.5 前瞻性的工作

3.5.1 结构的抗震可靠度分析

目前我国工程结构设计的可靠度在结构体系、地下结构、结构抗震可靠度等方面尚属空白。未来的结构抗震设计规范应以基于功能的抗震设计思想为基础,所以结构可靠度的分析将成为未来结构抗震设计规范的基础与前提。

文献《基于ANSYS软件的大型复杂结构可靠度分析》[20]以北良港大型国家储备粮库钢筋混凝土筒仓的加固方案为例，在对一次二阶矩法和两点自适应法拟合极限状态曲面进行改进的基础上，对ANSYS软件进行二次开发，对RC筒仓顶盖结构加固方案和粮仓仓壁的可靠度进行分析，这个分析是复杂结构抗震可靠度分析一个典型范例，它对工程结构按基于功能的抗震设计树立了一个榜样。对我国工程结构设计的可靠度问题的研究意义重大。可以设想，我国的重大工程项目都能像北良港RC筒仓这样进行抗震可靠度的分析，以明确这些重大工程项目的抗震可靠度，其意义将十分重大，这种分析也表明A N S Y S软件的强大功能和巨大潜力。结构可靠度分析的实例还有隧道地层变位的可靠性分析、房屋结构的抗震可靠性分析等。

3.5.2 优化设计

目前我国的工程结构设计是根据结构方案进行结构的承载力和变形验算，而不是优化设计，设计单位也不具备结构优化设计的有关软件。

ANSYS具有强大的优化设计功能，它有一个优化工具箱。可以对各种工程结构进行优化设计，其基本原理看来也不很复杂，在确定优化设计中的有关参数——目标函数（如材料用量最少）设计变量（结构的几何、材料、荷载等有关输入变量），状态变量（结构的应力、变形等）等后，优化设计的过程实际上是一个修改设计变量，满足控制条件（承载力要求，变形要求等）最后达到最优的目标函数的过程。近年来，应用ANSYS进行各种结构优化的工程实例和有关优化设计方法的论文是很多的，它包括高层结构、空间网架、各种建筑结构、桥梁等工程结构。

3.5.3 技术创新

工程设计行业的技术创新可能包括协同设计技术、虚拟现实技术和新一代CAD技术。对于工程结构设计而言，在集成设计和数据集成、转换和共享、三维CAD仿真分析技术（三维实体模型）、二次开发、CAD、CAM、CAE的集成化、智能C A D及标准化等方面，ANSYS已经开展了一些工作，今后可进一步开展更多的工作，走在工程结构设计技术创新的前列。