基于ANSYS软件的梁系结构有限元分析

1.2,李广博 3.黄飞驰

1.吉林建筑大学土木工程学院 2.吉林省结构与抗震科技创新中心 3.吉林建筑大学工程力学系

基于ANSYS软件的梁系结构有限元分析

1.2,李广博 3.黄飞驰

1.吉林建筑大学土木工程学院 2.吉林省结构与抗震科技创新中心 3.吉林建筑大学工程力学系

随着建筑工艺的日益发展，具有结构布置灵活，应用范围广泛等优点的梁系结构愈来愈普遍的应用于各类建筑当中。本文利用Ansys软件进行建模，对具体梁系结构进行了静力分析和模态分析，计算了结构模态的振型、频率等。

梁系结构；ANSYS；静力分析；模态分析

图1 结构模型示意图

图2 位移图

图3 应力图

图4 第一阶振型

图5 第二阶振型图

图6 第三阶振型图

1 概述

随着科技的发展，梁系结构的形式日新月异，应用范围日益扩大，其重要性日益凸显。本文介绍了APDL语言，静力分析和模态分析[1]的相关理论和知识，以及对梁系结构进行有限元分析，通过ANSYS软件建立有限元模型，并对其进行静力分析和模态分析。

2 APDL语言简介

APDL语言是ANSYS提供的用于实现参数化有限元分析的设计语言[2]。用户通过使用它，可以按实际要求，自行编写程序，实现参数化建模。

3 梁系结构的有限元分析

3.1 问题描述

本文就梁系结构的工作特性进行计算分析。具体模型为某空间桁架结构，主要对应使用阶段所承受的外荷载进行内力分析和位移计算，校核梁系结构承载后的稳定性。空间桁架结构模型如图1所示。

3.2 建立有限元模型

(1)梁截面文件的创立

在ANSYS软件标准梁截面库中没有本结构截面类型，因此在正式建模前需要使用自定义截面功能建立该截面文件，以供后续建模采用之。

(2)参数化建模

在参数设定中定义单元类型，实常数和材料参数。

在实体建模中，充分利用循环语句和镜像功能，可以高效的形成整体空间桁架结构。

3.3 静力分析

对结构进行静力分析，可以得出弯矩、轴力的极大值和极小值，以及结构变形最大处，便于对结构进行优化。

按结构实际承载情况加载并求解，得到的位移图和应力图分别如图2和图3所示。

3.4 模态分析

结构动力学分析中的模态分析通常用于确定结构的振动特性，同时也是高级动力分析的基础。

无阻尼线性结构自由振动控制方程：

假设结构的运动为简谐振动：

代入结构位移和速度可得自振频率运动方程：

本文中模态分析采用Block Lanczos方法[4]。得出结果如图4至图6所示。

4 总结

本文介绍了梁系结构有限元分析的基本理论，然后对梁系结构进行计算分析，包括静力分析和模态分析。通过本文可以体会到ANSYS软件对于梁系结构设计的重要性，了解将有限元分析应用于梁系结构设计的基本操作。

[1]尚晓江，ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用，北京：中国水利水电出版社，2005

[2]博嘉科技，有限元分析软件ANSYS融会与贯通，北京：中国水利水电出版社，2002.

[3]胡晓光，段文峰，李妍，蔡斌.结构力学[M].北京：北京邮电大学出版社，(2012.2重印)

[4]Lu Z， Yu Y，Woodman， A theory of structural vulnerability[J].The Structural Engineer，2001，77(18)：17-24.