搜索附加質(zhì)量法在ANSYS中的實(shí)施
2017-03-02 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
利用參數(shù)化設(shè)計(jì)語言在ANSYS中實(shí)現(xiàn)了橋墩流固耦合動(dòng)力分析中的附加質(zhì)量法,并在ANSYS的工具欄中實(shí)現(xiàn)了界面友好的操作菜單,使用戶經(jīng)過簡單的操作實(shí)現(xiàn)橋墩的動(dòng)力分析。
附加質(zhì)量法是Westergaard在對水體-重力壩體系的動(dòng)水壓力響應(yīng)的研究基礎(chǔ)上,提出的一種考慮水體對結(jié)構(gòu)作用的簡化的動(dòng)力分析的計(jì)算方法,它是將動(dòng)水壓力等效成質(zhì)量附加在結(jié)構(gòu)上,達(dá)到等效的動(dòng)力響應(yīng)[1]。由于方法簡單計(jì)算方便,它在目前橋梁和重力壩設(shè)計(jì)中廣泛采用。目前我國的公路橋梁的設(shè)計(jì)規(guī)范中,建議在設(shè)計(jì)中考慮動(dòng)水壓力影響時(shí),也是采用該方法[2]。在采用有限元方法計(jì)算橋梁和重力壩的地震響應(yīng)時(shí),也多采用附加質(zhì)量法簡化水體的作用,使計(jì)算量大為減少。
本文利用ANSYS中提供的APDL(參數(shù)化設(shè)計(jì)語言)和Digital Visual Fortran6.5開發(fā)了在ANSYS環(huán)境中的附加質(zhì)量法的質(zhì)量矩陣的自動(dòng)形成的程序,用戶只需在ANSYS提供的圖形界面的前處理中,建立2節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量單元,然后將其單獨(dú)選出來,然后點(diǎn)擊三次按鈕,附加的質(zhì)量矩陣就自動(dòng)形成,并讀入到ANSYS程序中,在此基礎(chǔ)上用戶再利用ANSYS提供的求解功能進(jìn)行動(dòng)力分析。
1 附加質(zhì)量法
水工結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析,往往只考慮水體的動(dòng)壓力。Westergaard研究了這一問題,求解了垂直剛性壩面在水平簡諧地面運(yùn)動(dòng)的動(dòng)水壓力。為了方便應(yīng)用,他將動(dòng)水壓力分布近似地用拋物線來表示,根據(jù)實(shí)際動(dòng)水壓力對于壩踵的力矩與近似動(dòng)水壓力對壩踵的力矩相等的條件,得到沿壩高的壩面動(dòng)水壓力幅
上式通常稱為Westergaard動(dòng)水壓力近似公式,其中kh為地震系數(shù),h 為壩高,y是以水面為原點(diǎn)的垂向坐標(biāo)。動(dòng)水壓力的特點(diǎn)與慣性力相似,所以可以用附著在壩面的一定質(zhì)量的水體來代替水的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)。根據(jù)慣性力與壩面動(dòng)水壓力相等的條件,可得Westergaard附加質(zhì)量公式
以上的Westergaard的動(dòng)水壓力和附加質(zhì)量公式目前在美國和日本的建筑抗震設(shè)計(jì)中還在廣泛使用。另外,在求解固液耦合問題的解析解時(shí),也常常采用附加質(zhì)量法。在用有限元法求解水體-結(jié)構(gòu)耦合問題時(shí),附加質(zhì)量法也非常容易在程序中實(shí)施,根據(jù)虛功原理可求出等效節(jié)點(diǎn)力,進(jìn)而求得附加質(zhì)量矩陣。由動(dòng)水壓力轉(zhuǎn)換而來的附加質(zhì)量法的計(jì)算公式為
式中的[N]為單元的形函數(shù),a,b分別為單元節(jié)點(diǎn)在水面下的坐標(biāo)值。在ANSYS中,對于2節(jié)點(diǎn)的空間三維梁單元來講,其插值函數(shù)為
因此,最后得到的附加質(zhì)量矩陣是一個(gè)12×12的對稱矩陣。根據(jù)公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(JTJ00489)動(dòng)水壓力計(jì)算借鑒日本規(guī)范,
是
2 在ANSYS中的實(shí)現(xiàn)
為了在ANSYS中實(shí)現(xiàn)附加質(zhì)量法的動(dòng)力學(xué)計(jì)算,使用了ANSYS中提供給用戶的單元Matrix27號(hào)單元[4]。該單元為2節(jié)點(diǎn)12自由度的單元,用戶可借用該單元提供剛度、阻尼和質(zhì)量矩陣。利用前面的公式,使用Digital Visual Fortran6.5編制了形成附加質(zhì)量法的質(zhì)量矩陣的程序,并使用ANSYS提供的ADPL語言和數(shù)據(jù)接口形式,實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量矩陣的自動(dòng)計(jì)算和輸入。
首先,利用APDL語言在ANSYS的工具條(Toolbar)中,建立了三個(gè)選項(xiàng)按鈕,分別是“DATA_OUT”、“CAL_MASS”和“GET_MASS”,見圖1。它們分別對應(yīng)的功能是:
“DATA_OUT” —— 輸出Matrix27單元的節(jié)點(diǎn)編號(hào)和幾何數(shù)據(jù)
“CAL_MASS” —— 根據(jù)以上數(shù)據(jù)計(jì)算附加質(zhì)量矩陣
“GET_MASS” —— 將附加質(zhì)量矩陣傳入ANSYS中
圖1 ANSYS工具條中添加的選項(xiàng)按鈕
在使用這三個(gè)按鈕功能時(shí),應(yīng)注意的是,首先在ANSYS中利用前處理建立以Matrix27為單元屬性的單元,并對每一個(gè)單元賦予不同的實(shí)常數(shù)(Real Property)編號(hào),然后將這些單元單獨(dú)選取出來,(可利用Esel命令),再選擇“DATA_OUT”按鈕功能,輸出這些單元的幾何數(shù)據(jù)和單元屬性。
第二步選取“CAL_MASS”按鈕功能,這時(shí),屏幕上會(huì)彈出如圖2的窗口,然后按照提示分別輸入橋墩處的水面高度,橋墩的等效寬度(根據(jù)公路工程抗震設(shè)計(jì)(JTJ004-89)第4.2.11條確定)和在ANSYS的計(jì)算模型中水面的坐標(biāo)值(一般橋墩的軸向取為Z向)。輸入完成后,程序會(huì)自動(dòng)調(diào)用所編制的計(jì)算程序完成各種計(jì)算,并將計(jì)算的結(jié)果以ANSYS的文件格式存放在硬盤上。
圖2 在計(jì)算附加質(zhì)量矩陣時(shí),輸入數(shù)據(jù)的窗口
第三步,當(dāng)點(diǎn)擊“GET_MASS”按鈕后,程序自動(dòng)將計(jì)算的附加質(zhì)量矩陣讀入ANSYS中。完成以上步驟后,就可利用ANSYS的各項(xiàng)功能完成動(dòng)力計(jì)算和后處理工作。
在ANSYS的工具條中,加入設(shè)計(jì)的選項(xiàng)按鈕,有兩種方法,其一是在在ANSYS的開始文件中startxx.ans,加入我們編寫的宏命令, “xx”為ANSYS的版本號(hào),如6.1版為61,7.1版為71等等,這樣在啟動(dòng)ANSYS時(shí),選項(xiàng)按鈕自動(dòng)加入ANSYS的工具條中;其二,在ANSYS的主菜單上的“Macro”的下拉式菜單中的“Restore Abbs…”輸入宏命令文件完成。
3 結(jié)語
在ANSYS環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了公路橋梁設(shè)計(jì)中采用的附加質(zhì)量法,其使用簡單方便,使設(shè)計(jì)人員更容易進(jìn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算分析,完成橋梁的抗震設(shè)計(jì)。本文編制的程序是針對橋墩用2節(jié)點(diǎn)梁單元實(shí)施的。另外,文中給出的界面是ANSYS的傳統(tǒng)圖形界面,在6.1版后的新圖形界面中也是用同樣的方法實(shí)施。
參考文獻(xiàn):
[1] 居榮初, 曾心傳. 彈性結(jié)構(gòu)與液體的耦聯(lián)振動(dòng)理論[M], 地震出版社,1983
[2] 中華人民共和國交通部. 公路通用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范匯編[S],人民交通出版社,1991
[3] 鄭海榮. 樁-土-上部結(jié)構(gòu)(橋墩)-流體相互作用體系的地震反應(yīng)分析[J].橋梁建設(shè), 1992; (4):67-74
[4] ANSYS公司. ANSYS用戶手冊[R],ANSYS公司,2002
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