Workbench如何施加结构预应力

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工程结构很多时候需要考虑预应力,特别是在土木领域里面,例如桥梁、建筑网壳结构、岩土分析初始应力等,本文就简单介绍下在Workbench中如何给结构施加预应力。水哥目前所使用的版本为2021R1, 针对该版本及以前的版本,目前暂无可以直接调用的菜单进行操作,只有通过插入命令Inistate实现。
首先简单阐述下命令Inistate,该命令内容丰富,集读写操作于一身。
INISTATE, Action, Val1, Val2, Val3, Val4, Val5, Val6, Val7, Val8, Val9 
首先Action为指定Inistate的操作类型,主要分为六种:Set、Define、Write、Read、List、Delete
从字面也很好理解,六种行为分别代表的是指定预应力输入参数、定义预应力、写出初始应力、读取初始应力、列出应力、删除预应力
以Set为例,当指定为Set,后续的具体参数值就是接下来预应力输入的参数,如下Help所示,主要有两个参数,一个是指定预应力输入的坐标系,一个是预应力输入的类型,是应力、应变还是塑性应变等:
Workbench如何施加结构预应力
当指定为Define时,通过Inistate输入的数据就是具体的应力或者应变数据,ID代表单元号,EINT、KLAYER、PARMINT分别代表高斯积分点、层号、以及层号积分点、后的CXX~CXZ则分别代表了具体的预应力值,一般操作下,无需对EINT、KLAYER、PARMINT进行额外的指定,默认即可。
Workbench如何施加结构预应力
当指定为Write和Read时,则分别代表写出预应力以及读取应力操作,一般在岩土分析中 考虑初始地应力的时候用的比较多,用法很简单,根据Help提示操作即可,注意初始地应力写出的文件后缀名为ist文件,一个典型的ist文件格式如下所示:
文件里面分别包含了单元编号、积分点、层号、六个方向的应力等信息。
Workbench如何施加结构预应力
下面分别为单个单元 预应力的定义以及 初始地应力读写的 命令流演示:
1、单个单元预应力的定义
Inistate,Set,-2,Stre          !定义沿着单元坐标系施加初应力
Inistate,define,2,,,,20        !给2号单元施加X方向大小为20的预应力
2、批量单元 初始地应力的读写
Allsel,all
Inistate,write,1,,,,0,S       !写出所有单元的应力数据
Inistate,read,file0         !读取文件名为file0的初始应力数据
在Workbench中,如果要通过Inistate命令施加初应力,一个比较良好的习惯是在施加之前,对要施加的单元首先建立Named Selection,然后在后期插入命令的时候直接通过选择组来选择单元,防止通过节点编号施加 因为节点网格变化导致节点号编号改变的问题。
下面以一个简单的例子来说明使用方法:
如下一个类似雨棚的二维结构,下面横梁采用直径180,厚度为10的钢管,上部拉索直径为20,左侧固定,材料均为钢材,现对拉索施加轴应力为50Mpa的初应力,分析结构响应,横梁采用梁单元,拉索采用杆单元。
Workbench如何施加结构预应力
建模不在阐述,网格划分完毕后,首先选择拉索,建立Named Selection,值得注意的是建立的时候不是建立的几何组,而是单元组,因为后续施加预应力是对单元施加。
Workbench如何施加结构预应力
插入命令流,如下所示:
Workbench如何施加结构预应力
为了验证预应力是否加上,首先对结构的节点全部进行约束,然后绘制结构轴应力云图,来核定是否和初始施加的一致。结果查看中插入Beam Tool, 绘制Direct Stress,和施加的预应力没有出入,说明已经施加上,然后施加正常的约束,观察结构响应。
Workbench如何施加结构预应力
Workbench如何施加结构预应力
前面方法是通过直接使用命令来施加,当然也可读入初应力文件的方法来进行,这种方法的弊端就是必须要知道单元的编号,仿照标准的地应力写出文件,写好预应力即可。首先按照标准格式,编写好数据文件,如下所示。
Workbench如何施加结构预应力
注意这里/dtype和/csys分别代表类型和坐标系,这里表示是初应力,采用单元坐标系的方式施加,大小为SX=50,也即轴向应力为50
在Wb中插入如下命令,这时候inistate使用read操作,后面要跟随文件的路径,其结果与上述一致,同学们可自行验证。
Workbench如何施加结构预应力
总的说来,采用Define操作类型适用于小规模初始应力的施加,采用Read操作类型适合大规模初始应力的施加,同学们可根据自己工程的复杂情况合理选择方法。
祝好
ANSYS结构院

2022.3.9

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