ANSYS地震波施加方式及相关讨论

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地震时程分析可能是很多同学在做的一个内容,不管是从答疑群、知识星球还是从公众号后台的私信,水哥发现有不少同学对ANSYS中地震波的施加方式具有一定的困惑,本文就略做介绍,仅供大家参考。

抛开有限元软件类型不谈,地震波施加方式目前来讲有三种:

1、底部加速度法

2、底部质量法

3、底部位移法

工程设计软件根据使用的不同,可能只支持部分方式的输入,单就通用有限元软件ANSYS和ABAQUS来讲,上述三种方式都是可以的。

接下来就以ANSYS软件为例,简单阐述三种施加方法的基本概念及实现方法。

一、底部加速度法

所谓底部加速度法,也即通过将加速度直接作用于结构底部来实现,注意这里的底部并不是一定指模型的底部,可理解为模型的边界约束处,命令为ACEL,这是很多同学经常用到的一个命令。

ANSYS地震波施加方法

二、底部质量法

​所谓底部质量法,也即在底部约束处创建一个质量点,通常通过Mass21单元来实现,该质量点一般取模型总质量10的5次方倍以上,使用F命令直接在支座处施加力来实现,注意在哪个方向施加,就需要释放哪个方向的约束,改为施加力。

该方法的主要原理为利用达朗贝尔原理,将地震作用转化为施加在质点上的惯性力,示意图如下所示:

ANSYS地震波施加方法-2

二、底部质量法

​所谓底部质量法,也即在底部约束处创建一个质量点,通常通过Mass21单元来实现,该质量点一般取模型总质量10的5次方倍以上,使用F命令直接在支座处施加力来实现,注意在哪个方向施加,就需要释放哪个方向的约束,改为施加力。

该方法的主要原理为利用达朗贝尔原理,将地震作用转化为施加在质点上的惯性力,示意图如下所示:

ANSYS地震波施加方法-2

 

三、底部位移法

所谓底部位移法,也即将加速度地震波积分,得到位移时程,然后在底部约束处释放掉激励方向的约束,改为采用D命令施加位移时程,该方法示意图如下所示:

ANSYS地震波施加方法-3

四、三种方式的适用范围

底部加速度法:无需注意初始条件,但只能考虑一致激励,同时适用于线性分析和非线性分析,就线性分析而言,地震波的基线漂移对结构位移响应影响较小,对相对位移无影响,对构件内力无影响,如果是非线性分析,则都有影响,需进行基线修正。底部加速度法输入的是加速度波。

底部质量法:可考虑一致激励和非一致激励,同时适用于线性分析和非线性分析,注意该方法需考虑结构初始条件,不同的初始条件可能对应不同的响应结果,对于弹性分析而言,一般可选择位移、速度、和加速度均为0的初始条件,但若位移绝对响应出现较大的漂移,除了考虑地震波本身的基线偏移外,还需进行初始条件的复核。对于非一致激励情况,必须考虑初始条件。初始条件可通过加速度积分得到合适的初始位移和初始速度条件。底部质量法输入的是加速度波。

底部位移法:可考虑一致激励和非一致激励,同时适用于线性分析和非线性分析,地震波记录一般为加速度,如果需要位移时程,必须通过对加速度时程进行积分,在这过程中,一个不容忽视的现象便是基线偏移,故而若采用底部位移法,必须对原始地震波进行基线修正。同时该方法,还需考虑初始条件,方法同质量法。底部位移法输入的是位移波。

初始条件的施加采用IC命令。

五、案例演示

以经典入门50讲29讲的单品框架为例,来演示三种施加方式对应的不同效果,为排除初始状态影响,这里不考虑结构自重,也不考虑结构阻尼,仅为弹性时程计算,一致激励。

选用地震波为Elcentro N-S波。

本次分析分别考虑两种情况,也即考虑地震波基线修正以及不考虑地震波基线修正,基线修正、加速度的积分均采用水哥自编软件EQTOOL地震波工具箱进行,如下所示:

EQ_tool_地震波工具箱_4

查看内容分别为顶部节点的直接位移响应,顶部节点与左侧端部节点的相对位移响应,时程曲线图对比如下所示:

1、不考虑基线修正情况

ANSYS地震波施加方法-4

不考虑基线修正顶部节点直接位移响应

ANSYS地震波施加方法-5

不考虑基线修正顶部节点与底部节点相对位移响应

2、考虑基线修正情况

ANSYS地震波施加方法-6

​考虑基线修正顶部节点直接位移响应

ANSYS地震波施加方法-7

考虑基线修正顶部节点与底部节点相对位移响应

3、修正前后相对位移响应对比

ANSYS地震波施加方法-8

质量法修正前后相对位移响应

六、相关结论

从以上讨论可得出如下相关结论:

1、在不考虑阻尼、弹性分析的情况下,质量法、位移法和加速度法的效果相同,这里的效果相同意思是指杆件内力、相对位移等结果,直接位移响应质量法与位移法完全一致,加速度法直接响应之所以不一致主要是加速度输入模型是建立在相对坐标系的动力平衡方程,得到的响应是相对量值,而位移法和质量法输入模型是建立在绝对坐标系下的动力平衡方程,得到的响应是绝对量值。

2、如果需要研究结构位移响应的绝对响应情况,则只能采用位移法和质量法,且此时输入的地震波必须进行基线修正,否则会出现位移响应漂移的情况。

3、对于弹性分析而言,基线是否修正不影响杆件相对位移、杆件内力,但是对结构的位移响应会有较大影响。

4、当分析需要考虑结构阻尼时,由于ANSYS瞬态分析阻尼的输入是通过瑞雷比例阻尼进行,如果采用质量法,需要注意由于虚拟大质量造成的影响。

5、一旦结构涉及非线性、非一致激励等情况时,输入的地震波必须进行基线修正,无论采用哪一种施加方法,同时还需进行不同初始状态对结构响应情况的讨论。

本案例源代码支付积分后即可获取,源代码含六个对比模型运行APDL代码,原始地震波,修正后的地震波,以及相应的结果数据,供同学们研究学习,截图如下:

ANSYS地震波施加方法-9

 

 

 

 

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