SAP2000與ANSYS 實(shí)例分析

1、高等有限元論文SAP2000與ANSYS 實(shí)例分析Advanced FEM 論文SAP2000與ANSYS 實(shí)例分析摘要Sap2000與ANSYS為有限元分析軟件中較為知名的兩款軟件。本文通過實(shí)例來簡要說明兩款軟件的分析過程，同時(shí)從建模、計(jì)算到結(jié)構(gòu)的查看進(jìn)行了一些對比，使初學(xué)者能初步了解兩款軟件的適用范圍與使用方法，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)，本文還有一些軟件使用的心得體會，為初學(xué)者排除學(xué)習(xí)過程中的一些疑問起到了指導(dǎo)作用。關(guān)鍵詞：SAP2000，ANSYS，結(jié)構(gòu)分析，實(shí)例SAP2000 and ANSYS Case AnalysisAbstractSap2000 and the ANSY

2、S finite element analysis software are the more well-known two types of software. In this paper, a brief description of two examples of software analysis and, from modeling to calculate the structure of the view carried out some contrast, so that beginners can be a preliminary understanding of the s

3、cope of both the software and use of methods for further study to lay a solid foundation. At the same time, there are some software used in this paper their feelings and experiences in the learning process for beginners to exclude some of the queries has played a guiding role.Keywords：SAP2000，ANSYS，

4、Structural analysis, examples目錄0 前言10.1 本文內(nèi)容10.2寫作目的10.3軟件簡介10.4模型40.5小結(jié)41 建模51.1 幾何模型51.2 材料模型71.3 環(huán)境約束模型72 計(jì)算92.1 單值計(jì)算92.2 組合計(jì)算103 數(shù)據(jù)后處理103.1 SAP2000113.2 ANSYS10.0113.3 小結(jié)分析124 結(jié)語13參考文獻(xiàn)140 前言0.1 本文內(nèi)容本文將運(yùn)用Sap2000和ANSYS軟件對同一個結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析，包括軟件的簡介、模型的建立、求解計(jì)算、數(shù)據(jù)后處理及一些操作細(xì)節(jié)等進(jìn)行較為詳細(xì)的介紹，對兩款軟件的操作過程作簡要介紹的同時(shí)也要對兩款

5、著名的有限元分析軟件進(jìn)行一些對比。本文重點(diǎn)放在每節(jié)的小結(jié)分析之中，是對軟件使用后的體會感悟，與大家一起分享總結(jié)。0.2寫作目的作為課程論文，本文在廣度與深度上有所取舍，選取兩款較為知名的有限元軟件對一個簡單模型的分析為例對有限元分析進(jìn)行初步介紹，希望能對今后的初學(xué)者了解及初步掌握有限元分析起到一些幫助，少走一些彎路。同時(shí)，將兩款軟件放在一起進(jìn)行對比分析，并不是要區(qū)分出哪一個更好，而是要通過對比讓大家更加深入的了解兩款軟件共性與區(qū)別，了解軟件的適用性與局限性，了解有限元分析的過程，幫助我們?nèi)嫔钊氲恼莆沼邢拊治鲞@一強(qiáng)有力的工具。0.3軟件簡介自從三十前SAP誕生以來，它已經(jīng)成為最新分析方法的代

6、名詞。SAP2000保持了原有產(chǎn)品的傳統(tǒng)，具有完善、直觀和靈活的界面，為在交通運(yùn)輸、工業(yè)、公共事業(yè)、體育和其他領(lǐng)域工作的工程師提供無出其右的分析引擎和設(shè)計(jì)工具。在SAP2000三維圖形環(huán)境中提供了多種建模、分析和設(shè)計(jì)選項(xiàng)，且完全在一個集成的圖形界面內(nèi)實(shí)現(xiàn)。在今天的市場上SAP2000已經(jīng)被證實(shí)是最具集成化、高效率和實(shí)用的通用結(jié)構(gòu)軟件。 先進(jìn)的分析技術(shù)提供了：逐步大變形分析、多重P-Delta效應(yīng)、特征向量和Ritz向量分析、索分析、單拉和單壓分析、Buckling屈曲分析、爆炸分析、針對阻尼器、基礎(chǔ)隔震和支座塑性的快速非線性分析、用能量方法進(jìn)行側(cè)移控制和分段施工分析等【1】。 這是SAP200

7、0的圖標(biāo)：下面是SAP2000V9.0的操作界面 為了使打印效果較好，對圖片進(jìn)行了除色處理，與實(shí)際顯示效果略有差別，以下均如此(o)/。圖 1 SAP2000操作界面圖ANSYS 于1970年誕生于美國，在30多年的發(fā)展過程中不斷改進(jìn)提高，功能不斷增強(qiáng)。ANSYS軟件是集結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁場、聲場和耦合場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，用戶涵蓋了機(jī)械、航空航天、能源、交通運(yùn)輸、土木建筑、水利水電、電子、生物、醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域。ANSYS系列是一套可自由選配集成的功能模塊組成的產(chǎn)品，用戶可根據(jù)需要集成某些模塊來滿足各行各業(yè)的工程需求【2】鄧凡平.ANSYS 10.0有限元分析自學(xué)手冊.人民郵

8、電出版社.2007。這是ANSYS的圖標(biāo)：下面是ANSYS10.0的操作界面。圖 2 ANSYS10.0GUI界面詳細(xì)信息參見下表：表 01 SAP 與 ANSYS簡訊比較項(xiàng)目SAPANSYS出生年代1978 SAP2000是sap家族的一員，誕生于1996年，是sap系列中的最新版本。1970所屬公司美國CSI公司美國ANSYS公司開發(fā)語言FORTRANFORTRAN版本編號SAP XANSYS xx.x最新版本SAP2000 V14.0ANSYS14.0漢化GUI是否命令流操作Access 及Excel表格方式文本編輯方式適用范圍結(jié)構(gòu)分析通用有限元分析二次開發(fā)可以可以硬件要求較高較高0.4

9、模型本文整個分析過程采用的模型如下圖。圖 3 模型簡圖模型采用鋼結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)假定固結(jié)，底部支座為三個固端支座，上部九個節(jié)點(diǎn)分別承受豎向荷載1kN，外側(cè)三個節(jié)點(diǎn)各承受水平荷載1kN。我們將分析其受力情況及變形情況。0.5小結(jié)簡單看一下我們會發(fā)現(xiàn)，SAP系列專門針對結(jié)構(gòu)分析而來，ANSYS則是全面開花，適用范圍更廣，我們建筑結(jié)構(gòu)分析只是它的一個模塊而已。再者，ANSYS GUI操作界面沒有漢化 實(shí)際也有一些人做漢化，但效果差強(qiáng)人意，畢竟人家ANSYS公司還沒想為中國人民單獨(dú)搞一套系統(tǒng)。版本，這對于英文不好或沒學(xué)過英文的人可是個不小的障礙呀 ;-)。分析采用的模型受力簡單，傳力明確，實(shí)際上屬于一個簡單

10、的試算模型。所謂試算模型是指在進(jìn)行復(fù)雜的大型的真實(shí)的計(jì)算之前，先用一個結(jié)構(gòu)形式近似但更簡單受力傳力更明確的模型算一下，定性及定量考察結(jié)果的正確性，以確定前期的材料模型結(jié)構(gòu)形式等計(jì)算假定及參數(shù)的選取是否合理準(zhǔn)確。只有在判斷了前期的參數(shù)選取計(jì)算假定基本符合實(shí)際的情況下進(jìn)行真實(shí)的復(fù)雜的模型的計(jì)算，才能確保計(jì)算的準(zhǔn)確性。1 建模 在ANSYS中，荷載及約束情況劃分到Solution模塊中，為方便比較，我們按常規(guī)將其納入建模當(dāng)中。建模過程主要包括幾何模型的建立，材料模型的建立以及外界環(huán)境對模型的約束作用，下面我們就分別來看看。1.1 幾何模型幾何模型包括模型幾何形狀的確定及各構(gòu)件截面尺寸的確定兩個部分。

11、幾何形狀的確定一般軟件都提供兩種方法，一是通過軟件自身的坐標(biāo)系及繪圖工具一步步繪制，二是通過第三方軟件繪制后導(dǎo)入該軟件即可。1.1.1 SAP2000【3】 北京金土木軟件技術(shù)有限公司.SAP2000中文版使用指南.人民交通出版社.2006點(diǎn)擊菜單文件-新模型，得到新模型建立對話框，可以快速方便的建立起所要分析的模型。圖 4 SAP2000新模型的建立不過，對于熟悉ACAD繪圖的人來說，我們更常用的是導(dǎo)入ACAD以畫好的圖形，這樣做建模速度更快。首先將已畫好的CAD圖另存為.dxf格式文件，再進(jìn)入SAP2000點(diǎn)擊導(dǎo)入菜單。小秘密：Acad中模型千萬不能放在0圖層，否則sap2000就找不到他

12、了O(_)O。圖 5 sap2000導(dǎo)入菜單導(dǎo)入后即可進(jìn)行下一步了。點(diǎn)擊定義-框架截面即可對構(gòu)件截面進(jìn)行定義。本模型所有構(gòu)件采用直徑為10mm的鋼筋。1.1.2 ANSYS10.0ANSYS有很強(qiáng)大的建模工具，點(diǎn)、線、面、體俱全，并且有一系列的針對點(diǎn)線面體的操作，熟練應(yīng)用這些工具，能構(gòu)造出非常復(fù)雜的模型。美中不足的是對于由CAD等繪圖軟件繪制好的桿系結(jié)構(gòu)，ANSYS無法直接導(dǎo)入，必須采用一些第三方輔助軟件進(jìn)行一下轉(zhuǎn)換。DxfToAnsys這個小軟件就可以替ANSYS完成這一任務(wù)。構(gòu)件截面形式需進(jìn)入前處理器的實(shí)常數(shù)菜單進(jìn)行設(shè)定。與sap2000不同的是ANSYS在定義各構(gòu)件截面前需指定構(gòu)件所要采

13、用的單元類型。ANSYS導(dǎo)入幾何模型后如右圖。1.1.3 小結(jié)分析幾何建模是一項(xiàng)非常繁瑣的工作，尤其是所建模型較為復(fù)雜的時(shí)候。熟練的應(yīng)用軟件所提供的各種工具是正確而快速的建立模型的關(guān)鍵。對于前期已經(jīng)利用繪制好的圖形來說，能直接導(dǎo)入計(jì)算軟件避免重復(fù)勞動是一件再好不過的事了。ANSYS所支持的導(dǎo)入類型較少，這恐怕是它的一個小瑕疵吧。在定義截面這一步中，SAP2000的庫非常全面，一般常用的截面類型都無需用戶自定義，直接選擇需要的即可。而ANSYS中的構(gòu)件截面特性需要用戶一一指定，并沒有現(xiàn)成的供你選擇。因?yàn)楫吘笰NSYS不是專門來算建筑結(jié)構(gòu)這一塊的，于是乎他也就沒有做的那么細(xì)致_。在ANSYS中，利

14、用其復(fù)雜的坐標(biāo)系統(tǒng)，對建立一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)及異型結(jié)構(gòu)，尤其是涉及各種面和體交叉疊合形狀怪異之時(shí)，構(gòu)造之時(shí)便游刃有余了，這時(shí)他的優(yōu)勢便顯現(xiàn)了出來。1.2 材料模型1.2.1 sap2000對于常用的材料，軟件材料庫都已經(jīng)提供了各種材料的詳細(xì)信息。如果沒有你想要的材料就需要自己要去新定義材料了。本模型采用直徑為10mm的鋼筋。1.2.2 ANSYS10.0ANSYS中沒有材料庫，所用的材料必須自己親手定制。進(jìn)入如右圖Preprocessor下的第三個菜單，可定義所需材料的參數(shù)，包括楊氏模量、泊松比等。1.2.3 小結(jié)分析同樣，SAP2000中已經(jīng)具備了常見的材料庫，可由用戶直接選擇，對于非常見材料可由

15、用戶自定義，而ANSYS中所有材料特性必須由用戶一一指定。1.3 環(huán)境約束模型本節(jié)我們將為模型施加荷載及指定約束情況，完成建模的最后工序。1.3.1 sap2000點(diǎn)擊菜單指定-節(jié)點(diǎn)-約束，為模型增加約束。底部九個點(diǎn)均為固定約束。點(diǎn)擊菜單指定-節(jié)點(diǎn)荷載-力，為模型施加作用力。豎向及水平作用力均為1kN。施加約束及荷載后的模型如右圖。1.3.2 ANSYS10.0點(diǎn)擊如下圖菜單可為模型指定荷載及約束，大小同上所述。結(jié)果如下圖。1.3.3 小結(jié)分析對于施加作用來說二者幾乎沒有什么差別，先指定作用點(diǎn)或構(gòu)件，再制定作用的大小方向等等。但是一個重大的區(qū)別是在sap2000中，完成上述工作后建模工作就基本

16、宣告結(jié)束了，而在ANSYS中，完成上述工作還不等于建模工作的結(jié)束。ANSYS中這時(shí)還要進(jìn)行對模型的剖分，這是有限元分析的十分重要的一步，剖分的質(zhì)量如何會直接影響計(jì)算結(jié)果的好壞。剖分可以自動進(jìn)行也可以手動進(jìn)行，一般來說選擇自動即可，但對于某些特殊部位特殊構(gòu)件來說，手動剖分更能體現(xiàn)計(jì)算者的思路，得到更加合理有用的結(jié)果，這不能不說是ANSYS的一大好處。那同為有限元分析程序的SAP2000為什么又不用剖分了呢？那是因?yàn)檫@些工作計(jì)算機(jī)都替我們完成了。根據(jù)你計(jì)算類型的選擇，SAP2000將剖分放在了后臺進(jìn)行，減少了計(jì)算者的工作量，但同時(shí)，也減少了計(jì)算者選擇的自由。有得必有失嘛，魚和熊掌永遠(yuǎn)不能兼得。在S

17、AP2000中導(dǎo)入dwf文件后常常需要做的一個小動作是選擇所有節(jié)點(diǎn)，使用合并命令使距離很小的點(diǎn)合并為一個點(diǎn)。這樣做的原因是在CAD繪圖時(shí)，由于有時(shí)捕捉的偏移使得一些本該重合的點(diǎn)有了細(xì)微的差別，而人用肉眼又很難分辨出來，如果不進(jìn)行合并，計(jì)算將導(dǎo)致錯誤。而ANSYS中沒有設(shè)置這個命令，所以在使用導(dǎo)入模型的時(shí)候就得慎重了，一定要確保CAD等繪圖工具所繪制的圖是準(zhǔn)確無誤的。另外，單位制的選擇也是令我們頭疼的問題之一。在SAP2000中，右下角有一個選擇所用單位制的列表框，里面列出了結(jié)構(gòu)計(jì)算中常用的幾種單位組合情況，基本能滿足使用要求。用戶選擇任意一種后，在輸入數(shù)據(jù)的時(shí)候只要比對所用的單位制換算正確即可

18、。而在ANSYS中，似乎從來沒有遇到過單位的問題。那是應(yīng)為ANSYS中并沒有單位的概念，任何數(shù)據(jù)軟件僅認(rèn)為那是一個數(shù)據(jù)，不帶任何單位，單位的控制取決于用戶。所以在我們輸入任何數(shù)據(jù)的時(shí)候就要自己“假想”一套單位制，我們可以采用任何我們熟悉的單位制，但原則只有一個：前后統(tǒng)一。即我們所輸入的單位制再輸入任何數(shù)據(jù)時(shí)采用的都是同一套單位。2 計(jì)算模型建立好之后就可以進(jìn)行計(jì)算了。我們可以進(jìn)行一種荷載作用的計(jì)算，也可以進(jìn)行幾種荷載組合下的分析。2.1 單值計(jì)算此種計(jì)算較為簡單，建立好模型后直接點(diǎn)擊計(jì)算即可。計(jì)算過程無須我們干預(yù)，程序都幫我們做了(_)。2.2 組合計(jì)算2.2.1 SAP2000SAP2000

19、再進(jìn)行組合計(jì)算時(shí)需先定義好荷載工況及組合工況，各種組合情況定義好即可立即進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算過程無需人工干預(yù)。2.2.2 ANSYS10.0計(jì)算前需做好準(zhǔn)備工作，包括選擇分析類型、指定荷載施加時(shí)間方式等。ANSYS中荷載組合放在計(jì)算完成之后分析結(jié)果中，對結(jié)果進(jìn)行各種組合。計(jì)算過程亦無須人工干預(yù)。2.2.3 小結(jié)分析實(shí)際上，計(jì)算工作是最為復(fù)雜最為頭疼的工作。只是有了軟件編寫者的大量勞動才解放了我們，使得計(jì)算工作成了所有工作中最輕松的一個。前期的所有工作其實(shí)只是在告訴計(jì)算機(jī)計(jì)算的條件，也就是把一個具體的問題抽象成一個計(jì)算機(jī)模型的過程。幸好計(jì)算機(jī)還不會進(jìn)行抽象，要不還要我們有什么用！_換句話說，我們的主要

20、工作主要精力要放在前期的抽象工作及后期的分析工作上，這一點(diǎn)十分重要。3 數(shù)據(jù)后處理數(shù)據(jù)的后處理主要是對計(jì)算數(shù)據(jù)的利用，為我們分析研究問題做出指導(dǎo)，同時(shí)我們通過分析數(shù)據(jù)也可以反向檢查我們的模型建立的正確與否。可以說，一個成功的軟件會讓用戶輕松獲取各種所需要的信息。數(shù)據(jù)查看方式可以分為三種。一是顯示查看，就是將各種信息顯示在電腦屏幕上方便用戶及時(shí)了解結(jié)果集分析內(nèi)容；二是文本方式查看，使用戶能夠方便的將數(shù)據(jù)應(yīng)用在報(bào)告中或進(jìn)行后續(xù)應(yīng)用處理或是與他人交流；三是圖像查看，使用戶能方便直觀快速的對結(jié)果了然于胸。3.1 SAP2000SAP2000提供了各個構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)的受力、變形等信息的查看，下面是本例計(jì)算完成后軸力的顯示結(jié)果，可以查看整體受力圖也可查看每個桿件的受力，亦可到出表格。圖 6 某桿件受力圖圖 7 模型整體受力圖此外，顯示界面還提供了動畫演示，更加清晰直觀的觀察結(jié)構(gòu)受力后的變形狀態(tài)。3.2 ANSYS10.0右圖是ANSYS的后處理菜單。在此菜單下可以方便的查看計(jì)算數(shù)據(jù)及各種數(shù)據(jù)圖表。ANSYS也能提供動畫演示，不過沒有直接做在顯示界面上，想看動畫效果或