木質(zhì)結(jié)構(gòu)地震分析的案例
【CAE案例】結(jié)構(gòu)仿真對層壓木質(zhì)結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)進(jìn)行自動化非線性建模中的應(yīng)用
01 研究背景
本次研究對象木質(zhì)結(jié)構(gòu)，這種傳統(tǒng)材料其實(shí)有著顯著的各向異性。使用木頭制作的交叉層壓板（圖2），即CLT板同樣具有各向異性。CLT板材在兩個(gè)主方向上有不同的抗彎剛度和平面穩(wěn)定性，在墻面和地板的建造中都有使用。
圖1 木材的各向異性
圖2 CLT板的結(jié)構(gòu)
木質(zhì)結(jié)構(gòu)在地震的整體表現(xiàn)主要由接觸和離散的連接結(jié)構(gòu)決定。連接結(jié)構(gòu)對壓縮沒有反力，但對拉力或剪力有尖銳的響應(yīng)，并且板與板之間的接觸是單邊的。
圖3 地震對結(jié)構(gòu)的作用方式
02 自動化建模方法
藍(lán)色：墻面
黃色：墻間接觸面
綠色：墻地板接觸面
暗紅：地板面
鮮紅：角支架（只有抗剪剛度的K_T_D_L 彈簧）
黑色：WC/WFC/FC（有抗剪剛度和軸向剛度的K_T_D_L 彈簧）
紫色：拉力構(gòu)件（只有軸向剛度的K_T_D_L 彈簧）
圖5 拉力構(gòu)件的力學(xué)響應(yīng)
圖6 網(wǎng)格
模型一共有449個(gè)面（61個(gè)CLT板），204個(gè)有接觸和摩擦的邊緣，1543個(gè)離散元件代表9種連接構(gòu)件，211個(gè)板件連接。所有的組和連接區(qū)域都是自動生成的。
03 計(jì)算結(jié)果
線性模型
無摩擦接觸
非線性模型
有接觸摩擦，μ=0.2
非線性模型
有接觸摩擦，μ=0.2
低加速度時(shí)的兩種建模的差別
（左）直接連接，（右）有接觸和摩擦
（左）時(shí)變場驗(yàn)證，（右） 累計(jì)場驗(yàn)證
04 結(jié)論與展望
檢驗(yàn)的應(yīng)力場包括：
1. 板子的軸向（壓或拉）力與扭矩結(jié)合產(chǎn)生的板在縱向的應(yīng)力；
2. 垂直于板的剪切力產(chǎn)生的縱向剪切應(yīng)力；
3.
展開 EDF開源CAE | Code_Aster 對層壓木質(zhì)結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)進(jìn)行自動化非線性建模中的應(yīng)用
01
研究背景
本次研究對象木質(zhì)結(jié)構(gòu)，這種傳統(tǒng)材料其實(shí)有著顯著的各向異性。使用木頭制作的交叉層壓板（圖2），即CLT板同樣具有各向異性。CLT板材在兩個(gè)主方向上有不同的抗彎剛度和平面穩(wěn)定性，在墻面和地板的建造中都有使用。
圖1 木材的各向異性
圖2 CLT板的結(jié)構(gòu)
木質(zhì)結(jié)構(gòu)在地震的整體表現(xiàn)主要由接觸和離散的連接結(jié)構(gòu)決定。連接結(jié)構(gòu)對壓縮沒有反力，但對拉力或剪力有尖銳的響應(yīng)，并且板與板之間的接觸是單邊的。
木質(zhì)框架模型雙向地震仿真分析
因?yàn)樽畲箪o摩擦力稍大于滑動摩擦力，造成試驗(yàn)所得滯回曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)處產(chǎn)生一個(gè)尖角，見圖6(a),為簡化計(jì)算，有限元分析時(shí)取理想滯回模型進(jìn)行計(jì)算，如圖6(b)[11]。
四、有限元分析
4.1 中密度纖維板框架結(jié)構(gòu)模型
根據(jù)木質(zhì)多層框架結(jié)構(gòu)模型尺寸，建立了有限元模型，如圖7所示。采用ABAQUS中兩節(jié)點(diǎn)線形梁單元B31模擬框架梁柱，框架節(jié)點(diǎn)按剛接簡化處理。有限元計(jì)算時(shí)采用非線性彈簧單元SpringA模擬棉繩的非線性力學(xué)特性，受拉剛度取2N/mm，受壓剛度為0。采用連接單元CONN3D2模擬摩擦阻尼器。通過設(shè)置連接單元的初始剛度和屈服荷載，以實(shí)現(xiàn)摩擦阻尼器特性。此分析模型Fd取30N，初始剛度取60N/mm。因樓面與質(zhì)量塊采用熱熔膠粘結(jié)，造成樓面剛度較大忽略其變形，所以不考慮豎向荷載對各層樓面的作用，因此進(jìn)行有限元分析時(shí)，將質(zhì)量均勻分配到各層梁柱節(jié)點(diǎn)處，采用點(diǎn)質(zhì)量模擬各樓層質(zhì)量塊。
本模型計(jì)算采用仿真工作站，CPU為至強(qiáng)E5-2650（10核心20線程），內(nèi)存64G。
4.3地震作用計(jì)算
采用隱式算法計(jì)算底部加速度時(shí)程作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，其基本思路如下：有限元分析分為兩個(gè)步驟，第一步采用Static General 步驟施加豎向重力荷載，模型底面采用固定約束；第二步采用Dynamic Implicit 步驟進(jìn)行地震時(shí)程分析，釋放水平兩個(gè)方向的約束，并施加雙向地震波加速度時(shí)程。為驗(yàn)證摩擦阻尼器的消能減震性能，進(jìn)行了未設(shè)置阻尼器與設(shè)置阻尼器的兩個(gè)模型計(jì)算結(jié)果對比。兩個(gè)模型均作用峰值為250gal的雙向地震波時(shí)程曲線。圖8(a)為雙向250gal地震波，圖8(b)為6組地震波加速度反應(yīng)譜。
展開 《ACS Nano》木質(zhì)纖維素基輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料
可再生、可降解、碳中性、低成本、來源豐富的天然木質(zhì)纖維素由于其可與傳統(tǒng)增強(qiáng)纖維相媲美的高比強(qiáng)度而一直備受建筑和家具行業(yè)的青睞。近日，浙江農(nóng)林大學(xué)金春德和孫慶豐研究小組通過將脫除部分木質(zhì)素和半纖維素的填木質(zhì)纖維素與磷酸氫鈣通過機(jī)械熱磨法復(fù)合，在經(jīng)過真空水流定向組裝和熱壓，獲得了層狀結(jié)構(gòu)密實(shí)化的納米木質(zhì)纖維素/磷酸氫鈣復(fù)合材料。木質(zhì)纖維素表面豐富的羧基和羥基與磷酸氫鈣上的鈣離子和四面體PO4通過離子鍵和氫鍵結(jié)合（Velcro效應(yīng)），有較強(qiáng)的相互作用力。通過對其斷裂機(jī)理和理論仿真模型的分析，層狀結(jié)構(gòu)在斷裂的過程中發(fā)生裂紋偏轉(zhuǎn)，裂紋分支和裂紋橋接，避免了應(yīng)力集中，對于復(fù)合材料的力學(xué)性能有較強(qiáng)的提升。同時(shí)層層密實(shí)化的纖維相對滑動所需要的摩擦力進(jìn)一步阻礙了其斷裂。制備的納米木質(zhì)纖維素/磷酸氫鈣復(fù)合材料的力學(xué)性能高于大部分的木質(zhì)纖維基復(fù)合材料，其比強(qiáng)度甚至能夠比肩于一些金屬和合金。
該論文第一作者為浙江農(nóng)林大學(xué)碩士研究生陳逸鵬，他和研究小組認(rèn)為該研究實(shí)現(xiàn)了從木質(zhì)纖維素到磷酸氫鈣的有效應(yīng)變傳遞，解析了天然有機(jī)分子和無機(jī)質(zhì)2種異質(zhì)材料間力學(xué)的相互作用機(jī)制，該研究將為制備更高力學(xué)強(qiáng)度的木質(zhì)纖維素基輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材提供新的研究策略。
研究報(bào)告發(fā)表于《ACS Nano》雜志。
全文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.8b06409
展開 
框架結(jié)構(gòu)地震時(shí)程分析
框架結(jié)構(gòu)地震時(shí)程分析
ANSYS框架結(jié)構(gòu)地震時(shí)程分析
主要闡述了地震波選波的一些關(guān)鍵點(diǎn)，如何根據(jù)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜人工生成地震波，ANSYS讀入地震波的方法以及計(jì)算結(jié)果的輸出方法以及其他的一些相關(guān)技巧。
ABAQUS框架-土體結(jié)構(gòu)地震作用時(shí)程分析（包含上部框架結(jié)構(gòu)定義、柱下獨(dú)立基礎(chǔ)、土體模型） ￥20
l1357vl5uep.mp4
本模型計(jì)算框架結(jié)構(gòu)在地震作用下的時(shí)程分析，模型建立了框架上部框架結(jié)構(gòu)包括梁、板、柱，柱下獨(dú)立基礎(chǔ)以及一定范圍內(nèi)的土體（定于無限元），包含了結(jié)構(gòu)-土體，即SSI模型，地震作用添加的是Elcentro波，通過該模型，可以學(xué)會簡單SSI（structure -soil interaction）模型的定義，地震作用的添加以及無限元的定義。通過學(xué)習(xí)該模型可類比分析地下結(jié)構(gòu)地層模型的地震作用時(shí)程分析，比如地鐵，地下通道，綜合管廊等。
TIM截圖20190218113315.png
展開 框架結(jié)構(gòu)近場、遠(yuǎn)場地震非線性動力分析
遠(yuǎn)場、近場地震結(jié)果分析
近場地震作用下選取特征點(diǎn)加速度最值對比/m/S2
最值
節(jié)點(diǎn)650
節(jié)點(diǎn)530
節(jié)點(diǎn)410
節(jié)點(diǎn)290
節(jié)點(diǎn)170
節(jié)點(diǎn)32
最大值
5.907
5.475
4.657
3.472
2.391
1.182
最小值
-4.946
-4.518
-3.798
-2.813
-1.760
-0.956
遠(yuǎn)場地震作用下選取特征點(diǎn)加速度最值對比/m/S2
最值
節(jié)點(diǎn)650
節(jié)點(diǎn)530
節(jié)點(diǎn)410
節(jié)點(diǎn)290
節(jié)點(diǎn)170
節(jié)點(diǎn)32
最大值
4.14596
3.63658
3.2745
2.8727
2.3499
1.26615
最小值
-3.6055
-3.690
-3.6656
-3.2505
-2.42285
-1.34764
可以看出，相同峰值加速度工況下，無論是位移還是加速度放大效應(yīng)，近場地震波作用下框架結(jié)構(gòu)頂部節(jié)點(diǎn)的放大效應(yīng)要大于遠(yuǎn)場地震波，所以，在地震時(shí)程分析過程中，不能忽略近場地震波的放大作用。
展開 大跨度鋼結(jié)構(gòu)地震過程仿真分析
大跨度鋼結(jié)構(gòu)地震過程仿真分析
近期，人們被日本九州地震和南美厄瓜多爾地震給震怕了，有人調(diào)侃“地球進(jìn)入振動模式”，實(shí)際上從長期來看，世界范圍內(nèi)的地震出現(xiàn)頻率和級別并無異常。在我們的科技水平還無法準(zhǔn)確預(yù)測地震的時(shí)候，防震救災(zāi)工作就顯得很重要，例如建筑設(shè)備的抗震能力能否抵抗住某次大級別地震，關(guān)系到人們生命安全問題。
以某個(gè)大跨度鋼結(jié)構(gòu)為例，介紹一下CAE方法在地震分析中的應(yīng)用。
地震分析方法一般分為底部剪力法、反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法。CAE領(lǐng)域常用反應(yīng)譜法或時(shí)程分析法，時(shí)程分析法采用的載荷是某次具體的地震波，反應(yīng)譜法是多個(gè)地震波的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，由時(shí)域轉(zhuǎn)換成頻域而來，從計(jì)算的經(jīng)濟(jì)性和通用性考慮，最常采用的是反應(yīng)譜法。
地震波反應(yīng)譜
學(xué)過力學(xué)的朋友都知道，地震波分為橫波和縱波，由于縱波的傳輸速度比橫波快，從振源首先到達(dá)地表，因此震中地區(qū)的人們首先感到的是上下震動，然后是橫向振動，豎向地震的加速度值比橫向要小，國標(biāo)規(guī)定取橫向數(shù)值的65%，因此對地面設(shè)備造成最大破壞的是橫波的剪切作用。CAE分析過程也分為豎向地震和橫向地震。
在abaqus中采用反應(yīng)譜法進(jìn)行地震分析，需要先提取結(jié)構(gòu)的頻率，然后再進(jìn)行反應(yīng)譜分析，同時(shí)輸入定義好的反應(yīng)譜和阻尼，反應(yīng)譜可以是加速度譜、位移譜、速度譜等內(nèi)容：
提交計(jì)算后就可以得到結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)：
今年7月28日是家鄉(xiāng)唐山抗震40周年紀(jì)念日，在技術(shù)落后的年代，自然災(zāi)害帶來的后果是慘痛的。
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展開 ANSYS地震時(shí)程分析如何考慮結(jié)構(gòu)自重的影響
很多朋友在用ANSYS做地震時(shí)程分析時(shí)，一直苦于如何在地震時(shí)程分析中考慮結(jié)構(gòu)的恒載。
目前兩種比較典型的錯(cuò)誤做法是：
一、先做靜力恒載工況分析，打開預(yù)應(yīng)力pstres開關(guān)；然后轉(zhuǎn)到時(shí)程分析
結(jié)果：該做法結(jié)構(gòu)恒載對后續(xù)時(shí)程分析毫無作用，結(jié)構(gòu)時(shí)程分析的初始狀態(tài)依然是0。
二、直接將重力加速度加在地震波上，例如，acel,9.8+aceq(i)
結(jié)果：該做法相當(dāng)于將重力加速度帶入了積分，相當(dāng)于放大了地震波。
正確做法：在地震時(shí)程計(jì)算前，通過關(guān)閉與打開時(shí)間積分效應(yīng)，來模擬結(jié)構(gòu)恒載對地震時(shí)程分析的影響，一個(gè)典型的考慮結(jié)構(gòu)恒載的地震時(shí)程分析步驟如下：
/solu
antype,trans
trnopt,full
timint,off !關(guān)閉時(shí)間積分效應(yīng)
time,1e-6 !設(shè)置極小的時(shí)間荷載步
acel,,9.8 !施加重力加速度
solve !恒載求解
kbc,1 !階躍荷載
timint,on !打開時(shí)間積分效應(yīng)
!==========
!讀取地震波
!==========
alphad,a
betad,b !阻尼定義
nsubst,1 !子步數(shù)定義
*do,i,1,N
time,0.02*i !時(shí)間點(diǎn)
acel,,aceq(i)
solve
*enddo
!========
save
展開 應(yīng)用ABAQUS進(jìn)行復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)的彈塑性地震反應(yīng)分析
Abaqus上海土木研討會上的演講ppt.
Abaqus.rar
【CAE案例】鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的非線性地震分析的建模和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
應(yīng)用的地震信號為單軸垂直的，測試程序包括了9個(gè)遞增的加速度等級。
圖4 CEA測試模型
在通用結(jié)構(gòu)仿真軟件中使用的計(jì)算模型由2500個(gè)用來模擬混凝土的DKT單元與1900個(gè)用來模擬鋼筋的GRILLE單元組成。使用實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)設(shè)置楊氏模量等相關(guān)材料參數(shù)，在瞬態(tài)計(jì)算中，使用了二階NEWMARK時(shí)間積分法，增加了瑞利阻尼。分別使用ENDO_ISOT_BETON和GRILLE_CINE_LINE定義混凝土和鋼筋的非線性本構(gòu)模型。
圖5 樓板DKT模型
03 結(jié)果分析
如下圖所示，針對Nada?_B模型的驗(yàn)證，在兩種不同加速度時(shí)序載荷作用下，通用結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算的模型位移值與實(shí)驗(yàn)值體現(xiàn)出非常好的一致性。尤其是最大位移量的計(jì)算上，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的差異非常小。
圖6 Nice S1加速度時(shí)序譜與Meledy Ranch加速度時(shí)序譜下位移的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值
如下圖所示，針對Endo_Isot_Béton模型的驗(yàn)證，對于非線性與線性計(jì)算結(jié)果，通用結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值都有著較好的匹配度。
圖7 樓板實(shí)驗(yàn)線性（左）與非線性（右）實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值比較
04 結(jié)論
在本次研究中，針對兩種鋼筋混凝土模型：2D各向異性的Nada?_B模型，與3D各向同性Endo_Isot_Béton模型，設(shè)計(jì)了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，并與通用結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果證明這兩種計(jì)算模型都有著較高的精度。
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展開 基于粘彈性人工邊界的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的摸態(tài)分析和地震分析（原創(chuàng)，如轉(zhuǎn)載，請注明出處）
分析類型：基于WORKBENCH的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的摸態(tài)分析和地震分析
分析平臺：WORKBENCH17
技術(shù)難點(diǎn)：粘彈性人工邊界在WORKBENCH中的實(shí)現(xiàn)；WORKBENCH中的梁體單元連接
實(shí)現(xiàn)過程：
1、網(wǎng)架，柱采用梁單元188；
2、地基采用solid185
3/在網(wǎng)格邊界上所有結(jié)點(diǎn)加法向和切向combin14號單元用以模擬粘彈性人工邊界（有關(guān)理論可參考劉晶波老師的相關(guān)文章）。combine14單元的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)，其中一個(gè)與實(shí)體單元相連，另一個(gè)結(jié)點(diǎn)固定。
(粘彈性人工邊界在ANSYS中的實(shí)現(xiàn)可參考我以前發(fā)的帖子《ANSYS知識普及系列15——粘彈性人工邊界在ANSYS中的實(shí)現(xiàn)》，網(wǎng)址為http://www.yqgqt.org.cn/content/post/292722)
完成人：技術(shù)鄰ANSYS專家
業(yè)務(wù)咨詢網(wǎng)址：http://www.yqgqt.org.cn/content/other/402981
技術(shù)背景：考慮粘彈性人工邊界的建筑抗震分析。提高分析精度。
工程意義：建筑結(jié)構(gòu)抗震
研究對象：網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)
代做業(yè)務(wù)：地震動力學(xué)分析
展開 文獻(xiàn)分享 | 使用 ANSYS Workbench 對涂有木質(zhì)涂層的直齒輪進(jìn)行接觸應(yīng)力分析
ANSYS
ANSYS 是一種多用途有限元計(jì)算機(jī)工具，用于解決結(jié)構(gòu)和熱傳輸工程分析[20]。靜態(tài)分析、彈性、塑性、熱、應(yīng)力、應(yīng)力強(qiáng)化、大變形、雙線性單元、動態(tài)分析、建模、諧波響應(yīng)、線性時(shí)程、非線性時(shí)程、傳熱分析（傳導(dǎo)、對流、輻射）、耦合流體流、耦合電流、結(jié)構(gòu)、磁學(xué)都是 ANSYS 解決問題的能力[21]、[22]。連續(xù)體具有無限個(gè)自由度，有限元分析中的元素?cái)?shù)量減少了該數(shù)量[23]。這些元素被認(rèn)為僅在其節(jié)點(diǎn)處連接。使用的元素越多，解決方案的準(zhǔn)確性就會越高。使用的元素?cái)?shù)量越多，結(jié)果就越準(zhǔn)確[24]。
Methodology
4 Methodology 方法
以下是完成分析的過程。
? 導(dǎo)入到 ANSYS 工作臺
? 生成網(wǎng)格
? 應(yīng)用材料屬性
? 應(yīng)用支撐
? 施加負(fù)載
? 分析變形和應(yīng)力
? 繪制圖表
4.1 . 導(dǎo)入模型
只需轉(zhuǎn)到文件菜單，選擇導(dǎo)入文件，然后單擊生成圖標(biāo)即可將 PRO-E.IGES 文件導(dǎo)入 ANSYS 軟件。之后，在ANSYS中生成PRO-E文件。然后選擇單位和材料屬性并應(yīng)用網(wǎng)格、載荷和支撐。
4.2 . 應(yīng)用材料屬性
下一個(gè)問題是將材料屬性應(yīng)用于樣本。ANSYS 11 是一個(gè)包含各種材料的大型數(shù)據(jù)庫。表1顯示了與分析相關(guān)的各種屬性詳細(xì)信息。
表 1 .
展開 框架結(jié)構(gòu) 剪力墻結(jié)構(gòu) ABAQUS水平地震力計(jì)。算 ,push over ，動力時(shí)程計(jì)算 ，反應(yīng)譜
框架結(jié)構(gòu) 剪力墻結(jié)構(gòu) ABAQUS水平地震力計(jì)。算 ,push over ，動力時(shí)程計(jì)算 ，反應(yīng)譜(二維建模，三維建模)
