SAP2000与ANSYS 实例分析

SAP2000与ANSYS 实例分析 高等有限元论文 SAP2000与ANSYS 实例分析 Advanced FEM 论文 SAP2000与ANSYS 实例分析 摘要 Sap2000与ANSYS为有限元分析软件中较为知名的两款软件。本文通过实 例来简要说明两款软件的分析过程，同时从建模、计算到结构的查看进行了一些 对比，使初学者能初步了解两款软件的适用范围与使用方法，为进一步学习打下 坚实的基础。同时，本文还有一些软件使用的#体会#，为初学者排除学习过程 中的一些疑问起到了指导作用。 关键词:SAP2000，ANSYS，结构分析，实例 SAP2000 and ANSYS Case Analysis Abstract Sap2000 and the ANSYS 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 scope 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，Structural analysis, examples Advanced FEM 论文 目录 0 前言 ...................................................................................................................... 1 0.1 本文内容 .................................................................................................... 1 0.2写作目的 ..................................................................................................... 1 0.3软件简介 ..................................................................................................... 1 0.4模型............................................................................................................. 4 0.5小结............................................................................................................. 4 1 建模 .................................................................................................................... 5 1.1 几何模型 .................................................................................................... 5 1.2 材料模型 .................................................................................................... 7 1.3 环境约束模型 ............................................................................................ 7 2 计算 .................................................................................................................... 9 2.1 单值计算 .................................................................................................... 9 2.2 组合计算 .................................................................................................. 10 3 数据后处理 ....................................................................................................... 10 3.1 SAP2000 .................................................................................................... 11 3.2 ANSYS10.0 ................................................................................................ 11 3.3 小结分析 .................................................................................................. 12 4 结语 .................................................................................................................. 13 参考文献 ................................................................................................................ 14 Advanced FEM 论文 0 前言 0.1 本文内容 本文将运用Sap2000和ANSYS软件对同一个结构模型进行分析，包括软件的简介、模型的建立、求解计算、数据后处理及一些操作细节等进行较为详细的介绍，对两款软件的操作过程作简要介绍的同时也要对两款著名的有限元分析软件进行一些对比。本文重点放在每节的小结分析之中，是对软件使用后的体会感悟，与大家一起分享。 0.2写作目的 作为课程论文，本文在广度与深度上有所取舍，选取两款较为知名的有限元软件对一个简单模型的分析为例对有限元分析进行初步介绍，希望能对今后的初学者了解及初步掌握有限元分析起到一些帮助，少走一些弯路。 同时，将两款软件放在一起进行对比分析，并不是要区分出哪一个更好，而是要通过对比让大家更加深入的了解两款软件共性与区别，了解软件的适用性与局限性，了解有限元分析的过程，帮助我们全面深入的掌握有限元分析这一强有力的工具。 0.3软件简介 自从三十前SAP诞生以来，它已经成为最新分析方法的代名词。SAP2000保持了原有产品的传统，具有完善、直观和灵活的界面，为在交通运输、工业、公共事业、体育和其他领域工作的师提供无出其右的分析引擎和设计工具。 在SAP2000三维图形环境中提供了多种建模、分析和设计选项，且完全在一个集成的图形界面内实现。在今天的市场上SAP2000已经被证实是最具集成化、高效率和实用的通用结构软件。 先进的分析技术提供了:逐步大变形分析、多重P-Delta效应、特征向量和Ritz向量分析、索分析、单拉和单压分析、Buckling屈曲分析、爆炸分析、针对阻尼器、基础隔震和支座塑性的快速非线性分析、用能量方法进行侧移控制和分 【】1段施工分析等。 1 Advanced FEM 论文 这是SAP2000的图标: 1 下面是SAP2000V9.0的操作界面。 图 1 SAP2000操作界面图 ANSYS 于1970年诞生于美国，在30多年的发展过程中不断改进提高，功能不断增强。ANSYS软件是集结构、热、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体的大型通用有限元分析软件，用户涵盖了机械、航空航天、能源、交通运输、土木建筑、水利水电、电子、生物、医学等众多领域。 ANSYS系列是一套可自由选配集成的功能模块组成的产品，用户可根据需 【】2要集成某些模块来满足各行各业的工程需求。 这是ANSYS的图标: 下面是ANSYS10.0的操作界面。 1 为了使打印效果较好，对图片进行了除色处理，与实际显示效果略有差别，以下均如此\(^o^)/~。 2 Advanced FEM 论文 图 2 ANSYS10.0GUI界面 详细信息参见下表: 表 0-1 SAP 与 ANSYS简讯 SAP ANSYS 比较项目 21978 1970 出生年代 所属公司 美国CSI公司 美国ANSYS公司 FORTRAN FORTRAN 开发语言 SAP X ANSYS xx.x 版本编号 SAP2000 V14.0 ANSYS14.0 最新版本 汉化GUI 是 否 命令流操作 Access 及Excel方式 文本编辑方式 适用范围 结构分析 通用有限元分析 二次开发 可以 可以 硬件要求 较高 较高 2 SAP2000是sap家族的一员，诞生于1996年，是sap系列中的最新版本。 3 Advanced FEM 论文 0.4模型 本文整个分析过程采用的模型如下图。 图 3 模型简图 模型采用钢结构，节点假定固结，底部支座为三个固端支座，上部九个节点分别承受竖向荷载1kN，外侧三个节点各承受水平荷载1kN。我们将分析其受力情况及变形情况。 0.5小结 简单看一下我们会发现，SAP系列专门针对结构分析而来，ANSYS则是全面开花，适用范围更广，我们建筑结构分析只是它的一个模块而已。再者，ANSYS 3GUI操作界面没有汉化版本，这对于英文不好或没学过英文的人可是个不小的障碍呀 ;-)。 分析采用的模型受力简单，传力明确，实际上属于一个简单的试算模型。所谓试算模型是指在进行复杂的大型的真实的计算之前，先用一个结构形式近似但更简单受力传力更明确的模型算一下，定性及定量考察结果的正确性，以确定前 3 实际也有一些人做汉化，但效果差强人意，毕竟人家ANSYS公司还没想为中国人民单独搞一套系统。 4 Advanced FEM 论文 期的材料模型结构形式等计算假定及参数的选取是否合理准确。 只有在判断了前期的参数选取计算假定基本符合实际的情况下进行真实的复杂的模型的计算，才能确保计算的准确性。 41 建模 建模过程主要包括几何模型的建立，材料模型的建立以及外界环境对模型的约束作用，下面我们就分别来看看。 1.1 几何模型 几何模型包括模型几何形状的确定及各构件截面尺寸的确定两个部分。 几何形状的确定一般软件都提供两种方法，一是通过软件自身的坐标系及绘图工具一步步绘制，二是通过第三方软件绘制后导入该软件即可。 【】31.1.1 SAP2000 点击菜单文件-新模型，得到新模型建立对话框，可以快速方便的建立起所要分析的模型。 图 4 SAP2000新模型的建立 不过，对于熟悉ACAD绘图的人来说，我们更常用的是导入ACAD以画好的图形，这样做建模速度更快。 4 在ANSYS中，荷载及约束情况划分到Solution模块中，为方便比较，我们按常规将其纳入建模当中。 5 Advanced FEM 论文 首先将已画好的CAD图另存为.dxf格式文件，再进入SAP2000点击导入菜单。 小秘密: Acad中模型千 万不能放在0图 层，否则sap2000 就找不到他了 O(?_?)O~。 图 5 sap2000导入菜单 导入后即可进行下一步了。点击定义-框架截面即可对构件截面进行定义。 本模型所有构件采用直径为10mm的钢筋。 1.1.2 ANSYS10.0 ANSYS有很强大的建模工具，点、线、面、体俱全，并且 有一系列的针对点线面体的操作，熟练应用这些工具，能构造 出非常复杂的模型。 美中不足的是对于由CAD等绘图软件绘制好的杆系结构， ANSYS无法直接导入，必须采用一些第三方辅助软件进行一 下转换。DxfToAnsys这个小软件就可以替ANSYS完成这一任 务。 构件截面形式需进入前处理器的实常数菜单进行设定。 与sap2000不同的是ANSYS在定义各构件截面前需 指定构件所要采用的单元类型。 ANSYS导入几何模型后如右图。 1.1.3 小结分析 几何建模是一项非常繁琐的工作，尤其是所建模型较 为复杂的时候。熟练的应用软件所提供的各种工具是正确 而快速的建立模型的关键。 6 Advanced FEM 论文 对于前期已经利用绘制好的图形来说，能直接导入计算软件避免重复劳动是一件再好不过的事了。ANSYS所支持的导入类型较少，这恐怕是它的一个小瑕疵吧。 在定义截面这一步中，SAP2000的库非常全面，一般常用的截面类型都无需用户自定义，直接选择需要的即可。而ANSYS中的构件截面特性需要用户一一指定，并没有现成的供你选择。因为毕竟ANSYS不是专门来算建筑结构这一块的，于是乎他也就没有做的那么细致?_?。 在ANSYS中，利用其复杂的坐标系统，对建立一些复杂结构及异型结构，尤其是涉及各种面和体交叉叠合形状怪异之时，构造之时便游刃有余了，这时他的优势便显现了出来。 1.2 材料模型 1.2.1 sap2000 对于常用的材料，软件材料库都已经提供了各 种材料的详细信息。如果没有你想要的材料就需要 自己要去新定义材料了。 本模型采用直径为10mm的钢筋。 1.2.2 ANSYS10.0 ANSYS中没有材料库，所用的材料必须自己亲手定制。 进入如右图Preprocessor下的第三个菜单，可定义所需材料 的参数，包括杨氏模量、泊松比等。 1.2.3 小结分析 同样，SAP2000中已经具备了常见的材料库，可由用户直接选择，对于非常见材料可由用户自定义，而ANSYS中所有材料特性必须由用户一一指定。 1.3 环境约束模型 本节我们将为模型施加荷载及指定约束情况，完成建模的最后工序。 7 Advanced FEM 论文 1.3.1 sap2000 点击菜单指定-节点-约束，为模型增加约束。底部九个点均为固定约束。 点击菜单指定-节点荷载-力，为模型施加作用力。竖向及水平作用力均为1kN。 施加约束及荷载后的模型如右图。 1.3.2 ANSYS10.0 点击如下图菜单可为模型指定荷载及约束，大小同上 所述。结果如下图。 1.3.3 小结分析 对于施加作用来说二者几乎没有什么差别，先指定作用点或构件，再制定作用的大小方向等等。 但是一个重大的区别是在sap2000中，完成上述工作后建模工作就基本宣告结束了，而在ANSYS中，完成上述工作还不等于建模工作的结束。 ANSYS中这时还要进行对模型的剖分，这是有限元分析的十分重要的一步，剖分的质量如何会直接影响计算结果的好坏。剖分可以自动进行也可以手动进行，一般来说选择自动即可，但对于某些特殊部位特殊构件来说，手动剖分更能体现计算者的思路，得到更加合理有用的结果，这不能不说是ANSYS的一大好处。 那同为有限元分析程序的SAP2000为什么又不用剖分了呢,那是因为这些 8 Advanced FEM 论文 工作计算机都替我们完成了。根据你计算类型的选择，SAP2000将剖分放在了后台进行，减少了计算者的工作量，但同时，也减少了计算者选择的自由。有得必有失嘛，鱼和熊掌永远不能兼得。 在SAP2000中导入dwf文件后常常需要做的一个小动作是选择所有节点，使用合并命令使距离很小的点合并为一个点。这样做的原因是在CAD绘图时，由于有时捕捉的偏移使得一些本该重合的点有了细微的差别，而人用肉眼又很难分辨出来，如果不进行合并，计算将导致错误。 而ANSYS中没有设置这个命令，所以在使用导入模型的时候就得慎重了，一定要确保CAD等绘图工具所绘制的图是准确无误的。 另外，单位制的选择也是令我们头疼的问题之一。 在SAP2000中，右下角有一个选择所用单位制的列表框，里面列出了结构计算中常用的几种单位组合情况，基本能满足使用要求。用户选择任意一种后，在输入数据的时候只要比对所用的单位制换算正确即可。 而在ANSYS中，似乎从来没有遇到过单位的问题。那是应为ANSYS中并没有单位的概念，任何数据软件仅认为那是一个数据，不带任何单位，单位的控制取决于用户。所以在我们输入任何数据的时候就要自己“假想”一套单位制，我们可以采用任何我们熟悉的单位制，但原则只有一个:前后统一。即我们所输入的单位制再输入任何数据时采用的都是同一套单位。 2 计算 模型建立好之后就可以进行计算了。我们可以进行一种荷载作用的计算，也可以进行几种荷载组合下的分析。 2.1 单值计算 此种计算较为简单，建立好模型后直接点击计算即可。计算过程无须我们干预，程序都帮我们做了(?_?)。 9 Advanced FEM 论文 2.2 组合计算 2.2.1 SAP2000 SAP2000再进行组合计算时需先定义好荷载工况及组合工况，各种组合情况定义好即可立即进行计算。计算过程无需人工干预。 2.2.2 ANSYS10.0 计算前需做好准备工作，包括选择分析类型、指定荷载施加时间方式等。ANSYS中荷载组合放在计算完成之后分析结果中，对结果进行各种组合。计算过程亦无须人工干预。 2.2.3 小结分析 实际上，计算工作是最为复杂最为头疼的工作。只是有了软件编写者的大量劳动才解放了我们，使得计算工作成了所有工作中最轻松的一个。 前期的所有工作其实只是在告诉计算机计算的条件，也就是把一个具体的问题抽象成一个计算机模型的过程。幸好计算机还不会进行抽象，要不还要我们有什么用～?_? 换句话说，我们的主要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，这一点十分重要。 3 数据后处理 数据的后处理主要是对计算数据的利用，为我们分析研究问题做出指导，同时我们通过分析数据也可以反向检查我们的模型建立的正确与否。可以说，一个成功的软件会让用户轻松获取各种所需要的信息。 数据查看方式可以分为三种。 一是显示查看，就是将各种信息显示在电脑屏幕上方便用户及时了解结果集分析内容;二是文本方式查看，使用户能够方便的将数据应用在报告中或进行后续应用处理或是与他人交流;三是图像查看，使用户能方便直观快速的对结果了然于胸。 10 Advanced FEM 论文 3.1 SAP2000 SAP2000提供了各个构件及节点的受力、变形等信息的查看，下面是本例计算完成后轴力的显示结果，可以 查看整体受力图也可查看每个 杆件的受力，亦可到出表格。 图 6 某杆件受力图 图 7 模型整体受力图 此外，显示界面还提供了动画演示，更加清晰直观的观察结构受力后的变形状态。 3.2 ANSYS10.0 右图是ANSYS的后处理菜单。在此菜单下可以方便的查看计算数据及各种数据图表。 ANSYS也能提供动画演示，不过没有直接做在显示界面上，想看动画效果或效果录像需自己动动手。 分析结果如下。 11 Advanced FEM 论文 图 8 ANSYS列表显示 图 9 ANSYS绘图显示 3.3 小结分析 在进行显示查看的时候SAP2000的动画系统的使用非常方便，只需点击几个控制按钮便可以清晰直观的查看结构的变形情况，而在ANSYS中想要看变形的动画效果还需用户自定义一下，不是非常方便。 在列表查看时，SAP2000列出的表格可直接导入到Excel中，既方便查看又方便进行后处理，而在ANSYS中列表显示为txt形式，对于后处理增加了一些小小的麻烦，需要自己将其转为Excel等专业表格中。 虽然是同一个简单的模型，但二者计算结果相差却较大。仔细分析原因才发现原来是ANSYS中所采用的单元与SAP2000所采用的单元不同所致。在SAP2000中，采用何种单元有程序根据计算参数自动进行选择合适的单元，而在ANSYS中，采用何种单元需要用户自定义，在选择过程中就容易出现不适。所以在应用ANSYS时对采用何种单元一定要慎重选择，与实际情况相符合。 12 Advanced FEM 论文 4 结语 总体来说似乎是这样的: SAP2000着重于结构分析，对结构分析的各个环节进行了更深层次的开发、外包，减少了用户的工作量，方便了用户的使用，但同时由于包的壳太多，掩盖了很多有限元计算的本质。 ANSYS着重于综合性应用，结构只是其中一部分而已，他表现的更原始、更加接近于有限元计算的本质，但正是由于其更本质，结果使用户的工作量较大，使用起来稍感不便。 熟话说“一招鲜吃遍天”，软件的优劣很大程度上也取决于使用者的熟练程度及利用深度。所以知道了他们的长短处之后的工作就是深入的了解其内部的结构及解决问题的方法了。 13 Advanced FEM 论文 参考文献 【】1www.bjcks.com 【】2邓凡平.ANSYS 10.0有限元分析自学手册.人民邮电出版社.2007 【】3 北京金土木软件技术有限公司.SAP2000中文版使用指南.人民交通出版社.2006 14