ANSYS時(shí)程分析中的阻尼比

2017-04-26  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)



1.《高規(guī)》,《抗規(guī)》和《混規(guī)》全稱是什么?

在設(shè)計(jì)院里,工程師們將《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》簡稱《高規(guī)》,將《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》簡稱《抗規(guī)》,《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》簡稱《混規(guī)》。

2.在這些規(guī)范中常提到時(shí)程分析,什么是時(shí)程分析?

時(shí)程分析法是20世紀(jì)60年代逐步發(fā)展起來的抗震分析方法。用以進(jìn)行超高層建筑的抗震分析和工程抗震研究等。至80年代,已成為多數(shù)國家抗震設(shè)計(jì)規(guī)范或規(guī)程的分析方法之一。

“時(shí)程分析法”是由結(jié)構(gòu)基本運(yùn)動方程輸入地震加速度記錄進(jìn)行積分,求得整個時(shí)間歷程內(nèi)結(jié)構(gòu)地震作用效應(yīng)的一種結(jié)構(gòu)動力計(jì)算方法,也為國際通用的動力分析方法。

“時(shí)程分析法”常作為計(jì)算高層或超高層的一種(補(bǔ)充計(jì)算)方法,也就是說滿足了規(guī)范要求的時(shí)候是可以不用它計(jì)算結(jié)構(gòu)的。規(guī)范規(guī)定:對于特別不規(guī)則的建筑、甲類建筑及超過一定高度的高層建筑,宜采用時(shí)程分析法進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算。所以有較多設(shè)計(jì)人員對應(yīng)用時(shí)程分析法進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)感到生疏。近年來,隨著高層建筑和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的發(fā)展,時(shí)程分析在工程中的應(yīng)用也越來越廣泛了。

3.在這些規(guī)范中常提到阻尼比,什么是阻尼比?

《預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)程》JGJ140-2004第2.1.1條定義:阻尼比是阻尼振動的實(shí)際阻力與產(chǎn)生臨界阻尼所需阻力的比值。

當(dāng)阻力使振動物體剛好能不作周期性振動而又能最快地回到平衡位置的情況,稱為臨界阻尼。

可見,阻尼比越大,結(jié)構(gòu)越“剛”,阻尼比越小,結(jié)構(gòu)越“柔”。因此隔震減震設(shè)計(jì)中常常采用設(shè)置阻尼器的方式。

阻尼比是無單位量綱,表示了結(jié)構(gòu)在受激振后振動的衰減形式。結(jié)構(gòu)常見的阻尼比都在0~1之間。

  • 阻尼比ξ=0,稱為無阻尼;

  • 阻尼比0<ξ<1,稱為欠阻尼;

  • 阻尼比ξ=1,稱為臨界阻尼;

  • 阻尼比ξ>1,稱為過阻尼。

ANSYS時(shí)程分析中的阻尼比ansys仿真分析圖片1

下圖為不同阻尼比ξ條件下的位移時(shí)程曲線,具有如下特征:

  • 無阻尼振動(阻尼比ξ=0),振幅不衰減。

  • 欠阻尼振動(阻尼比0<ξ<1),振幅逐漸衰減,也就是恢復(fù)到平衡狀態(tài)的時(shí)間超過一個周期。

  • 臨界阻尼振動(阻尼比ξ=1),振動到一個周期,振幅剛好衰減到0,也就是恢復(fù)到平衡狀態(tài)的時(shí)間剛好為一個周期。

  • 過阻尼振動(阻尼比ξ>1),因?yàn)檫^阻尼的時(shí)候阻尼力比臨界阻尼時(shí)候大,趨于平衡狀態(tài)的時(shí)候總的恢復(fù)力小,自然表現(xiàn)出來的就是衰減比臨界阻尼的要慢。

ANSYS時(shí)程分析中的阻尼比ansys仿真分析圖片2

時(shí)程曲線來源:瞬態(tài)動力學(xué)專題-單自由度系統(tǒng)自由振動ANSYS分析。

4.規(guī)范中常用阻尼比取值歸納

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ 3-2010,簡稱《高規(guī)》

11.3.5 影響結(jié)構(gòu)阻尼比的因素很多,因此準(zhǔn)確確定結(jié)構(gòu)的阻尼比是一件非常困難的事情。試驗(yàn)研究及工程實(shí)踐表明,一般帶填充墻的高層鋼結(jié)構(gòu)的阻尼比為0.02左右,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼比為0.05左右,且隨著建筑高度的增加,阻尼比有不斷減小的趨勢。鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)的阻尼比應(yīng)介于兩者之間,考慮到鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度主要來自混凝土核心筒,故阻尼比取為0.04,偏向于混凝土結(jié)構(gòu)。風(fēng)荷載作用下,結(jié)構(gòu)的塑性變形一般較設(shè)防烈度地震作用下為小,故抗風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)的阻尼比應(yīng)比抗震設(shè)計(jì)時(shí)為小,阻尼比可根據(jù)房屋高度和結(jié)構(gòu)形式選取不同的值;結(jié)構(gòu)高度越高阻尼比越小,采用的風(fēng)載荷回歸期越短,其阻尼比取值越小。一般情況下,風(fēng)載荷作用時(shí)結(jié)構(gòu)樓層位移和承載力驗(yàn)算時(shí)阻尼比可取為0.02~0.04,結(jié)構(gòu)頂部加速度驗(yàn)算時(shí)的阻尼比可取為0.01~0.05。(第319頁)


《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50011-2010,簡稱《抗規(guī)》

5.1.5除有專門規(guī)定外,建筑結(jié)構(gòu)的阻尼比應(yīng)取0.05。(建筑結(jié)構(gòu)是指普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu))(第34頁)

8.2.2 鋼結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算的阻尼比宜符合下列規(guī)定:

1 多遇地震下的計(jì)算,高度不大于50m時(shí)可取0.04;高度大于50m且小于200m時(shí),可取0.03;高度不小于200m時(shí),宜取0.02。

2 當(dāng)偏心支撐框架部分承擔(dān)的地震傾覆力矩大于結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的50%時(shí),其阻尼比可比本條1款相應(yīng)增加0.005。

3 在罕遇地震下的彈塑性分析,阻尼比可取0.05。(第99頁)


《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50010-2010,簡稱《混規(guī)》

11.8.3 預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)的阻尼比宜取0.03;在框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-核心筒結(jié)構(gòu)及板柱-剪力墻結(jié)構(gòu)中,當(dāng)僅采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁或板時(shí),阻尼比應(yīng)取0.05。(第198頁)


《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50191-2012

5.1.9 構(gòu)筑物的阻尼比除本規(guī)范另有規(guī)定外,其余均可按0.05采用。(第37頁)

7.2.1 鋼框排架結(jié)構(gòu)的阻尼比可取0.03。(第81頁)

8.2.3 鍋爐鋼結(jié)構(gòu)在多遇地震下的阻尼比,對于單機(jī)容量小于25MW的輕型或重型爐墻鍋爐可采用0.05;對于單機(jī)容量不大于200MW的懸吊式鍋爐,可采用0.04;對于單機(jī)容量大于200MW的懸吊鍋爐,可采用0.03;罕遇地震下的阻尼比可采用0.05。(第111頁)

9.2.3 鋼筒倉在多遇地震下的阻尼比可取0.03,在罕遇地震下的阻尼比可取0.04。(第119頁)

10.2.3 鋼筋混凝土井架的阻尼比可采用0.05;鋼井架多遇地震下的阻尼比可采用0.03,在罕遇地震下的阻尼比可取0.04。(第129頁)

11.2.3 鋼筋混凝土井塔的阻尼比可采用0.05;鋼井塔在多遇地震下的阻尼比可采用0.03,在罕遇地震下的阻尼比可采用0.04。(第137頁)

13.2.7 電視塔阻尼比可按表13.2.7選取(第155頁)


《預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)程》JGJ 140-2004

3.1.2 以預(yù)應(yīng)力框架結(jié)構(gòu)、板柱-框架結(jié)構(gòu)作為主要抗側(cè)力體系的建筑結(jié)構(gòu),其阻尼比應(yīng)取0.03。注2中規(guī)定:當(dāng)在框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-核心筒結(jié)構(gòu)及板柱-剪力墻結(jié)構(gòu)中,采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁或板時(shí),仍應(yīng)按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011取阻尼比為0.05的地震影響系數(shù)曲線,確定水平地震力。(第5頁)


當(dāng)結(jié)構(gòu)中僅在局部采用預(yù)應(yīng)力梁或板時(shí),則應(yīng)適用《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010第5.1.5條,按普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)采用阻尼比0.05。如果所采用的計(jì)算軟件允許對構(gòu)件分別定義其阻尼比,可以將預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的阻尼比定義為0.03,結(jié)構(gòu)整體阻尼比仍應(yīng)取0.05。

5.在ANSYS時(shí)程分析中,阻尼比怎么設(shè)置?

瞬態(tài)動力學(xué)分析,亦稱時(shí)間歷程分析,簡稱時(shí)程分析。

還是以“單自由度系統(tǒng)自由振動ANSYS分析”為例,進(jìn)行說明。

一、問題描述

一個單自由度系統(tǒng)的有阻尼自由振動,質(zhì)量m = 0.5 kg,剛度k =5 kN/m,阻尼比ξ = 0.02。初始向下受拉力,使彈簧伸長0.2m,然后突然釋放,計(jì)算位移隨時(shí)程響應(yīng)情況。

ANSYS時(shí)程分析中的阻尼比ansys仿真分析圖片3

二、理論分析

單自由度彈簧質(zhì)量系統(tǒng)的固有頻率f、圓頻率ω和固有周期T關(guān)系式

ANSYS時(shí)程分析中的阻尼比ansys分析案例圖片4

阻尼比ξ與阻尼系數(shù)c、質(zhì)量阻尼系數(shù)α、剛度阻尼系數(shù)β、對數(shù)衰減率δ之間的關(guān)系式為

ANSYS時(shí)程分析中的阻尼比ansys分析案例圖片5

以上兩組公式對于復(fù)雜結(jié)構(gòu),仍然適合。只是固有頻率的計(jì)算,需要進(jìn)行ANSYS的模態(tài)分析,計(jì)算出固有頻率。

根據(jù)以上公式,求得固有頻率f = 15.915Hz,固有周期T = 0.0628s。

阻尼比ξ = 0.02時(shí),阻尼系數(shù)c = 2,質(zhì)量阻尼系數(shù)α= 4,剛度阻尼系數(shù)β= 4e-4,對數(shù)衰減率δ= 0.125688846。

三、ANSYS步驟

經(jīng)過反復(fù)ANSYS數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn),總結(jié)出以下7種輸入相關(guān)阻尼的等效方法。

(1)阻尼系數(shù)c = 2

適合于單元阻尼,比如本例子COMBIN40單元在實(shí)常數(shù)中輸入。

GUI:Main Menu>Preprocessor> Real Constants> Add→ Type 1→ OK→ Real Constant Set No.:1,彈簧剛度K1:5000,阻尼系數(shù)C:2,質(zhì)量M:0.5→ OK→ Close。

APDL:R,1,5000,2,0.5 !彈簧剛度、阻尼系數(shù)和質(zhì)量

ANSYS時(shí)程分析中的阻尼比ansys workbanch圖片6

(2)材料阻尼,質(zhì)量阻尼系數(shù)α = 4

GUI:Main Menu> Preprocessor>Material Props> Material Models→ Structural→ Damping→ Mass Multiplier →ALPD:4 → OK。

APDL:MP,ALPD,1,4 !等同于α阻尼

ANSYS時(shí)程分析中的阻尼比ansys workbanch圖片7

ANSYS時(shí)程分析中的阻尼比ansys培訓(xùn)的效果圖片8

(3)材料阻尼,剛度阻尼系數(shù)β = 4e-4

GUI:Main Menu> Preprocessor>Material Props> Material Models→ Structural→ Damping→ Stiffness Multiplier →BETD:4e-4 → OK。

APDL:MP,BETD,1,4e-4 !等同于β阻尼

ANSYS時(shí)程分析中的阻尼比ansys培訓(xùn)的效果圖片9

ANSYS時(shí)程分析中的阻尼比ansys分析案例圖片10

(4)材料阻尼,剛度阻尼系數(shù)β = 4e-4

GUI:沒找到菜單,可直接通過APDL輸入。

APDL:MP,DAMP,1,4e-4 !材料阻尼,等同于β阻尼

ANSYS時(shí)程分析中的阻尼比ansys分析案例圖片11

ANSYS時(shí)程分析中的阻尼比ansys分析圖片12

(5)全局性的阻尼,質(zhì)量阻尼系數(shù)α = 4

GUI:Main Menu> Solution> Analysis Type> Sol’n Controls→Transient→ Mass matrix multiplier (ALPHA):4 → OK。

APDL:ALPHAD,4

ANSYS時(shí)程分析中的阻尼比ansys分析圖片13

(6)全局性的阻尼,剛度阻尼系數(shù)β = 4e-4

GUI:Main Menu> Solution> Analysis Type> Sol’n Controls→Transient→ Stiffness matrix multiplier (BETA):4e-4 → OK。

APDL:BETAD,4e-4

ANSYS時(shí)程分析中的阻尼比ansys圖片14

(7)全局性的阻尼,對數(shù)衰減率δ = 0.125688846

GUI:Main Menu> Solution> Analysis Type> Sol’n Controls→Transient→ Amplitude decay GAMMA:0.125688846 → OK。

APDL:TINTP,0.125688846

ANSYS時(shí)程分析中的阻尼比ansys圖片15

全局性的阻尼包括Rayleigh阻尼(α阻尼和β阻尼)和對數(shù)衰減率,對數(shù)衰減率是一種數(shù)值阻尼。

當(dāng)模型由許多不同材料部件或構(gòu)件組成時(shí),各部分的材料阻尼相差甚遠(yuǎn),需要考慮阻尼的局部差異。為了考慮這種情況,ANSYS采用材料阻尼作為一種附加手段。


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