《ANSYS谐响应分析在结构受迫振动中的应用》

2006年用户年会论文

ANSYS谐响应分析在结构受迫振动中的应用

[李亚楠俞新蔡绍元徐志刚]

[中国五环化学工程公司，湖北武汉 430079]

[ 摘要 ] 建筑结构上的设备振动所引起的楼层振幅不仅给结构安全带来隐患，而且影响其他设备的正常运转。常规的结构设计软件不能考虑设备振动所产生的周期载荷，给结构计算带来诸多不便，

而ANSYS的谐响应分析很好地解决了设备运转所产生的结构受迫振动问题。本文通过 ANSYS

有限元软件计算分析，采取合理措施，有效地限制了结构受迫振动所引起的楼层振幅。

[ 关键词]ANSYS；谐响应；受迫振动；楼层振幅

Application of harmonic response analysis of ANSYS in the forced vibrations of structures

[Li Yanan Yu Xin Cai Shaoyuan Xu Zhigang]

[China Wuhuan Chemical Engineering Corp. , Wuhan Hubei 430079 China]

[ Abstract ] The vibration of equipments on the architectural structure brings the floor amplitude, it not only brings the hidden trouble for the structural safety, but also affects the natural work of the

other equipments. The usual structure design software can not consider periodic loads that

are brought as a result of the vibration of equipments, it brings a lot of trouble to structural

calculation, however, the harmonic response analysis of ANSYS commendably solves the

matters of forced vibrations that are brought as a result of the operation of equipments. In

this paper, with the calculation and analysis of ANSYS, reasonable measures are taken, it is

solved how to effectively restrict the floor amplitude that is brought as a result of forced

vibrations.

[ Keyword ] ANSYS; harmonic response; forced vibrations; floor amplitude

1前言

目前，在石油、化工、电力等工业领域，振动设备在厂房结构中是相当普遍的，而设备振动所产生的周期荷载将在结构系统中产生持续的周期谐响应，由此所引起的楼层振幅不仅给结构安全带来隐患，而且影响其他设备的正常运转。常规的结构设计软件无法模拟周期载荷的幅值、相位及频率，给结构计算带来诸多不便，而ANSYS的谐响应分析很好地解决了设备运转所产生的结构受迫振动问题，既保证了计算精度，又解决了实际问题。

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2用ANSYS 进行有限元计算分析

有限元法是目前工程技术领域中实用性最强、应用最为广泛的数值计算方法。其中以ANSYS为代表的有限元分析软件具有以下优点：减少设计成本、缩短设计和分析的循环周期、增加产品和工程的可靠性、采用优化设计、降低材料的消耗和成本、在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题、可以进行模拟实验分析、进行机械事故分析，查找事故原因。ANSYS软件是集结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，可广泛地应用于土木工程、交通、水利、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、国防军工、电子、造船、生物医学、地矿、日用家电等一般工业及科学研究。

ANSYS的谐响应分析只计算结构的稳态受迫振动，而不考虑发生在激励开始时的瞬态振动，谐响应分析能够预测结构的持续动力特性，从而验证结构能否克服共振、疲劳、以及其他受迫振动引起的有害效果。

2.1单元类型的选取

本文的有限元分析，主要用到ANSYS单元库提供的以下单元类型：EAM188、BEAM44、SHELL63、LINK8和MASS21。BEAM188单元用于模拟钢筋混凝土框架中的框架柱和框架梁；BEAM44单元用于模拟铰接次梁；SHELL63单元用于模拟框架上的楼板；LINK8单元用于模拟搂层立面上只承受拉压的钢支撑；MASS21单元用于模拟楼层上的设备载荷。

2.2 阻尼的确定

结构在受迫振动中的能量响应是其它响应(位移、速度、加速度等)之源，结构的能量共振是其它响应产生突变和共振之源。当激励荷载的频率与结构系统自振频率很接近时，结构的能量响应会出现非常大的突变，即能量共振，能量共振的幅度受结构阻尼比的影响，阻尼比越小，能量共振峰越陡峭，而对应的结构振幅就越大。因此，结构阻尼比在受迫振动中是不容忽视的。

阻尼是动力分析的一大特点，也是动力分析中容易引起困惑之处，由于它影响动力响应的衰减，因此对于谐响应分析十分重要。阻尼的本质和表现是相当复杂的，相应的模型也很多。ANSYS提供了强大又丰富的阻尼输入，比例阻尼、材料阻尼、恒定阻尼比、振型阻尼和单元阻尼。

本文采用最常用且能满足大多数工程实际的比例阻尼，用α阻尼和β阻尼实现。

2.3 求解方法

ANSYS的谐响应分析有三种求解方法：完全法、缩减法和模态叠加法。完全法（又称Full法）容易使用，求解精度高，允许非对称矩阵，可以定义各种类型荷载，但不能分析有预应力存在的谐响应；缩减法可以考虑预应力，但由于采用主自由度求解，结果不如完全法精确；模态叠加法的计算速度更快，可以使解按结构固有频率聚集，可以包含预应力效果，但不能施加非零位移约束。

本文根据工程实际（要求精度高，没有预应力，单元个数和自由度不算很多），采用完全法求解。

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2.4 算例

2.4.1工程概况

本工程为七层的工业厂房，振动设备布置在楼面上，

沿X、Y方向作往复振动，设备厂家提供了正弦波形式

的简谐力荷载。由于该工程与日方合作，为了考虑舒适

度和结构安全，根据各类条件，日本规范明确规定了该

μ的限制。

工程搂层振幅不得超过80m

2.4.2 计算分析

为了合理地考虑设备振动产生的简谐力荷载，分析

结构在稳态受迫振动下引起楼层振幅的数值计算和幅值

控制问题，我们需要应用ANSYS的谐响应分析求解该线

性结构承受正弦波动下系统的响应，利用ANSYS提供的

正弦函数方式输入实际的谐波激励，并利用后处理功能得到幅值—相位方式的输出结果。

μ的振幅限值，为了有效的控制搂层振幅，并通过计算，原有的结构方案不满足80m

满足工业建筑对结构立面空间的要求，我们采取延长横梁、设置∧形立面钢支撑的措施来增加在设备扰力方向建筑物的刚度，以减少振动影响，从而控制楼层幅值。计算结果显示，该方法是行之有效的，采取控制措施后搂层振幅数值如表1所示：

μ

表1 不同方向谐波激励作用下楼层水平振幅()m

3结论

本文借助于有限元分析软件ANSYS对工业设备运转所产生的结构受迫振动问题进行了深入的分析，得出了以下几点结论：

（1）应用ANSYS的谐响应分析可以很好地计算和分析周期荷载作用下结构的受迫振动问题，有效的克服了常规结构设计软件在这方面的欠缺。

（2）通过ANSYS的计算表明：增大设备扰力作用方向建筑物的刚度可以有效的减少振动影响，从而限制楼层振幅。

[参考文献]

[1]谭建国.使用ANSYS 6.0进行有限元分析.北京：北京大学出版社，2002

[2]谢能刚,宋修广.多自由度结构受迫振动中的能量共振.振动与冲击，2002，21(3)