渐变振动载荷作用的多层多框架梁结构仿真分析

1问题引出

在工程应用中，建筑材料多是以单层单一框架复合的多层多框架结构，因此仅仅针对单一框架进行受力分析并不能得到与实际情况相匹配的结果，那么针对多层多框架结果的受力分析就显得尤为必要。

2问题描述

文中主要模拟在水平载荷作用下多层多框架结构的受力状况，具体框架尺寸如图1所示，图中A点为水平载荷受力点，框架使用的材料为钢铁材质，材料参数特性如表1所示。

图1 框架模型及相关尺寸

表1钢铁材料相关特性

弹性模量E	泊松比μ	屈服强度fy
2.1e11N/m2	0.3	3.45e8N/m2

3仿真平台

本文所有仿真试验均在Abaqus有限元软件上进行，仿真基于艮泰计算机系统，cpu48核，memory128G；后续的后处理数据通过Origin完成。

4有限元建模

与ansys不同，abaqus进行结构力学仿真基于模块化操作，因此用户体验更加友好，遵循有限元分析的流程：前处理、求解、后处理，具体在abaqus中来看，主要的操作步骤有：在abaqus/module中创建part，按照图一说给尺寸绘制草图，这一点类似于在ansys/DM中的sktech草图绘制操作，这里一定要注意在定义部件的时候，使用类型将默认的solid更改为wire，不然系统会提示出错。生成的几何模型如图2所示。创建模型之后进行材料创建及截面属性赋予，除去钢铁材料属性输入表1中的基本材料参数，对于梁结构参数需要额外定义如图3所示。最后还应当注意在使用梁截面形状创建梁截面特性时，必须指定梁截面方向如图4所示。在定义装配步骤中设置默认，没有特别需要注意的地方，设置分析步中应根据所要施加的载荷曲线来设置仿真时间（time period），这里因为在A点需要施加63秒的振动位移载荷，因此时间设为63。接下来通过载荷曲线实现位移加载，当然也可以通过力加载的方式实施，这里因为考虑到结果的收敛性，因此采用曲线方式施加。边界条件定义是将多层框架最底层的四个节点设置固定即可。对于框架的网格划分，设置网格大小为0.05，布置在结构上的种子如图5所示，之后划分网格，模型由绿色变为青色表示网格划分完成。至此，该模型的前处理操作步骤完成，自上而下检查模型设置，无误后提交job manager求解。

图2几何模型

图3梁结构参数定义

图4梁截面方向定义

图5网格种子布置

5结果

在提交求解任务后，可以通过任务管理查看求解过程，应该注意一定要等到状态栏中的变为completed才可点击results查看结果，在任务运行（显示running）中打开results时程序会报错。本文可以查看模型整体在施加载荷后的变形情况和应力变化及在载荷点处的位移。力变化曲线，分别如图6、7、8所示。

5.1多层多框架结构的变形图

图6变形图

图7应力云图

图8节点力、位移随时间变化的曲线

6展望

后续还可通过在不通节点处施加不同力载荷来观察模型的变形情况以及滞回曲线，其结果都具有一定的相似性，不再赘述。