隔震支座在ANSYS中的批量建模方法

在如何在ANSYS中模拟非线性三维隔震支座一文中，作者介绍了三维隔震支座的建模方法。然而，在实际工程中，为了达到隔震目标，隔震支座的数量会达到几十个甚至上百个。因此，如何在ANSYS中对隔震支座进行批量建模是至关重要的。

1. 包含的内容

（1）说明文本

（2）三维隔震结构命令流文件（隔震支座批量建模）

（3）验证过程excel文件

2. 解决的问题

（1）如何在ANSYS中对隔震支座进行批量建模？

3. 研究的依据

[1] 龚曙光, 谢桂兰, 黄云清. ANSYS 参数化编程与命令手册[M]. 机械工业出版社, 2009.

4. 隔震模型的力学参数与隔震支座设计参数的定量对应关系

我们知道，实际应用中，我们可以采用厂家提供的标准型号的隔震支座，也可以订制特殊类型的隔震支座，不管采用那种形式，在仿真模拟时，我们都要将设计参数与隔震模型的力学参数对应起来，从而进行力学分析。

ANSYS中并没有特定的隔震单元，但提供了一系列的弹簧-阻尼器单元，可以通过组合单元模拟隔震支座的力学特性。采用COMBIN14单元模拟隔震支座的竖向刚度，COMBIN14又称弹簧-阻尼器单元，具有1D、2D和3D的轴向或扭转能力。轴向弹簧-阻尼器为单轴拉压行为，每个单元有2个节点，每个节点有3个自由度，即沿着X、Y和Z方向的三个平动或转动位移。水平方向上，采用COMBIN40单元模拟隔震支座的水平刚度和阻尼，COMBIN40单元将弹簧、滑块和阻尼器并联，再用串联的方式与间隙耦合形成组合体，适用于多种情况的分析。该单元可以引入双线性强化模型，并考虑粘滞阻尼的影响。详细参考《ANSYS结构分析单元与应用》。

在解决了单元类型之后，我们选择一种常用的隔震支座，如图1所示。

图 1 一种常用的隔震支座参数

可以看出，隔震支座的设计参数主要包括：

水平向：屈服前刚度Ku 屈服后刚度Kd 屈服力Qd 阻尼比ζ

竖向：竖向刚度 阻尼比

隔震单元的力学参数主要包括：

COMBIN40：K1，K2，CH，FSLIDE，GAP

COMBIN14：K，CV

对应关系如下：

K1=Ku-Kd，K2=Kd，CH=2ζ((Ku+Kd)*M)^0.5，FSLIDE=Qd，GAP=0。

GAP取值详见《ANSYS结构分析单元与应用》。

5. 算例

算例选择一混凝土柱和混凝土墙的组合体，弹性模量33.5GPa，密度2500kg/m3，泊松比0.2，网格大小为1m。有限元模型如图2所示。

图 2 非隔震结构有限元模型

对非隔震结构进行模态分析，得到前三阶频率如图3所示。

图 3 非隔震结构前三阶频率

6. 隔震设计

选用25个GZY1100-220型隔震支座，布置在混凝土柱的底部，如图4所示。批量建模命令流见文件Model Bv1.txt。

图 4 三维隔震支座批量建模

对三维隔震结构进行模态分析，得到前三阶频率如图5所示。可以看出，三维隔震结构延长了结构的周期，降低了结构自振频率，符合隔震的基本原理。

图 5 三维隔震结构前三阶频率

7. 设计验证

采用理论解和数值解对比验证隔震设计的正确性。通过对非隔震结构进行模态分析，得到结构的总重为665000kg。根据隔震结构基频计算理论公式，得到三维隔震结构的水平向基频为3.764 Hz，竖向基频为 88.145 Hz，这与图5中得到的ANSYS计算结果基本一致，水平向误差小于0.5%，竖向误差小于5 %。验证了三维隔震有限元模拟的正确性。

图 6 模态分析结果

图 7 部分计算过程