基于ANSYS的框架结构风荷载分析..

基于ANSYS的风力发电机塔架门框的强度分析及优化汪亚洲，黎旋（河海大学，南京210098）摘要：塔架支撑机组传递动力及载荷，是风力发电机组的重要零件，塔架的可靠性直接影响着整机的可靠性、可利用率及发电量。

由于塔架门框处受载情况复杂，工程中采用有限元法对塔架门框进行强度分析。

在ANSYS软件平台下建立了塔架门框的有限元分析模型，计算了塔架门框处的静强度，根据计算结果对塔架门框的尺寸进行了优化，优化后塔架门框的安全裕度有了显著提高。

关键词：风力发电；塔架门框；有限元；强度；优化中图分类号:TK83文献标志码:A文章编号：1002-2333（2019）09-0060-03 Strength Analysis and Optimization of Wind Turbine Tower-door Based on ANSYSWANG Yazhou,LI Xuan(Hohai University,Nanjing210098,China)Abstract:The tower support unit transmits power and load,which is an important part of the wind turbine.The reliability of the tower directly affects the reliability,availability and power generation of the whole machine.Due to the complicated loading situation at the frame of the tower frame,the finite element method is used in the project to analyze the strength of the tower door frame.The finite element analysis model of the tower door frame is established under the ANSYS software platform.The static strength of the tower door frame is calculated.The size of the tower door frame is optimized according to the calculation results.The safety margin of the optimized tower frame has been significantly improved. Keywords:wind power generation;tower frame;finite element;strength;optimization0引言塔架支撑机组用于传递载荷，是风力发电机组中的重要组成部件[1]，为了方便人员进出，在塔底需要开门框进行补强，由于此处为塔架最薄弱点，所以需要对塔架门框的强度进行校核。

高层建筑承受风载荷分布的分析本文采用ANSYS的静力分析工具箱，对截面形状为等腰梯形（下底A1=30m，上底A2=10m，高B=80m，厚t=20m）的高层建筑承受水平均匀风载荷，进行应力、应变分析。

风载的确定，按照海洋井架行业标准（计算方法见《工程有限元方法143页》），换算得到风压P=2200Pa。

建筑结构材料的弹性模量E=3.0e10Pa，其余材料参数按系统默认。

取地基平面为约束平面，施加水平均匀风载后，分析得到应力应变情况。

1、参数设置由“Analysis Systems→Static Structural→Engineering Data”进入材料参数设置界面，设置杨氏模量为3.0e10Pa，其余参数默认，并回到工程界面。

参数设定.PNG2、实体建模由“Analysis Systems→Static Structural→Geometry”进入软件自带的实体建模界面。

首先进行平面几何建模，并设定尺寸：建模_几何平面.PNG再对于平面几何进行拉伸处理，并设定拉伸高度：建模_几何实体.PNG保存文件并退出。

3、网格划分由“Analysis Systems→Static Structural→Model→Mesh”进入网格划分程式，设定网格大小为2m，划分方式为“Automatic”，得到19283个节点和4100个单元：网格划分方式_AUTOMATIC.PNG网格划分结果_矩形网格.PNG4、添加约束在建筑实体的底面施加约束：施加约束_底面.PNG 5、施加风载在建筑实体的迎风面施加水平风载：施加应力_水平.PNG6、求解分析使用“Solve”命令对该模型进行求解，得到如下结果：结果_应力.PNG 结果_应变.PNG结果_位移.PNG7、生成工程报告使用“Publish”命令生成工程报告。

试验分析目录试验分析 (1)1.试验荷载的取值 (2)1.1重力荷载（取29.8/g m s） (2)1.2施工荷载 (2)1.3水平风荷载的计算：（10年一遇大风时） (2)2.ANSYS建模分析结果 (5)2.1工况一：（1.0恒载，重力荷载） (6)2.1.1支座反力 (6)2.1.2位移变形图 (6)2.1.3X向位移云图 (7)2.1.4Z向位移云图 (7)2.1.5Y向弯矩图 (8)2.2工况二：施工荷载位于最高台阶处（1.0恒载+1.4工作荷载） (8)2.2.1支座反力 (9)2.2.2位移变形图 (9)2.2.3X向位移云图 (10)2.2.4Z向位移云图 (10)2.2.5Y向弯矩图 (11)2.3工况三：施工荷载位于最低台阶处（1.0恒载+1.4工作荷载） (11)2.3.1支座反力 (12)2.3.2位移变形图 (12)2.3.3X向位移云图 (13)2.3.4Z向位移云图 (13)2.3.5Y向弯矩图 (14)2.4工况四：1.0恒载+风荷载等效水平荷载设计值 (14)2.4.1支座反力 (15)2.4.2位移变形图 (15)2.4.3X向位移云图 (16)2.4.4Z向位移云图 (16)2.4.5Y向弯矩图 (17)2.5 与工况四加载位置相同的水平力下左侧约束压力为零时，对应的基本风压1w 的计算值： (17)1.试验荷载的取值1.1重力荷载（取29.8/g m s =）1.2施工荷载当施工荷载位于最高台阶处时，抗倾覆最不利。

此时，施工荷载所产生力矩对于倾覆转动点H 来说，是属于倾覆力矩（如施工荷载位于另外两个台阶，则其作用属于抗倾覆力矩）。

故以此为工作时验算工况。

假定施工荷载位于最高台阶时，共有作业人员4人，每人重75Kg ，每人持有30Kg 施工材料。

此时荷载设计值4(0.750.30) 1.4 5.88N Q F k =⨯+⨯=。

1.3水平风荷载的计算：（10年一遇大风时）图1 平台风荷载体型系数图2 风荷载计算简图1)平台所受风荷载标准值，按下式确定：0w w z s z k μμβ=式中：k w —风荷载标准值（2/m kN ）；z β—高度Z 处的风振系数，取1.0；s μ—风荷载体型系数，按图1平台风荷载体型系数取值；z μ—风压高度变化系数，按荷载规范（GB50009-2012），按离地面高度60m 取1.56；0w —基本风压（2N /k m ），取重现期10=n 对应的风压值，金华地区为20.25N /k m 。

用ansys对房屋钢框架结构计算及模态分析
ANSYS结构分析
题目：房屋钢框架结构计算及模态分析
一．原始数据：
房屋钢框架总尺寸12m x10m x 8.75m
材料质量密度为7.85E-9
压杆面积641mm2,水平拉索面积314mm2
屋顶承受雪荷载为3000KN/M2
立面风荷载为3000KN/M2
材料：杆单元LINCK8，LINCK10，梁单元Beam188
计算模型如图所示
二．操作命令
1.选择单元类型，设置单元实常数，Type1 LINK8，Type2LINK10,实常数为2,3，输入各截面面积。

2.设置杆梁单元Beam188截面数据，圆管，工字形如图
3.设置材料性能数据EX=2E5 泊松比=0.3 密度=7.85E-9
4.通过创建关键点（0,2.2,0），(0,4.4,0),(0,6.6,0)
连线，复制点，线，建立几何模型如图
5.给几何模型附属性，进行网格划分。

6，加载雪荷载，风荷载，重力如图
7.求解及后处理：变形图
Y方向应力图
Z方向应力图
三．模态分析
观察四阶阵型如图第一阶
第二阶阵型
第三阶阵型
第四阶阵型
四．结论
通过观察，该框架在荷载和重力的作用下，X，Y方向的最大变形发生在鱼腹锁，Z方向最大变形在主立柱，其值为-7.73mm。

最大应力发生在主立柱，其值为141.684MPa。

从计算结果看，最大变形和最大应力都不高，均能满足设计要求。

模态分析前四阶阵型无明显变化，在震动作用下，该房屋钢框架较安全。

基于ANSYS的LNG储罐风载荷效应数值分析姜永胜，苏娟，苏龙龙，郭冠群，陈程（海洋石油工程股份有限公司， 天津 300450）[摘 要] 为研究风载荷对大型全容式LNG储罐的影响，以某项目16万m 3储罐为模型，借助ANSYS有限元软件，搭建LNG储罐精细化模型。

依照《建筑结构荷载规范》，计算储罐墙体和穹顶处风压值，借助APDL工具，为有限元模型单元加载差异化风载荷，仿真分析风载荷效应。

数值分析结果表明，风载荷产生的位移和应力相对较小，并非控制工况。

分析了结构相对薄弱处的位移和应力规律，可供相关工程和设计人员参考。

[关键词] LNG储罐；风载荷；ANSYS；数值分析作者简介：姜永胜（1988—），男，山东潍坊人，研究生，中级工程师。

海洋石油工程股份有限公司工程师。

图1 16万m 3LNG储罐有限元模型图表1 C50和C40等级混凝土主要参数表液化天然气（Liquefied Natural Gas ，简称LNG ）主要成分为甲烷，是一种公认的优质清洁能源。

目前，随着环境保护要求越发严格，LNG 所占能源消费比率激增，随之配套的大型全容式储罐建造数量持续增多。

据相关机构统计，目前全世界已有逾百处LNG 接收站及配套工程，已建造LNG 储罐数目达到300多座。

LNG 储罐遭受较大载荷时可能会发生失效或损坏，将会对运行效率和生产安全造成严重后果。

因此，合理考虑载荷作用效果，优化结构设计，对储罐安全性和经济性具有重要意义[1,2]。

1 工程概况以某项目一座16万m 3LNG 储罐为研究对象，底部承台外径89m ，外围区域厚度1.2m ，中心区域厚度1m ；墙体内径84m ，最大厚度0.8m ，最小厚度0.7m ；穹顶内径84m ，矢高10.154m ，厚度0.4-2m 不等。

桩基采用灌注桩形式建造，直径1.2m ，桩帽直径1.5m 。

2 ANSYS 有限元模型大型LNG 储罐结构属于特种结构，各部位厚度不一，多种结构连接处截面相对比较特殊，交叉点受力状况复杂。

基于ANSYS Workbench的大型风力发电机组塔架静态分析张晓峰;张静;姚金山【摘要】针对大型风力发电机组塔架事故发生率高的问题,以酒泉风电基地瓜州风电场某大型1.5MW风力发电机组塔架(锥筒式)为研究对象,利用ANSYS Workbench软件建立大型风力发电机组塔架的三维有限元模型,进行静态强度分析和刚度分析,准确计算出塔架在各种荷载下的应力及塔顶位移.计算结果表明:被分析的1.5MW风力发电机组塔架(锥筒式)整体结构满足强度和刚度要求,为塔架的优化设计提供了依据.【期刊名称】《太阳能》【年(卷),期】2012(000)015【总页数】4页(P36-39)【关键词】ANSYS Workbench;大型;风力发电机组;塔架;静态分析【作者】张晓峰;张静;姚金山【作者单位】河西学院新能源研究所;河西学院新能源研究所;河西学院新能源研究所【正文语种】中文一引言塔架是风力发电机组重要的承载部件，它除了要支撑风力机的重量，还要承受吹向风力机和塔架的风压，以及风力机运行中的动荷载，其设计水平将直接影响风力发电机组的性能。

据统计，在风力发电机组受损的诸多因素中，塔架占18%，为各项破坏因素之首，这说明目前塔架的设计还存在许多问题[1]。

本文以酒泉风电基地瓜州风电场运行的某大型1.5MW风力发电机组塔架(锥筒式)为研究对象，应用有限元分析软件ANSYS Workbench进行塔架静态强度与刚度分析，以提高塔架的设计使用水平。

二力学模型与技术参数1 模型简化原则(1)大型风力发电机组通常采用锥筒型高耸塔架，根据其几何特征和受力特点可将其简化成集弯曲变形、轴向压缩变形及扭转变形为一体的复杂梁柱问题来处理。

(2)机舱、轮毂和叶片的重量作为集中力加载在塔架顶端，同时考虑集中力偏离塔架中心引起的弯矩。

(3)将坐标原点设在塔筒底部中心位置。

塔架底部固定，即约束所有自由度。

(4)采用荷载等效原则，将作用在塔架结构上的风荷载进行静力等效，也就是将塔架上的面荷载等效为节点集中荷载。

基于ANSYS的整体张拉索膜结构荷载响应分析*张国军1李晓通2张曼生1(1中国航空规划建设发展有限公司，北京100120；2北京工业大学，北京100124)[ 摘要] ANSYS作为工程模拟的大型通用有限元计算软件，经过几十年的发展，在理论和算法上都趋于成熟，特别是在结构非线性的求解分析方面具有独特的优越性，因此基于ANSYS的索膜结构分析和研究越来越受到重视。

本文结合某一实际工程的算例分析来阐述ANSYS软件在整体张拉索膜结构体系设计研究中的应用。

通过分析，揭示了本文中索膜结构体系的静力性能、弹塑性性能和动力特性，为工程实践提供指导，并证明了ANSYS 能够对索膜结构的承载过程及其非线性特性进行准确的模拟和计算。

[ 关键词]ANSYS，整体张拉索膜结构，非线性，载荷分析Loading analysis of All-tension cable-membrane structurebased on ANSYSZhang Guojun1，Li Xiaotong2, Zhang Mansheng1(1 China aeronautical Project and Design Institute, Beijing 100120,China；2 Beijing University of Technology ,Beijing 100124,China )[ Abstract ] ANSYS, as a large general finite element software in engineering simulation, are becoming more and more mature in the theory and algorithm after decades of development. ANSYShas an unique advantage in the aspect of structure nonlinear analysis; so the analysis andresearch of cable-membrane structure based on ANSYS are taken seriously. This paperexpounds the application of ANSYS in the all-tension cable-membrane structure design andresearch combining with a practical engineering. The static performance, elastic-plasticperformance and dynamic characteristics of the structure are revealed and that will provideguidance for engineering practice. This paper also proves that ANSYS can make accuratesimulation and calculation in the loading process and nonlinearity of the cable-membranestructure.[ Keyword ] ANSYS, All-tension cable-membrane structure, Nonlinearity, Loading analysis.*北京市科技计划课题（Z131110*********），北京市科技新星计划项目（Z121106002512098）.张国军，博士，高级工程师，sanduo@1 前言索膜结构造型优美，富于时代气息，从其诞生起，就得到了工程界的广泛重视并且得到了长足的发展。

关于计算流体力学主要有以下几个主要问题大家比较关心一、关于瞬态计算的问题：计算瞬态设置参数与稳态不同，主要设置的参数为：1．FLDATA1,SOLU,TRAN,1 设置为瞬态模式2．FLDATA4,TIME,STEP,0.02, 自定义时间步时间间隔0.02秒3．FLDATA4,TIME,TEND,0.1, 设置结束时间0。

1秒4．FLDATA4,TIME,GLOB,10, 设置每个时间步多少次运算5．fldata4a,time,appe,0.02 设置记录时间间隔6．SET,LIST,2 查看结果7．SET,LAST 设为最后一步8．ANDATA,0.5, ,2,1,6,1,0,1 动态显示结果以上为瞬态和稳态不同部分的设置和操作，特别是第五步。

为了动态显示开始到结束时间内气流组织的情况，还是花了我们很多时间来找到这条命令。

如果你是做房间空调送风计算的，这项对你来说非常好，可以观察到从开空调机到稳定状态的过程。

二．关于建模的问题大家主要关心的建模问题是模型的导入和导出，及存在的一些问题。

这些问题主要体现在：1．AUTOCAD建模导出后的格式与ANSYS兼容的只有SAT格式。

PROE可以是IGES格式或SAT格式。

当然还有其它格式，本人使用的限于正版软件，只有上述两种格式。

SAT格式可由PROE中导出为IGES格式。

ANSYS默认的导入模型为IGES格式的图形模型。

2．使用AUTOCAD一般绘制界面比较复杂的拉伸体非常方便。

如果是不规则体，用PROE 和ANSYS都比较方便，当然本人推荐用ANSYS本身的建模功能。

对于PROE，因为它的功能强大，本人推荐建立很复杂的模型如变截面不规则曲线弯管（如血管）。

3．导入过程中会出现默认选项和自定义选项，一般本人推荐使用自定义选项，以避免一些操作带来的问题。

有时出现显示只有线而没有面颜色的问题，可以用命令：/FACET,NORML 来解决这个问题。

三．关于网格化的问题。

ANSYS结课作业分析报告：广告牌承受风载一、问题描述：一户外广告牌，受水平均布风载荷，载荷作用在广告牌面上。

广告牌长4，高3，厚0.02，立柱高为4.5，半径20mm。

（1）模型建立（2）静载荷P=100均布力结果分析（3）固有频率（5阶模态）（4）动载荷P=100sin(w1*t) 瞬态求解结果分析w1=一阶固有频率二、实体建模1.选择单元类型：1）Main Menu >Preprocessor > Element Type > Add/Edit/Delete 1,SOLID1852,BEAM1883,SHELL1812）Sections > Beam > Common SectionsID 2 Sub-Type ●R 0.2 N 8Sections > Shell > Lay-up > Add/EditID 3 Thickness 0.022.设置材料属性1)定义材料的弹性模量EX，Main Menu>Preprocessor>Material Props>MaterialModels>Structural>Linear>Elastic>Isotropic，弹性模量 EX＝2.0e11，泊松比 PRXY＝0.32)定义材料的密度DENS，Main Menu>Preprocessor > Material Props > Material Models>density ，DENS =78003.建立模型：1）建立面结构：Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create >Areas>Rectangle > Block > By DimensionX1,X2,Y1,Y2 0,4,0,32）建立体结构：Modeling > Create > Volumes > Block > By DimensionX1,X2,Y1,Y2,Z1,Z2 0,4,-0.5,0,0,0.5,0,4,-0.5,0,-0.5,03）建立关键点：Modeling > Create> Keypoints >In Active CSX,Y,Z 0,-5,0,4,-5,05,-5,04）连接关键点：Create > Lines > Lines > Straight Line5）切分体结构：打开工作平面 Offset WP by Increments，交换WY-WZ，向Y方向平移-0.1 切分体 Modeling > Operate > Booleans > Divide > Volu by WrkPlane 将工作平面向Y方向平移-0.3，重复切分4.粘接所有体：Modeling > Operate > Booleans >Add > Volumes , Pick All5.划分网格：Preprocessor>Mesh Tool...1）选择切分类型：Element Attributes - SetVolume > Pick AllArea > TYPE Element type number 3 SHELL181> Element Section 3Area > TYPE Element type number 2 BEAM188> Element Section 22）线长控制：Lines - Set > Pick All > SIZE Element edge length 0.1 3）切分：Shape：Hex Mapped/Sweep > Mesh6.约束与风载的施加1）给广告牌腿上的关键点施加全约束Solution＞Define loads＞Apply＞Structural＞Displacement＞ on KeyPoints Lab2 DOFs to be constrained - All DOF2）给广告牌施加大小为100的均布力Solution > Define Loads > Apply > Structural > Pressure > on Areas，Apply PRES on areas as a - Constant valueVALUE Load PRES value - 1007.求解：Solution > Solve > Current LS三、结果分析1.静力学分析General Post proc> Plot Results > Contour Plot > Nodal Solu 1）总位移 DOF > Displacement vector sum2）等效应力 Stress > von Mises stress3）路径显示General Post proc > Path Operations P1路径各向位移Define Path > By NodesPlot PathsMap onto Paths结果分析由总位移知该广告牌在受到水平风荷载作用时在顶部处变形最大。

Ansys Workbench平台在结构风工程实验教学中的应用摘要：为更灵活地开展结构风工程的实验教学工作，将Ansys Workbench计算软件引入实际教学中。

首先介绍了Ansys Workbench软件的特点及涡激振动的基本概念，随之以二维圆柱涡激振动为算例，阐述了基于Ansys Workbench平台实现涡激振动的全过程。

通过该实验课程的教学，在建模过程中，学生的动手能力得到了锻炼和提高。

采用Ansys Workbench仿真平台能较方便地对涡振这类流固耦合问题进行分析模拟，有助于学生们更好地理解和学习流固耦合现象。

关键词：结构风工程；实验教学；Ansys Workbench平台；涡振模拟中图分类号：U442 文献标志码：A基金项目：长沙理工大学教学改革研究项目：基于大型风洞实验室和数值风洞平台的土木类应用型人才培养模式研究1 Ansys Workbench平台和涡激振动介绍Ansys Workbench作为一种设计仿真的集成环境，它集成连接了仿真过程中所需的仿真工具，实现了工具软件之间的数据传递，形成了一个统一的仿真应用环境，使得设计者能够方便地调用设计过程中所需的软件工具，带来了极大的便利。

当气流流经钝体桥梁结构断面时，其尾流会有周期性交替脱落的旋涡出现，而这会导致桥梁表面压力发生改变，最终引起桥梁的振动，这种振动就称作为涡激振动[1]。

在桥梁风工程领域中，涡振是一个非常重要的抗风研究内容，在桥梁抗风设计中必须要高度重视[2]。

目前市场上，有关Ansys Workbench的书籍较多，但多数围绕机械类问题来介绍它的功能及用法。

针对结构风工程实验教学，为了让学生熟悉解决工程问题基本的操作流程，本文以圆柱为例，介绍了基于Ansys Workbench平台实现涡激振动的全过程。

2 Ansys Workbench中涡振建模与计算2.1 计算域建立及网格划分计算域包括流体域与结构域。

首先，对于流体域模型建立，流体域网格的划分可以直接在Fluent模块中进行建模划分，也可采用单独的建模软件（如Icem）划分网格导入计算。

基于ANSYS 的框架结构分析摘要：本文简述了框架结构的优缺点，提及了结构分析的重要性，通过使用ANSYS 软件，建立了一个两跨十二层的框架结构模型，并对其进行了结构静态分析，模态分析，特征值屈曲分析以及地震反应时程分析。

关键词：框架结构；ANSYS；静态分析；模态分析；特征值屈曲分析；地震时程分析1.引言框架结构作为一种常用的结构体系，对其结构进行合理分析至关重要。

行业内对框架结构的分析方法众多，且电算逐渐趋于主流。

ANSYS 软件是一种大型通用的有限元分析软件，界面直观，已广泛应用于结构力学(包括线性与非线性)、结构动力学、传热学、流体力学等。

它可以对房屋建筑、桥梁、隧道以及地下建筑物等工程结构在各种外荷载条件下的受力、变形、稳定性及各种动力特性做出全面分析，因而在结构分析中应用广泛。

2.框架结构优缺点框架结构是指由梁和柱以刚接或者铰接相连接而成，构成承重体系的结构，即由梁和柱组成框架共同抵抗使用过程中出现的水平荷载和竖向荷载。

结构的房屋墙体不承重，仅起到围护和分隔作用，广泛用于住宅、学校、办公室，也有根据需要对混凝土梁或板施加预应力，以适用于较大的跨度；框架钢结构常用于大跨度的公共建筑、多层工业厂房和一些特殊用途的建筑物中，如剧场、商场、体育馆、火车站、展览厅、造船厂、飞机库、停车场、轻工业车间等。

框架建筑的主要优点：空间分隔灵活，自重轻，节省材料；具有可以较灵活地配合建筑平面布置的优点，利于安排需要较大空间的建筑结构；框架结构的梁、柱构件易于标准化、定型化，便于采用装配整体式结构，以缩短施工工期；采用现浇混凝土框架时，结构的整体性、刚度较好，设计处理好也能达到较好的抗震效果，而且可以把梁或柱浇注成各种需要的截面形状。

框架结构体系的缺点为：框架节点应力集中显著；框架结构的侧向刚度小，属柔性结构框架，在强烈地震作用下，结构所产生水平位移较大，易造成严重的非结构性破坏数量多，吊装次数多，接头工作量大，工序多，浪费人力，施工受季节、环境影响较大；不适宜建造高层建筑，框架是由梁柱构成的杆系结构，其承载力和刚度都较低，特别是水平方向的（即使可以考虑现浇楼面与梁共同工作以提高楼面水平刚度，但也是有限的），它的受力特点类似于竖向悬臂剪切梁，其总体水平位移上大下小，但相对于各楼层而言，层间变形上小下大，设计时如何提高框架的抗侧刚度及控制好结构侧移为重要因素，对于钢筋混凝土框架，当高度大、层数相当多时，结构底部各层不但柱的轴力很大，而且梁和柱由水平荷载所产生的弯矩和整体的侧移亦显著增加，从而导致截面尺寸和配筋增大，对建筑平面布置和空间处理，就可能带来困难，影响建筑空间的合理使用，在材料消耗和造价方面，也趋于不合理，故一般适用于建造不超过15层的房屋。