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。

大型钢框架吊装中的ANSYS分析作者：韩利涛张锋刘超锋来源：《价值工程》2011年第29期ANSYS Analysis for Lifting of Large Steel FrameworkHan Litao；Zhang Feng；Liu Chaofeng0引言某石化在用常减压装置进行停车技改，冷换框架的安装需要拆除原来的老框架，采用传统的分片安装法——第1种方案，可以提前大约40%的工作量，在拆除完成后需要大约21天；对冷换框架，采用深度预制、地面成框、整体吊装的安装方法——第2种方案，可以提前大约85%的工作量（预制时间充足），在拆除完成后仅需约6天。

鉴于整个技改过程需要停车，该装置停车会造成其他装置产能不足，因此，第2种方案节约工期效益明显。

具体成框参数如表1。

结合现场实际情况和吊车的吊装作业能力,决定选用一台1350t履带吊（吊车型号：LR11350）和一台150t履带吊（吊车型号：SC1500）进行吊装。

采用1350吨履带吊主吊，150吨履带吊溜尾的“吊车抬吊法”将冷换框架钢结构各个成框钢结构吊装就位。

在确定主要施工方案后，利用ANSYS有限元分析软件对吊装过程进行强度校核和位移计算。

1ANSYS分析过程第一吊装段ANSYS分析的过程包括模型建立、边界条件的设定和结果分析。

1.1 模型建立ANSYS软件的建模功能相对较弱，为了确保模型符合实际，也不允许对结构做太大的简化。

实际中采取了如下措施：模型的建立采用AUTOCAD与ANSYS相结合的办法，主体三维立体模型在AUTOCAD 完成，利用ANSYS强大的截面加载功能来定义梁、柱和板壳的截面。

单位制取毫米牛顿秒（mmNs），涉及到的材料特性有：杨氏模量E=2.06×105N/mm2；泊松比μ=0.3；密度DENS=7.8×10-9tonne/mm3；重力加速度g=9806.6 mm / sec2。

所有梁、柱的ANSYS模型采用beam188单元，平台板的ANSYS模型采用shell63单元。

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 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。

高层建筑钢骨架结构的三维有限元动力学分析摘要：高层建筑结构设计必须建立在全面的计算分析基础之上，由于构件数目和所要考虑的因素很多，使得高层建筑的结构设计比普通建筑要复杂费时得多；这就使得建立合理、可靠的理论模型和进行精确的计算分析具有很重要的现实意义。

采用大型通用有限元程序ANSYS建立了某高层楼房钢骨架结构的三维有限元模型，进行了钢骨架结构的整体三维有限元动力分析，动力分析采用时程分析法并考虑峰值加速度0.1g进行分析；最终得到了钢结构厂房的地震动力响应,并对结构安全性进行了校核。

其计算成果对类似工程设计与施工具有直接指导和参考意义ABSTRACT：Since the structural members and influence factors of tall-buildings are more than common structures, the structural design of tall-buildings is more complicated and time-elapsed, and full structural analyses are needed. There is practical significance to establish a rational reliable theoretical analysis model and process an accurate analysis. The whole 3D finite element model of a steel structural tall buildings was established by using the program ANSYS, then the three dimensional dynamic finite element analysis was made, in which the peak value of accelerated speed was used to 0.1g. And finally the response characteristics of dynamic behavior were obtained, and the security of steel structural factory building was verified. The results would be helpful for the design and construction of similar buildings.1引言高层建筑的出现，把人类的生活推向高空，尽管与整个人类建筑史相比高层建筑兴起的时间不长，但发展却异常迅速。