BÀI GIẢNG pHẦN MỀM PHÂN TÍCH MÔ PHỎNG KẾT CẤU CÔNG TRÌNh ANSYS ĐẠI HỌC THỦY LỢI

Bài giảng phần mềm ANSYS cho các lớp cơ bản: các thao tác cơ bản, tính toán kết cấu giàn, dầm, khung, bài toán phẳng........................................................................................................................

GEO Sigma/wHyperGraph

HyperView

OriginPro 8

PREP SOLU POST

THAM KHẢO CHÍNH

-Đường sắt-Đường bộ-Công nghiệp quốc phòng-Hàng không vũ trụ-Chế tạo máy-Dầu khí-Công nghiệp nhẹ-Điện tử

-Điện gia dụng-Y học

Có hơn 70% các trường Đại học và

Viện nghiên cứu trên thế giới sử dụng

phần mềm ANSYS trong giảng dạy và

nghiên cứu

Khởi động ANSYS

Khởi động nhanh

Sử dụng mặc định các thiết lập

môi trường làm việc lần đầu

Kiến nghị sử dụng phương thức này

Giao diện phần mềm

Thanh công cụMenu tiện ích Cửa sổ nhập lệnh

Menu chính

Thanh

trạng thái

Cửa sổ hiển thị

PHƯƠNG PHÁP THAO TÁC GUI

Nhập lệnh trực tiếp

Thao tác menu

Sử dụng thanh công cụ

-Thao tác đơn giản, trực quan phù hợp với số đông người quen sử dụng thao tác window

-Với bài toán không gian phức tạp,

cần giải lặp, tốn nhiều thời gian công sức thậm chí không thể thực hiện được

-Tạo file dung lượng lớn

Menu chính

Khối xử lý số liệu

dữ liệu

Hiển thị đối tượng trên cửa sổ màn hình

Khống chế hiển thị

Định nghĩa

hệ tọa độ

và mặt phẳng làm việc

Định nghĩa tham số tính toán

Quản lý file

PHƯƠNG PHÁP THAO TÁC APDL

Soạn thảo câu lệnh trong Notepad với đuôi *.txt

APDL (ANSYS Parametric Design Language) Ngôn ngữ tham số hóa thiết kế

APDL sử dụng ngôn ngữ FORTRAN nên phải tuân thủ các quy tắc của ngôn ngữ lập trình

-Với mô hình phức tạp

-Với mô hình cần chỉnh sửa

-Khi cần giải lặp

-Tạo các module thông dụng

-Dung lượng file số liệu nhỏ, dễ dàng trao đổi

-Câu lệnh nhiều, khó nhớ

-Cần hoàn chỉnh câu lệnh trong file mới thu được kết quả

-Không trực quan, dễ phát sinh chán nản

Quản lý file

Jobname.db ANSYS, Inc File kho dữ liệu, ghi chép dữ liệu PT, nút, tải trọng

Jobname.elem Text Document File định nghĩa PT, ghi chép dữ liệu định nghĩa PT

Jobname.emat EMAT File File ma trận phần tử, ghi chép dữ liệu ma trận phần tử

Jobname.err Error log File thông tin lỗi với cảnh báo, ghi chép tất cả thông tin cảnh

báo, lỗi trong tính toánJobname.esav ESAV File File bảo lưu dữ liệu PT, bảo lưu dữ liệu tính toán PT

Jobname.log Text Document File nhật ký, ghi chép tất cả lịch trình nhập lệnh theo phương

thức bổ sung

Jobname.out Text Document File xuất ANSYS, ghi chép tình hình thi hành lệnh

Jobname.rfl RFL File File kết quả phân tích FLOTRAN

Jobname.rmg RMG FIle File kết quả phân tích từ trường

Jobname.rst RST File File kết quả phân tích trường kết cấu và ngẫu hợp

Jobname.rsh RSH File File kết quả phân tích trường nhiệt độ

Jobname.snn Text Document File bước tải trọng, ghi chép thông tin tải trọng của bước tải

trọngJobname.stat STAT File File trạng thái xử lý vận hành ANSYS

Phương pháp 3:

GUI: Utility Menu > File > Change Jobname

COMMAND: /FILNAME,DapBTTL

Sử dụng phương pháp này, tất cả dữ liệu sau khi thay đổi chuyển đến tên file làm việc

mới Nhưng Jobname.log và Jobname.err vẫn lưu tên file làm việc chỉ định ở phương

pháp thứ hai.

Phương pháp 1:

GUI: Utility Menu > File > Save as Jobname.db

Utility Menu > File > Save as

Phương pháp 2: tương đương với Save as

Jobname.db

Lưu file dữ liệu

Phương pháp 1:

GUI: Utility Menu > File > Resume Jobname.db

Utility Menu > File > Resume from

Phương pháp 2: tương đương với Resume

Jobname.db

Đọc file dữ liệu

Nên tập thói quen:

-Mỗi một hạng mục phân tích nên cho vào một thư mục riêng

-Sử dụng tên file làm việc khác khi giải một vấn đề mới, định nghĩa tên file làm

việc trong cửa sổ khởi động ANSYS

-Trong quá trình phân tích, sau một khoảng thời gian nhất định nên lưu dữ liệu

-Trước khi tiến hành một thao tác mà chưa biết chắc hậu quả của nó (ví dụ

như chia mạng lưới phần tử) hoặc có khả năng tạo thành ảnh hưởng lớn (ví

dụ như xóa bỏ) đầu tiên nên lưu dữ liệu

-Sau khi hoàn thành quá trình phân tích nên lưu giữ tốt các file: file log

(Jobname.log), file dữ liệu (Jobname.db), file kết quả (Jobname.rst,

Jobname.rsh ), file bước tải trọng (Jobname.s01, Jobname.s02 ), file xuất

(Jobname.out) và file môi trường vật lý (Jobname.ph1, Jobname.ph2 )

Chú giải trên màn hình đồ họa

GUI: Utility Menu > Plot Ctrls > Create 2D Annotation

Utility Menu > Plot Ctrls > Create 3D Annotation

Trình tự giải bài toán kết cấu bằng ANSYS

Lựa chọn loại hình tính toán

Thiết lập các yêu cầu tính toán

Tính toán các vấn đề có liên quan

(3) Xử lý kết quả (POST)

Đọc lấy dữ liệu từ trong kết quả tính toán

Hiển thị các loại biểu đồ, bảng biểu (nếu có) đối với kết quả tính toán

Phân tích kết quả

Ví dụ cơ bản

Xác định nội lực và chuyển vị của dầm đơn có kích thước và chịu tải trọng như

hình vẽ Vật liệu bê tông M200 có môđun đàn hồi E=2.4×107kN/m2, hệ số

Poisson =0.2, trọng lượng riêng =25 kN/m3.

Quy ước về mã chuyển vị nút ở hai đầu phần tử dầm

Mục đích đạt được sau

khóa học

Thành thạo xây dựng mô hình và

phân tích nội lực kết cấu hệ thanh

Thành thạo xây dựng mô hình, phân tích kết cấu công trình thủy lợi thủy điện điển

hình theo bài toán biến dạng phẳng chịu tải trọng tĩnh

BÀI 2: CÁC VẤN ĐỀ CƠ BẢN

Hệ tọa độ trong ANSYS

Tọa độ vị trí một điểm bất kỳ trong không gian thông thường có thể dùng hệ tọa độ Đề

các (Cartesian), hệ tọa độ trụ tròn (Cylinder) và hệ tọa độ mặt cầu (Sphericity) để biểu

thị

Bất kể là hệ tọa độ nào cũng đều cần 3 tham số để biểu thị vị trí chính xác của điểm này

Hệ tọa độ mặc định trong ANSYS là hệ tọa độ Đề các

Ba hệ tọa độ này đều gọi là hệ tọa độ tổng thể

Ngoài ra người sử dụng cũng có thể tự định nghĩa hệ tọa độ cục bộ để trợ giúp trong

quá trình xây dựng mô hình

Y

ZZ

WorkPlane > Local CS > Create LC

Xây dựng mô hình hình học

Phương pháp xây dựng: Điểm  Đường  Mặt  Khối

Khi xóa bỏ cần làm ngược lại

Tạo điểm hình học (Keypoints)

Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Keypoint > In Active Cs

Hệ tọa độ Đề các: X, Y và Z

X, Y và Z trong hệ tọa độ trụ tròn tương ứng với R,  và Z

X, Y và Z trong hệ tọa độ mặt cầu tương ứng với R,  và 

Tạo đường hình học (Lines)

Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Lines > Lines > Straight Line

Tạo mặt hình học (Areas)

Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Areas > Arbitrary > By Lines

Tạo khối hình học (Volumes)

Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Volumes > Arbitrary > By Areas

Ngoài ra vẫn có thể thông qua điểm để xây dựng mặt, thông qua điểm để xây dựng khối

Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create >

Areas > Arbitrary > Through KPs

Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create >

Volumes > Arbitrary > Through KPs

Định nghĩa loại hình phần tử

Kho phần tử ANSYS có hơn 100 loại phần tử khác nhau

GUI: Main Menu > Preprocessor >

Element Type > Add/Edit/DeleteCOMMAND: ET,ITYPE,Ename

ET,1,LINK1

Định nghĩa hằng số thực

Main Menu > Preprocessor > Real Constants > Add/Edit/Delete

Mô hình “đường” trừu tượng thành “dầm”

Mô hình “mặt” trừu tượng thành “bản vỏ”

Hằng số thực của phần tử dầm hai chiều BEAM3: diện tích (AREA), mô men quán tính (IZZ), cao dầm (HEIGHT), hằng

số biến hình cắt (SHEARZ), biến dạng ban đầu (ISTRN), độ dài đơn vị (ADDMAS).

Hằng số thực của kết cấu bản vỏ là

độ dày; độ cứng của phần tử lò xo;

Định nghĩa thuộc tính vật liệu

Vật liệu đẳng hướng đàn hồi tuyến tính

Khối lượng riêng

Chương trình ANSYS có thể định nghĩa được ba loại đặc tính vật liệu:

-Tuyến tính hoặc phi tuyến tính-Đẳng hướng, dị hướng hoặc phi đàn hồi-Thay đổi theo nhiệt độ hoặc không thay đổi theo nhiệt độ

Định nghĩa mặt cắt

Main Menu > Preprocessor > Sections > Beam > Common Sections

Loại phần tửLoại vật liệuHằng số thực

Phân chia mạng lưới phần tử

Khống chế mạng lưới phần tử

Phân chia mạng lưới phần tử

Phân chia nhanh:

Main Menu >

Preprocessor >

Meshing > Mesh Tool

Trực tiếp xây dựng mô hình phần tử hữu hạn

Phương pháp xây dựng: Điểm nút Phần tử Tạo điểm nút (Nodes)

Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create >

Gán điều kiện biên và tải trọng

Gán điều kiện biên Gán lực tập trung và

mô men tập trung

Gán tải trọng áp lực Gán gia tốc trọng

trường

Gán điều kiện biên

Sau khi lựa chọn điểm nút cần gán ràng buộcCửa sổ lựa chọn điểm nút

Có thể gán điều kiện biên lên đường, mặt, điểm hình học, điểm nút, nhóm điểm nút, biên đối xứng

Gán tải trọng tập trung

Cửa sổ lựa chọn điểm nút

Sau khi lựa chọn điểm nút cần gán tải trọng

Nhập giá trị lực hoặc mô men

Có thể gán tải trọng tập trung lên điểm hình học, điểm nút, nhóm điểm nút,

Gán tải trọng mặt

Định nghĩa lực phân bố trên phần tử dầm (SFBEAM)

Lựa chọn phần tử dầm cần gán tải trọngNhập giá trị tại đầu I và đầu J của phần tử

Định nghĩa phương thức và độ lớn lực

phân bố tác dụng trên phần tử (SFE)

Nhập giá trị tải trọng tại các nút trên phần tử

Phần tử 2-D Phần tử 3-D

SFE,4,2,PRES,,20,60 SFE,10,6,PRES,,10,20,15,30

Định nghĩa lực phân bố giữa các điểm nút (SF)

Lựa chọn các điểm nút cần gán tải trọng

Nhập giá trị tải trọng áp lực

SF chỉ có thể gán lực phân bố đều, còn SFE có thể gán lực phân bố không đều trên mặt và trên biên của phần tử.

Gán tải trọng trực tiếp lên mô hình hình học

Gán tải trọng phân bố lên đường (SFL)

Gán tải trọng phân bố lên mặt (SFA)

SFL và SFA tương đương với SFE

Gán tải trọng quán tính

Trong phần mềm ANSYS, mặc định trục Y theo phương thẳng đứng hướng từ dưới lên trên

Định nghĩa yêu cầu tính toán

Lựa chọn loại hình phân tích

Phân tích tĩnh Phân tích dao động

Hệ thống động lực phổ hưởng ứng ngoại lựcPhân tích hệ thống động lực tức thời

Phân tích phổ

Phân tích ổn định

Phân tích kết cấu con

Khống chế giải

Tính toán

Xem kết quả Xử lý kết quả thông thường (POST1)

Xử lý kết quả theo lịch sử thời gian (POST26)

Đọc kết quả tính toán

Hiển thị bảng kết quả tính toán

Bảng dữ liệu phần tử

Hiển thị phổ kết quả

Hiển thị biến hình kết cấu

PLDISP,KUND !KUND=0 hoặc 1 hoặc 3

Hiển thị biến hình động

Utility Menu > PlotCtrls > Animate > Deformed Shape

Hiển thị đường đẳng giá trị

Lựa chọn một trong các thông số

cần hiển thị trên màn hình đồ họa

Hiển thị kết quả trên đường

Lựa chọn đường thẳng cần hiển thị kết quả thông qua 2 điểm nút

Lựa kết quả cần hiển thị trên đườngĐinh nghĩa các kết quả

cần hiển thị

Hiển thị đường đẳng giá trị trên mặt cắt ngang

Di chuyển hệ tọa độ cục bộ đến vị trí cần cắt mặt cắt ngang

Mặt phẳng làm việc hiện

thời là mặt phẳng XY

trong hệ tọa độ cục bộ

/TYPE: lựa chọn Section

/CPLANE: lựa chọn Working plane

BÀI 3: KẾT CẤU GIÀN

Giàn được cấu tạo bởi các thanh thẳng liên kết với nhau bằng các nút ở hai đầu thanh

Hằng số thực AREA (diện tích mặt cắt), ISTRN (biến dạng ban đầu)

Đặc trưng của vật liệu EX, ALPX, DENS, DAMP

Tải trọng bề mặt Không có

Tải trọng khối Nhiệt độ: T(I), T(J)

Đặc tính Dẻo, từ biến, dãn nở, ứng suất cứng hóa, biến dạng lớn, chuyển

Số liệu đầu vào của phần tử LINK1

S(AXL) Ứng suất theo phương dọc trục của phần tử

EPEL(AXL) Biến dạng đàn hồi theo phương dọc trục của phần tử

EPTH(AXL) Biến dạng nhiệt phương dọc trục của phần tử

EPIN(AXL) Biến dạng ban đầu theo phương dọc trục của phần tử

EPPL(AXL) Biến dạng dẻo theo phương dọc trục của phần tử

EPCR(AXL) Biến dạng từ biến theo phương dọc trục của phần tử

EPSW(AXL) Biến dạng dãn nở theo phương dọc trục của phần tử

Số liệu đầu ra của phần tử LINK1

Phần tử LINK8

Phần tử thanh 3 chiều chịu kéo nén dọc trục thường dùng để mô phỏng kết cấu

giàn không gian

Hằng số thực AREA (diện tích mặt cắt), ISTRN (biến dạng ban đầu)

Đặc trưng của vật liệu EX, ALPX, DENS, DAMP

Tải trọng bề mặt Không có

Tải trọng khối Nhiệt độ: T(I), T(J)

Đặc tính Dẻo, từ biến, dãn nở, ứng suất cứng hóa, biến dạng lớn, phần tử

sinh và chết

Số liệu đầu vào của phần tử LINK8

SAXL Ứng suất theo phương dọc trục của phần tử

EPELAXL Biến dạng đàn hồi theo phương dọc trục của phần tử

EPTHAXL Biến dạng nhiệt theo phương dọc trục của phần tử

EPINAXL Biến dạng ban đầu theo phương dọc trục của phần tử

EPPLAXL Biến dạng dẻo theo phương dọc trục của phần tử

EPCRAXL Biến dạng từ biến theo phương dọc trục của phần tử

EPSWAXL Biến dạng dãn nở theo phương dọc trục của phần tử

Số liệu đầu ra của phần tử LINK8

* Định nghĩa đặc trưng hình học thanh giàn: Prep >

Real Constants > Add\Edit\Delete

* Nội lực và ứng suất trong các thanh giàn:

General Postprocessor > Element Table > Define

Table

Một vài lưu ý khi tính toán nội lực và ứng

suất thanh giàn:

ETABLE, NAXL, SMISC,1

ETABLE, SAXL, LS, 1

* Hiển thị biểu đồ ứng suất: General

Postprocessor > Plot Result > Contour

Plot > Line Element Result

* Xuất bảng liệt kê giá trị lực dọc và ứng suất: General Postprocessor > List Result >

Elem Table Data

Ví dụ 1 - Giàn phẳng hình thang

Xác định chuyển vị, lực dọc và ứng suất trong các thanh giàn của giàn phẳng có sơ đồ tính toán

như ở hình dưới đây, bỏ qua trọng lượng bản thân của giàn Tiết diện mặt cắt ngang các thanh

giàn A=32cm2 Vật liệu thép CT3 có E=2.1x108kN/m2, =0.3

Sơ đồ tính toán giàn

Ví dụ 2 - Giàn không gian hình thang ngược

Xác định chuyển vị, lực dọc, ứng suất và phản lực liên kết của giàn không gian có sơ đồ tính

toán như ở hình dưới đây Tiết diện mặt cắt ngang các thanh giàn A=0.0032m2 Vật liệu thép

CT3 có E=2.1x108kN/m2, =0.3

Sơ đồ tính toán

BÀI 4: KẾT CẤU DẦM VÀ KHUNG

Thanh chịu uốn được gọi là dầm.

Khung được cấu tạo bởi các thanh thẳng liên kết với nhau bằng các nút ở hai đầu thanh.

Phần tử dầm (BEAM)

Phần tử BEAM3

Phần tử thanh 2 chiều chịu kéo nén

dọc trục và chịu uốn thường dùng

để mô phỏng dầm, khung phẳng

trong kết cấu công trình

Điểm nút I, J

Độ tự do UX, UY, ROTZ

Hằng số thực AREA, IZZ, HEIGHT,SHEARZ, ADDMAS

KEYOPT(6) Lực và mômen đầu ra:

0 - Không xuất lực và mômen

1 - Xuất lực và mômen trong hệ tọa độ phần tử

KEYOPT(9) Xuất kết quả số điểm N giữa nút I và J (N=0, 1, 3, 5, 7, 9)

KEYOPT(10) Dùng lệnh SFBEAM gán vị trí tải trọng cùng với khoảng cách từ đầu I tới tải trọng phân bố

0 - Giá trị chiều dài đoạn này có đơn vị là độ dài

1 - Giá trị chiều dài đoạn này có đơn vị là tỷ số độ dài (từ 0 đến 1.0)

Số liệu đầu vào của phần tử BEAM3

Số liệu đầu ra của phần tử BEAM3

SDIR Ứng suất do lực dọc trục của phần tử dầm SBYT Ứng suất do uốn tại mép +Y của phần tử dầm SBYB Ứng suất do uốn tại mép -Y của phần tử dầm SMAX Ứng suất lớn nhất (ứng suất dọc trục + ứng suất do uốn) SMIN Ứng suất nhỏ nhất (ứng suất dọc trục - ứng suất do uốn) EPELDIR Biến dạng đàn hồi dọc trục của phần tử dầm EPELBYT Biến dạng do uốn tại mép +Y của phần tử dầm EPELBYB Biến dạng do uốn tại mép -Y của phần tử dầm EPTHDIR Biến dạng nhiệt dọc trục tại điểm cuối EPTHBYT Biến dạng nhiệt sinh uốn tại mép +Y của phần tử dầm EPTHBYB Biến dạng nhiệt sinh uốn tại mép -Y của phần tử dầm EPINAXL Biến dang dọc truc ban đầu trong phần tử MFOR(X,Y) Các lực thành phần theo phương X, Y hệ tọa độ phần tử MMOMZ Mômen đối với trục Z của hệ tọa độ phần tử

Phần tử BEAM54

Phần tử dầm 2 chiều có thể chịu

kéo, nén dọc trục và chịu uốn

thường dùng để mô phỏng kết cấu

khung phẳng trong công trình đặt

trên nền đàn hồi

Hằng số thực AREA, IZ, HYT, HYB, AREA, AREAS, , EFS, ISTRN, ADDMAS

Vật liệu EX, ALPX, DENS, GXY, DAMP

KEYOPT(6) Lựa chọn ứng suất cứng hóa

0 - Khi mở NLGEOM, sử dụng ma trận độ cứng hướng cắt chính 1- Khi mở NLGEOM và SOLCONTROL, sử dụng cùng ma trận độ cứng hướng cắt

2 - Khi đóng SOLCONTROL, không sử dụng cùng ma trận độ cứng hướng cắt KEYOPT(9) Lực và mômen đầu ra:

0 - Không xuất lực và mômen

1 - Xuất lực và mômen trong hệ tọa độ phần tử KEYOPT(10) Dùng lệnh SFBEAM gán tải trọng bề mặt

0 - Số liệu gán có đơn vị là độ dài

1 - Số liệu gán có đơn vị là tỷ số độ dài

Số liệu đầu vào của phần tử BEAM54

SDIR Ứng suất do lực dọc trục của phần tử dầm

SBYT Ứng suất do uốn tại mép +Y của phần tử dầm

SBYB Ứng suất do uốn tại mép -Y của phần tử dầm

SMAX Ứng suất lớn nhất (ứng suất dọc trục + ứng suất do uốn)

SMIN Ứng suất nhỏ nhất (ứng suất dọc trục - ứng suất do uốn)

SXY Lực cắt trung bình (phương Y)

MFOR(X,Y) Các lực thành phần theo phương X, Y hệ tọa độ phần tử

Số liệu đầu ra của phần tử BEAM54