Sử dụng phần mềm ANSYS trong tính toán kết cấu công trình thuỷ lợi thuỷ điện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI175 Tây Sơn – Đống Đa – Hà Nội BÀI GIẢNG CHUYÊN ĐỀ: SỬ DỤNG PHẦN MỀM ANSYS TRONG TÍNH TOÁN KẾT CẤU CÔNG TRÌNH THỦY LỢI THỦY ĐIỆN VŨ HOÀNG HƯNG BM KẾT CẤU CÔNG TRÌ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

175 Tây Sơn – Đống Đa – Hà Nội

BÀI GIẢNG CHUYÊN ĐỀ:

SỬ DỤNG PHẦN MỀM ANSYS TRONG TÍNH TOÁN KẾT CẤU CÔNG TRÌNH

THỦY LỢI THỦY ĐIỆN

VŨ HOÀNG HƯNG

BM KẾT CẤU CÔNG TRÌNHKHOA CÔNG TRÌNH

2

PHÂN TÍCH KẾT CẤU CÔNG TRÌNH THỦY LỢI THỦY ĐIỆN

3

Tạo cầu máng ứng suất trước dựa vào

lực kéo cáp và vị trí dây cáp

4

Xây dựng bài toán tổng quát để tối ưu

hóa kết cấu khá khó khăn

Phần mềm ANSYS có khả năng làm được điều này?

5

Phát hiện vết nứt trong kết cấu BTCT

Tạo kết cấu ứng suất trước theo các

phương pháp khác nhau

Lập trình xây dựng bài toán tổng quát

với các thông số đầu vào thay đổi

6

PHẦN MỀM PHÂN TÍCH MÔ PHỎNG CÔNG TRÌNH

DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG TĨNH ĐỘNG LỰC, PHI TUYẾN

THEO PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠNBÀI 1: GIỚI THIỆU PHẦN MỀM ANSYS

7

-Công nghiệp quốc phòng

-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

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

9

Thoát khỏi ANSYS

10

Giao diện phần mềm Menu tiện ích Cửa sổ

nhập lệnh

Thanh công cụ

Menu chính

Thanh

trạng thái

Cửa sổ hiển thị

11

PHƯƠNG PHÁP THAO TÁC GUI

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

12

Menu chính

Khối xử lý số liệu

13

Khối tính toán

Khối xử lý kết quả

14

Menu tiện ích

Lựa chọn đối tượng

Định nghĩa

Định nghĩa

Hiển thị đối tượng theo dạng bảng

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

15

PHƯƠNG PHÁP THAO TÁC APDL

Soạn thảo câu lệnh trong Notepad với đuôi *.txt

16

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

17

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 toán Jobname.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

trọng Jobname.stat STAT File File trạng thái xử lý vận hành ANSYS 18

Phương pháp 1:

Để tên file mặc định: Jobname = file

20

Thay đổi địa chỉ thư mục lưu trữ:

GUI: Utility Menu > File > Change Directory

COMMAND: /CWD,'D:\Giang day\Giang ANSYS\Lop CDGV'

21

Phương pháp 1:

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

Utility Menu > File > Save as

Lưu dữ liệu

Phương pháp 2: tương đương với Save as

Jobname.db

22

Phương pháp 1:

GUI: Utility Menu > File > Resume Jobname.db

Utility Menu > File > Resume from

Quay trở lại dữ liệu ban đầu trước khi lưu trữ

Phương pháp 2: tương đương với Resume

Jobname.db

23

Có thể hiểu đơn giản:

Save as Jobname.db

Resume Jobname.db

Trong ANSYS không có chức năng quay Undo từng thao tác

tương đương với việc quay trở lại thao tác trước khi

Save as Lưu một file dữ liệu với tên mới

Resume as Mở một file đã được lưu trữ

Ngoài ra để quay trở lại một bước bất kỳ trong quá trình thao tác có thể xóa các dòng lệnh thao tác không mong muốn trong Session Editor

24

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 )

25

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

26

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

27

Chuyên đề 1: Kiểm tra phá hoại nứt kết cấu bê tông cốt thép

Giới thiệu một vài chuyên đề nâng cao

28

Chuyên đề 2: Tính toán động đất

29

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

30

Xây dựng mô hình hình học

Phương pháp xây dựng: Điểm → → → Đường → → → Mặt → → → Khối

Khi xóa bỏ cần làm ngược lại

31

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, θ và Z

X, Y và Z trong hệ tọa độ mặt cầu tương ứng với R, θ và Φ

32

Tạo đường hình học (Lines)

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

33

Tạo mặt hình học (Areas)

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

34

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

35

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

36

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

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

Vật liệu đẳng hướng đàn hồi tuyến tính

Khối lượng riêng

38

Định nghĩa mặt cắt

Main Menu > Preprocessor > Sections > Beam > Common Sections

39

Loại phần tửLoại vật liệuHằng số thực

40

Khống chế mạng lưới phần tử

Phân chia mạng lưới phần tử

Phân chia nhanh:

Main Menu >

Preprocessor >

Meshing > Mesh Tool

41

Trực tiếp xây dựng mô hình phần tử hữu hạn

Tạo điểm nút (Nodes)

Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Nodes > In Active CS

42

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 44

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

Nhập giá trị chuyển vị 45

Gán tải trọng tập trung

Cửa sổ lựa chọn điểm nút

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

Sau khi lựa chọn điểm nút cần gán tải trọng

Nhập giá trị lực hoặc mô men

46

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

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

Lựa chọn các điểm nút cần gán tải trọng

Nhập giá trị tải trọng áp lực

49

Gán tải trọng trực tiếp lên mô hình hình học

Gán tải trọng phân bố lên đường (SFL)

50

Gán tải trọng phân bố lên mặt (SFA)

SFL và SFA tương đương với SFE

51

Gán tải trọng quán tính

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

52

Định nghĩa yêu cầu tính toán

Lựa chọn loại hình phân tích

Phân tích tĩnhPhân tích dao động

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

Phân tích phổPhân tích ổn định

Phân tích kết cấu con

53

Khống chế giải

54

Tính toán

55

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

56

Bảng dữ liệu phần tử

57

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

58

Hiển thị đường đẳng giá trị

Lựa chọn một trong các thông số

cần hiển thị trên màn hình đồ họa

59

Hiển thị kết quả trên đường

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

60

Lựa kết quả cần hiển thị trên đường

Đinh nghĩa các kết quả

cần hiển thị

61

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

62

/TYPE: lựa chọn Section

/CPLANE: lựa chọn Working plane

63

BÀI 3: BÀI TOÁN PHẲNG

Vật thể được giới hạn bởi 2 mặt phẳng song song có chiều dày rất nhỏ so với hai cạnh kia được gọi là vật thể phẳng, khi lực tác dụng song song với mặt vật thể và phân bố đều theo chiều dày được gọi là bài toán phẳng Trên 2 mặt khi ứng suất theo phương pháp tuyến với mặt σz=0 gọi là bài toán ứng suất phẳng, còn khi biến dạng εz=0 được gọi là bài toán biến dạng phẳng

64

Phương thức xây dựng mô hình hình học bài toán phẳng

* Kết hợp các hình dạng cơ bản đã được định nghĩa trước trong ANSYS như hình chữ nhật, tròn, tam giác và các hình đa giác

* Xây dựng mô hình bắt đầu được tạo ra từ các điểm, rồi tiếp đến vẽ các đường và các mặt

65

Một vài lưu ý khi xây dựng mô hình hình học bài toán phẳng

(1) Khi xây dựng mô hình hình học theo hai phương thức trên cần sử dụng các phép toán Booleans

(2) Khi xây dựng mô hình cần

phải tạo các đường (Line)

chung giữa các miền, dùng

phép dán (Glue) hoặc dùng

phép chồng (Overlap) của phép

toán Booleans

66

(3) Phải gán thuộc tính của vật liệu cho từng miền trước khi chia lưới phần tử

(4) Có hai cách chia mạng lưới phần tử, một là chia tự do theo kích thước chiều dài cạnh phần tử, hai là chia theo mạng lưới đường biên của bài toán

(5) Khi xây dựng mô hình có đường biên cong coi như tập hợp bởi các đoạn thẳng nhỏ,

mã các điểm nút cần đươc đánh số thứ tự tăng dần với gia số bằng 1, để thuận tiện cho việc sử dụng phương thức lệnh

(6) Khi thao tác các chức năng của ANSYS nên kết hợp dùng chuột và lệnh sẽ có hiệu quả hơn, đặc biệt là với bài toán không gian 67

Phần tử PLANE183

Phần tử PLANE183 là phần tử phẳng 2 chiều chỉ có thể là phần tử ứng suất phẳng, phần

tử biến dạng phẳng hoặc phần tử đối xứng trục Phần tử có 8 điểm nút hoặc 6 điểm nút, mỗi nút có 2 độ tự do về chuyển vị theo phương X và Y

Hàm xấp xỉ chuyển vị của phần tử PLANE183 có bậc cao hơn hàm xấp xỉ chuyển vị của phần tử PLANE42, vậy trong cùng một bài toán với cùng kích thước phần tử thì độ chính xác của lời giải khi dùng phần tử PLANE183 sẽ cao hơn khi dùng phần tử PLANE42

69

Ví dụ 1 - Cống hộp

Xác định ứng suất và chuyển vị của cống 2 khoang đặt trên nền cứng, có kích thước và chịu tải trọng như ở hình vẽ Vật liệu bê tông B20 có Eb=2.4×107kN/m2, µb=0.2, γb=24kN/m3 Cống đặt trên đá cứng

Sơ đồ tính toán cống

10.2

70