子结构技术在大底盘双塔连体结构中的应用

摘要

在城市化进程的不断推进下，复杂高层建筑结构愈加成为城市建筑的流行趋势，其中大底盘多塔连体高层建筑结构以其形式丰富，功能多样而倍受青睐。但是，由于复杂高层建筑结构受力特点及变形性能复杂，使得其受力及变形分析较为困难，且分析精度较低，目前常用的研究方法有试验法和有限元数值模拟分析法。而试验法往往会耗费大量时间和经费，且会受限于结构的复杂性；有限元数值模拟法则会有耗费机时长、对计算机硬件要求高，甚至无法求解等困难。子结构分析技术是计算分析方法中的一种新型快速高效分析方法，已经有部分成果应用于有限元分析软件，如有限元软件ANSYS中就开发了基于动态子结构方法的技术板块。子结构技术多用于结构复杂、精度要求较高的结构，如航空航天及大型机械结构领域，而较少用于复杂建筑结构领域。为此，论文研究将子结构分析方法应用于复杂高层建筑结构的有限元建模分析，以提高复杂高层建筑的分析精度及速度。 本文以大底盘双塔连体结构为计算模型，将整体结构划分成四个子结构，其中包含重复几何模型的子结构部分和非重复几何模型的子结构部分。简单重复几何模型的结构在使用子结构分析法时只需形成一个子结构，然后进行模型的偏移以形成其他子结构。因此，各子结构间的连接因节点号具有相同偏移量而不需要特殊处理便可自动连接。而非重复几何模型结构需要单独建模形成各子结构，且各子结构的节点号相互之间没有联系。因此，在处理这种复杂子结构间的连接时，需要单独选择各子结构节点号分别进行固结。这种突破使得子结构分析方法在建筑结构领域的应用不再局限于重复几何模型的结构形式，而可以进入复杂结构模型的分析领域。在子结构分析方法建模的过程中，可采取先建整体结构的有限元模型，再按一定的规则将模型进行划分、删除和保留，以这种特殊的建模方式形成预先设定好的各子结构的有限元模型，然后通过定义主自由度的方式形成各超单元。在各子结构超单元文件形成的基础上，进入子结构的使用部分分析求解，最后将各子结构进行扩展并提取分析结果。在子结构分析方法建模及分析的过程中，均采用命令流的操作方式，最终整理形成子结构技术命令流通用模板，包括重复和非重复几何模型子结构的生成和使用的模板、结构静力分析和结构动力分析的模板。为了便于直观观察子结构分析方法的精确性、高效性和可操作性，另外采用有限元直接法建立同一分析模型，并进行相同数量、相同形式的网格划分，以保证在两种分析方法模型数据完全一致的前提下进行两种分析方法的结果对比。两种分析方法所得结果对比结论如下： 对两种分析方法分别进行静力分析，进入通用后处理模块得到两种方法相应的位移云图、位移量值和应力值，同时记录静力分析运行时间和数据所占内存。在静力分析的基础上再进行模态分析，分别采用两种分析方法求解后进入通用后处理器，得到两种分析方法下结构的前二十阶频率及相应振型图，同时记录模态分析运行时间、数据所占内存和文件输出内存。结果表明：在采用子结构法进行分析和有限元直接法进行分析所得数值结果基本一致的前提下，采用子结构分析法所用运行时间是有限元直接法法的1/2、内存占用率是有限元直接法的1/3、文件输出暂存是有限元直接法的1/7，分析效率远高于有限元直接法。同时，由于子结构分析法有将大量单元形成有限少量超单元的优势，大大减少了结构运动方程数量，解决了大型复杂结构数值模拟分析无法求解的困难。

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1绪论

1.1论文研究背景和存在的问题

1.2模态综合法

1.3动态子结构方法中外研究现状

1.4双塔连体结构动力分析模型

1.5本文的主要工作

2动态子结构方法及ANSYS子结构技术简介

2.1动态子结构方法的理论基础

2.2模态综合法

2.3 ANSYS子结构技术简述

3结构的有限元模型

3.1模型概况

3.2基于ANSYS软件子结构技术的优势

3.3 分析所用单元

3.4有限元直接法模型的建立

3.5子结构法模型的建立

4结构的静力分析及模态分析

4.1 静力分析

4.2模态分析

5 结论与展望

5.1 本文的主要成果

5.2 展望

参考文献

致谢