110kV耐张角钢塔ANSYS静动力特性分析
ANSYS动力学分析
ANSYS动力学分析ANSYS（Analysis System）是由美国ANSYS公司开发的一款计算机辅助工程分析软件，广泛应用于工程领域的结构力学、流体力学、电磁场和热传导等方面的分析计算。
其中，动力学分析是ANSYS的一个重要模块，主要用于分析和模拟机械系统在动态载荷下的响应和行为。
动力学分析是通过模拟和分析物体的运动过程来揭示其受力和受弯的内部原因，以及预测其在不同动态载荷下的响应和行为。
通过对机械系统进行动力学分析，我们可以了解结构的强度和刚度，预测结构在运动过程中的变形和应力分布，并给出相应的改进和优化建议。
因此，动力学分析在新产品的设计改进、故障排查和现有结构评估等方面具有重要的应用价值。
动力学分析使用的数学模型主要基于牛顿力学原理，将机械系统简化为质量、刚度和阻尼等基本参数的集合。
通过在ANSYS中建立适当的几何模型和边界条件，可以通过施加合适的载荷或运动条件来模拟机械系统的运动过程。
在此基础上，ANSYS还提供了一系列强大的分析工具，如求解器、后处理和可视化工具等，使得用户可以全面、准确地分析和评估机械系统的动态响应。
在动力学分析中，常见的问题包括振动、冲击、疲劳和动态响应等。
振动分析研究结构在自身固有频率下的振动特性，包括固有频率、振型和模态质量等。
冲击分析一般用于模拟机械系统在外界冲击载荷下的响应，如撞击、爆炸等。
疲劳分析则研究结构在重复载荷作用下的寿命与损伤。
动态响应分析综合考虑质量、刚度和阻尼等因素，研究结构在动态载荷下的响应和行为。
ANSYS在动力学分析方面提供了多种分析方法和工具，包括模态分析、响应谱分析、频率响应分析、时程分析、非线性动力学分析等。
模态分析提供了机械系统的固有频率、振型和模态质量等信息，可以帮助优化结构的设计。
响应谱分析可根据外界地震激励谱进行分析，预测结构在地震等自然灾害发生时的抗震性能。
频率响应分析模拟了机械系统在受到调制频率载荷时的响应，包括位移、速度和加速度等。
ANSYS动力分析谱分析实例
ANSYS动力分析谱分析实例谱分析是一种常用的动力学分析方法，可以将时间域上的信号转化为频率域上的信号。
在ANSYS中，可以使用各种功能和工具进行谱分析。
接下来，我将为您介绍一个使用ANSYS进行动力学谱分析的实例。
假设我们有一个简单的悬臂梁结构，在悬臂梁的一端施加一个脉冲载荷，并且希望分析结构在这个载荷作用下的振动响应。
首先，在ANSYS中创建一个新的工作文件，并选择适当的分析类型。
对于动力学分析，我们可以选择"Transient Dynamic" (瞬态动力学)分析。
接下来，为悬臂梁结构设置适当的材料属性、几何尺寸和约束条件。
在本例中，我们选择一个简单的材料模型，例如线弹性材料。
我们还需要定义悬臂梁的几何尺寸和任何约束条件，例如固支或自由端。
然后，我们需要定义载荷。
在本例中，我们施加一个脉冲载荷，来模拟突然施加在结构上的外力。
脉冲载荷可以是一个正弦波、高斯函数或斯特朗函数。
在ANSYS中，我们可以使用一个时间函数来定义这个载荷。
现在，我们可以开始进行分析。
在动力学分析中，我们通常需要定义一个时间步长和总计算时间。
时间步长决定了计算的精确性和计算时间，通常需要根据结构的特性进行调整。
计算完成后，我们可以通过结果查看器或报告生成器来查看和分析结果。
对于动力学分析，我们通常关注的是结构的位移、速度和加速度等振动响应。
这些结果可以以时间序列图或频谱图的形式呈现。
对于谱分析，我们可以使用ANSYS中的频谱分析工具来进一步分析结果。
通过应用傅里叶变换，可以将时间域上的信号转换为频率域上的信号。
在ANSYS中，我们可以选择不同的频谱方法，如快速傅里叶变换、峰值谱分析和传递函数法。
通过进行谱分析，我们可以获得结构在不同频率下的振动响应信息。
这些信息可以帮助我们了解结构的固有频率、共振情况和模态形态，从而指导结构的设计和优化。
在这个实例中，我们演示了如何使用ANSYS进行动力学谱分析。
通过使用ANSYS的各种功能和工具，工程师可以预测和评估结构的振动响应，并进行结构的动态性能分析和优化。
ANSYS课件5静力分析解析
验证分析
验证分析就是用最简单的模型提取最有效的数据做为参考数 据。在试图解决一个新的分析类型时，需要对比数据（比如解析
解或者经验数据等），这就需要首先分析简化模型。如果简化模
型的分析结果可以认定是可靠，则表明对实际模型的处理方案是 可行的。分析简化模型的过程中确保分析类型、单位、比例等参 数准确。本例用简单悬臂梁模型作为验证，验证模型如图所示。 铝管的外径为25mm，壁厚2mm。
谭秋林
第5章 结构静力分析
结构分析是有限元分析方法最常用的一个应用领域。结构这个术语是
一个广义的概念，它包括土木工程结构，如桥梁和建筑物；汽车结构，如
车身骨架；海洋结构，如船舶结构；航空结构，如飞机机身等；同时还包 括机械零部件，如活塞传动轴等等。
结构分析中计算得出的基本未知量（节点自由度）是位移，其他的
§3 平面应力分析
分析题目：
对一个书架上常用的钢支架进行结构静力分析。假定支架在厚度方向上
无应力（即平面应力问题）
选用8节点的平面应力单元； 支架厚度为3.125mm； 材料普通钢材， 弹性模量取E=200 GPa； 支架左边界固定； 顶面上作用一个2.625KN/m均布荷载
§4 轴对称结构的静力分析
结构的影响（如重力和离心力），以及那些可以近似为 等价静力的随时间变化荷载（如通常在许多建筑规范中 所定义的等价静力风荷载和地震荷载）。
§2 桁架结构静力分析
桁架（Truss）是由细直构件在端点连接而成的一种结构，这些细直构件通 常是木质或者金属制的。 平面桁架：位于一平面，常用于支承屋顶或者桥梁。 三维桁架结构：与二维桁架相差不是很大，只是载荷与桁架不在同一个平 面内，不能简化为二维问题分析。 桁架分析的基本假设： 1．所有载荷均作用于连接点； 2．构件由光滑插销连接。 上述两个假设，使得桁架中的每个构件均为二力构件，即只有构件的 两端受力，且作用力沿构件轴线方向。
ANSYS结构动力学分析
substeps (6) 求解 求解当前载荷步。
命令：SOLVE GUI：Main Menu>Solution>Solve>Current Ls (7) 结果后处理和分析 瞬态动力学分析结果保存于结果文件Jobname.RST中。可以用POST1和 POST26观察和分析。其中，POST1用于观察在给定时间整个模型的结果， POST26用于观察模型中指定处(节点、单元等)响应随频率变化的历程分 析结果。
Kx F
(11)
如果惯性力或阻尼力足够大到必须加以考虑时，那么系统 的受力平衡方程式必须写成：
MxCxKx F (1 2)
动力效应什么时侯需考虑在力平衡方程式中？什么时侯动力效应才称为 “足够大”？
一个最保险的方法是：时刻不忽略动力效应；或者是静力分析及动力分 析各做一次，当两次分析的结果差异在可接受范围时(结果差异5%以内)， 即表示动力效应是可以忽略的，反之则是不可忽略的。
3 结构模态分析(Modal Analysis)
当外力是0时，方程式1-2即为代表模态分析的控制方程式：
MxCxKx 0 (13)
从数学的观点来看，式1-3是一个特征值问题(eigenvalue problem)，其特征值代表结构的自然振动频率(natural frequencies)和模态阻尼(Modal damping)，而每一个特征值相 对的特征向量(eigenvector)代表振动形状(vibration shapes)。所 以模态分析的结果是自然振动频率、模态阻尼和对应的振动 形状。
4 结构谐响应分析(Harmonic Response Analysis)
钢结构设计中的静力分析
钢结构设计中的静力分析在钢结构设计中，静力分析是一个至关重要的环节。
静力分析是指通过各种计算方法，对构件及结构作用力进行分析和研究的过程。
静力分析是结构设计的前提，也是保证结构安全的重要手段。
静力分析的目的是确定结构内部的各个构件的受力状态，以及各个构件之间的相互作用关系。
静力分析的主要内容包括应力、变形、位移、刚度等参数的计算和分析。
首先要确定结构的受力方式，其次是确定结构内部各个构件的受力状态。
通过分析各个构件受力特点，可以确定每个构件的设计参数，比如截面型号、尺寸等。
静力分析除了确定结构的设计参数之外，还可以对结构的安全性进行评估。
通过分析结构的受力状态，可以确定构件的应力和变形情况，并对构件进行强度验证。
在确认结构的安全性之后，还可以对结构进行优化，并减少材料的使用，从而达到节约成本的目的。
在进行静力分析时，需要掌握一定的计算方法和软件工具。
常用的计算方法有单元法、杆件法等。
单元法是指将结构分成若干个单元，在每个单元内计算应力和应变。
而杆件法则是将结构分成若干个杆件，在每个杆件内计算受力和变形。
随着计算机技术的不断进步，有很多专业的钢结构静力分析软件问世，如ANSYS、ABAQUS、SAP2000等，这些软件可以提高准确性和工作效率，使得钢结构静力分析更加简便。
钢结构静力分析需要注意的问题很多。
首先要明确结构的受力方式，通过应用力学知识计算满足结构稳定性和安全性的最小斜率系数。
其次，要正确选择计算参数，如刚度系数、材料参数、注意计算过程中的各种限制和约束条件，以尽可能完整地反映结构受力状态。
另外，还要关注结构的各种实际情况，如不均匀受力、变形、缺陷等，以尽可能真实地反映结构的受力状态。
总之，静力分析是钢结构设计的重要环节。
静力分析的主要目的是为了求解结构受力特点，确定设计参数，评估结构的安全性，并进行优化设计。
在进行钢结构静力分析时，要注意应用力学知识，选择合适的计算方法和软件工具，并关注结构的各种实际情况。
ANSYS结构分析指南结构线性静力分析
ANSYS结构分析指南第二章结构线性静力分析2.1 静力分析的定义静力分析计算在固定不变载荷作用下结构的响应，它不考虑惯性和阻尼影响--如结构受随时间变化载荷作用的情况。
可是，静力分析可以计算那些固定不变的惯性载荷对结构的影响(如重力和离心力)，以及那些可以近似为等价静力作用的随时间变化载荷(如通常在许多建筑规范中所定义的等价静力风载和地震载荷)的作用。
静力分析用于计算由那些不包括惯性和阻尼效应的载荷作用于结构或部件上引起的位移、应力、应变和力。
固定不变的载荷和响应是一种假定，即假定载荷和结构响应随时间的变化非常缓慢。
静力分析所施加的载荷包括：外部施加的作用力和压力稳态的惯性力(如重力和离心力)强迫位移温度载荷(对于温度应变)能流(对于核能膨胀)关于载荷，还可参见§2.3.4。
2.2 线性静力分析与非线性静力分析静力分析既可以是线性的也可以是非线性的。
非线性静力分析包括所有类型的非线性：大变形、塑性、蠕变、应力刚化、接触(间隙)单元、超弹性单元等。
本章主要讨论线性静力分析。
对非线性静力分析只作简单介绍，其详细论述见《ANSYS Structural Analysis Guide》§8。
2.3 静力分析的求解步骤2.3.1 建模首先用户应指定作业名和分析标题，然后通过PREP7 前处理程序定义单元类型、实常数、材料特性、模型的几何元素。
这些步骤是大多数分析类型共同的，并已在《ANSYS Basic Analysis Guide》§1.2 论述。
有关建模的进一步论述，见《ANSYS Modeling and Meshing Guide》。
2.3.1.1 注意事项在进行静力分析时，要注意如下内容：1、可以采用线性或非线性结构单元。
2、材料特性可以是线性或非线性，各向同性或正交各向异性，常数或与温度相关的：必须按某种形式定义刚度(如弹性模量EX，超弹性系数等)。
对于惯性载荷(如重力等)，必须定义质量计算所需的数据，如密度DENS。
ANSYS结构静力分析
第4页
ANSYS非线形分析指南
基本过程
力矩、位移、转动或这些项目的任意组合上。另外，每一个项目 可 以有不同的收敛容限值。 对多自由度问题，你同样也有收敛准则的选择问题。
当你确定你的收敛准则时，记住以力为基础的收敛提供了收敛的绝对量度，而以位移 为基础的收敛仅提供了表观收敛的相对量度。因此，你应当如果需要总是使用以力为基础 （或以力矩为基础的）收敛容限。如果需要可以增加以位移为基础（或以转动为基础的）收 敛检查，但是通常不单独使用它们。
图 1─1 非线性结构行为的普通例子
非线性行为的原因 引起结构非线性的原因很多，它可以被分成三种主要类型：
状态变化（包括接触） 许多普通结构的表现出一种与状态相关的非线性行为,例如，一根只能拉伸的电缆可能
是松散的,也可能是绷紧的。轴承套可能是接触的,也可能是不接触的, 冻土可能是冻结的,也 可能是融化的。这些系统的刚度由于系统状态的改变在不同的值之间突然变化。状态改变也 许和载荷直接有关（如在电缆情况中）， 也可能由某种外部原因引起（如在冻土中的紊乱 热力学条件）。ANSYS 程序中单元的激活与杀死选项用来给这种状态的变化建模。
如果你预料你的结构的行为将从线性到非线性变 化，你也许想要在系统响应的非线性 部分期间变化时间步长。在这样一种情况，你可以激活自动时间分步以 便随需要调整时间 步长，获得精度和代价之间的良好平衡。同样地，如果你不确信你的问题将成功地收敛，你 也许想要使用自动时间分步来激活 ANSYS 程序的二分特点。
无论何时只要平衡迭代收敛失败二分法将把时间步长分成两半然后从最后收敛的子步自动重启动如果已二分的时间步再次收敛失败二分法将再次分割时间步长然后重启动持续这一过程直到获得收敛或到达最小时间步长由你指定
ANSYS的空间网架结构静动态特性分析
建筑钢结构
２． 荷载与约束 荷载包括永久荷载、可变荷载， 其中永久荷载 包括网架结构自重和作用在网架上弦的覆盖物的自 重 （ ０．３５ｋＮ／ｍ２） ， 可变荷载为作用在网架上弦的活 荷 载 （ ０．５ｋＮ／ｍ２） 、 作 用 在 网 架 上 的 风 荷 载 （ ０．４５ ｋＮ／ｍ２） 及地震作用 （ ８ 度区） 。 ３． 计算结果处理与分析 通过对网架进行静力分析可知， 网架的挠度在 中部达到最大值， 向边缘逐渐减小， 最大挠度为 ３９．２ｍｍ。杆件最大拉力为 １３５．９ＫＮ， 发生在下弦 １７１ 号杆， 最大压 力为 １０１．３ＫＮ， 发 生 上 弦 在 ８４９ 号 杆 。 均满足《网架结构设计与施工规程》的要求。
本文采用 ＡＮＳＹＳ 有限元分析软 件， 通过对某 体育馆的大型空间网架结构的参数化建模， 进行整 体结构静力分析和振动模态分析， 确定了网架的最 大变形和各杆的轴力， 得到了该网架的振动模态频 率和振型， 并通过随机振动分析， 确定了网架在地 震波作用下关键节点的动力响应， 以便在设计和改
２８ 中国建筑金属结构 ２００８ ／０３
图 １ 参数输入对话框
利用此方法建立的 ７８ｍ×５０ｍ 正放 四角锥双层 网架的 ＡＮＳＹＳ 有限元模型如图 ２ 所示。
图 ３ 网架位移云图
三、网架有限元模态分析
图 ２ 网架有限元模型
二、网架有限元静态分析
１． 单元类型及实常数的确定 网架结构的有限元模型杆件单元和弦节点质量 单 元 的 类 型 分 别 采 用 ｌｉｎｋ８ 单 元 及 Ｍａｓｓ２１ 质 量 单 元。ｌｉｎｋ８ 是三维杆 单元， 模拟工 程中三维 空间 桁 架、绳索、铰链以及弹簧单元， 可以承受单向拉伸 或压缩， 该单元具有 ２ 个端部节点， 每个节点上有 ３ 个自由度。Ｍａｓｓ２１ 质量单元为一个有 ６ 个自由度 的质量单元。 网架结构有限元模型杆件单元的实常数即指单
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110kV耐张角钢塔ANSYS静动力特性分析
随着输电线路电压等级的提高，对输电线路杆塔系统的静态和动态稳定性提
出了更高的要求。本文基于已有设计杆塔图纸中角钢类型繁多，建模复杂等特点。
为了缩短建模周期，提高建模质量，本文运用新的建模方式对架空输电杆塔进行
建模。通过对华南沿海区域110kV耐张角钢塔的有限元建模和动静力分析，证
明了该有限元建模方法的有效性和可行性。
标签：输电杆塔；角钢；有限元建模
随着我国经济建设的快速发展[1]，电力作为我国一项基本工业，其发展的
速度直接影响、制约着其他产业的发展。现阶段，架空输电杆塔已经成为各国电
力供应最重要的载体。作为高负荷的电能输送载体的输电线路体系，对国家经济
生产和维持人民群众的日常生活正常运行担负着非常重要作用。
1、输电杆塔ANSYS建模
1.1输电杆塔建模的基本步骤
该110J2J604型耐张输电杆塔塔高41.3m，根开9.8m，结构全采用角钢。此
输电塔共采用了2种钢材，分别为Q235，Q345。
本文采用桁梁混合模型对输电杆塔进行建模。由于模型中角钢种类多达30
余种，不适合直接将输
电杆塔几何模型直接导入有限元软件。
有限元建模具体的实施步骤如下：
a）根据设计的施工图纸建立三维几何模型，并获取几何模型的节点坐标；
b）通过关键点在ANSYS中建立输电杆塔有限元模型；
c）加载求解。
1.2采用的单元类型[2]
杆单元用于模拟桁架、缆索、链杆、弹簧等构件。该类单元只承受杆轴向的
拉压，不能承受弯矩，节点只有平动自由度。不同的单元具有弹性、塑性、蠕变、
膨胀、大转动、大挠度（也称大变形）、大应变（也称有限应变）、应力刚化（也
称几何刚度、初试应力刚度等）等功能。
LINK180无实常数型初应变，但可以输入初应力文件，可考虑附加质量；
大变形分析时，横截面面积可以是变化的，即可为轴向伸长的函数或者刚性的。
梁单元分为多种单元，分别具有不同的特性，是一类轴向拉压、弯曲、扭转的
3D单元。该类单元有常用的2D/3D弹性梁元、塑性梁元、渐变不对称梁元、3D
薄壁梁元及有限应变梁元。此类单元除BEAM189实为3节点外，其余均为2节
点，但有些辅以另外的节点决定单元的方向。本文采用BEAM188单元。
1.3质量增大系数
考虑到输电杆塔实体模型中有螺栓、节点板的，而有限元模型只有杆系结构，
并没有螺栓、节点板，这样就造成有限元模型输电杆塔质量与实际结构相比偏小。
所以，在这里需要对钢材密度乘以一个质量放大系数K。根据以往同类型杆塔的
建模经验，本文输电杆塔质量放大系数取1.5。
2、输电杆塔静力特性分析[3、4]
本文根据输电线路设计规程相关要求，对输电杆塔进行风荷载计算及加载，
荷载工况为90度风荷载。
计算后的得到的风载荷分段加载到输电杆塔并求解，通过ANSYS有限元分
析可知，在设计风荷载及自重的作用下，输电杆塔最大位移是150.8mm，最大等
效应力单元等效应力为172.2Mpa，且位于塔腿处，说明该输电杆塔在最大风荷
载作用下没有危险。同时通过有限元分析结果可以发现，斜杆应力普遍较小，并
不是重要的受力构件，也进一步论证有限元建模不考虑辅杆的合理性。同时为接
下来研究在考虑腐蚀缺陷情况下输电杆塔受力性能研究提供参考建议。
3、输电杆塔动力特性分析
3.1输电杆塔模态提取
按照上述方法对110J2J604型耐张输电杆塔完成实体模型建立后，对其进行
模态分析，并提取前6阶自振周期及前3阶振型。
3.2与经验公式对比
该输电杆塔第一周期的经验公式如下：
按照该公式求得输电杆塔的自振周期T=0.423s，与有限元软件计算的第一阶
周期0.323s相比，模态分析计算结果比经验公式的计算结果大23.6%。两者存在
一定的差距，造成这个结果的原因主要有两个，第一，有限元分析时对模型进行
了一定的简化。主材、横隔材全部刚接，而实际结构中主材、横隔材并不是完全
刚接的，所以造成结构整体刚度偏大，自振周期偏小；第二，由于输电杆塔的结
构形式多样，并且高度不一，如干字塔、猫头塔、酒杯塔等等，而不同高度、不
同类型的输电杆塔自振周期具有不同的特点，所以这一公式并不能适用于所有类
型的输电杆塔，在进行输电杆塔设计时需要更加精确的自振周期计算公式。
结语：
a）本文根据工程实际，选用合理的有限元建模方法对华南沿海区域110kV
耐张角钢杆塔进行了实体建模以及静动力特性分析。论证了该输电杆塔在最大风
荷载作用下结构的稳定性。
b）由于不同高度、不同类型的输电杆塔自振周期具有不同的特点，所以这
一公式并不能适用于所有类型的输电杆塔。在进行该类输电杆塔设计时需要更加
精确的自振周期计算公式。
参考文献：
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筑工业出版社，北京.
刘静，女，汉，籍贯广东佛山，1986年8月生，研究方向：电力化学。
通信作者：華南理工大学，刘静。