CN114218829A - 一种悬吊钢制走线架设施建模和抗震性能分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种悬吊钢制走线架设施建模和抗震性能分析方法，包括以下步骤：步骤一，实物建模；步骤二，分析建模；步骤三，实物模型和分析模型比较和校准；步骤四，模态实验；步骤五，模态分析；步骤六，模态实验和模态分析数据结果比对；步骤七，分析模型的修正；步骤八，振动台考核试验；步骤九，分析模型时程分析；步骤十，振动台考核实验和时程分析数据结果分析和比对。本发明分析建模与实物建模互相参照比对，以实验为依据，将分析模型不断修正，与实物模型保持高度一致；实验实测数据与分析数据结果误差较小，分析间数据结果准确度高，表明分析数据准确可靠；分析过程全面引入实验手段，准确度高、可信度高、误差范围小。
Description
技术领域
本发明涉及抗震性能分析技术领域，尤其涉及一种悬吊钢制走线架设施建模和抗震性能分析方法。
背景技术
随着当前信息通信技术高速发展，信息通信网络建设日趋成熟，因此信息安全可靠具有极其重要的意义。作为信息通信网络的重要基础，机房设备及设施可靠性备受关注，一旦地震来临，设施脱落、设备倒塌将会造成通信中断、信息丢失等难以估量的巨大损失。走线架作为信息通信行业机房内承载线缆的载体，需要具备优良的抗地震性能。当前机房用走线架结构种类较多，根据其工作环境可以分为室内走线架和室外走线架；根据其所用材料分为铝合金走线架和钢制走线架；根据其截面形式可以分为扁钢走线架、C型钢走线架、U型钢走线架、4C型铝合金走线架。当前市面上流行的多为U型钢走线架和4C型铝合金走线架，其结构美观、安装扩容方便、吊挂应用灵活而广泛应用于机房和数据中心等场所。
当前信息通信行业对以走线架为代表的设施的抗地震性能重视程度不够，盲目认为走线架为柔性结构，在既有以往地震中发生破坏概率较小的情况下不会发生破坏。设计院方案设计时采用静力简化方法进行相关承载和地震载荷验算，供应商投标生产时因无法提供后期的布置方案只进行相关承载实验或者验算，运营商验收运维时采纳设计院和供应商方案后并未再进行抗地震性能评估，考虑美观布置后对抗震加固有所忽视。
当前国内诸多学者对走线架结构抗震性能进行了研究。一般认为支撑式走线架是由铝合金杆件通过半刚性连接节点而形成“框架结构”，吊挂式走线架属于吊杆传力的悬吊结构。学者王燕、同济大学李国强、学者胡习兵均针对半刚性框架结构的连接节点、位移响应和阻尼进行动力学分析和弹塑性地震分析研究，认为节点柔性越大，结构自振频率降低也越大，半刚性节点对地震位移反应影响较大，在不显著增加顶部结构位移的情况下可以有效减小柱底剪力，结构的位移刚度越大，阻尼对结构振幅的衰减效应越大。中科大完海鹰等对半刚性框架结构进行弹性时程分析，认为半刚性连接框架自振周期比刚性连接的范围更宽更大，可能受到高频段结构的动力响应，因此结构节点不应过柔，增加柱间支撑可以减小结构侧移。研究员王前信对悬吊结构的地震作用计算进行研究，讨论了不同悬吊结构自振特性的分析方法和地震作用的确定方法。东南大学涂永明等对建筑减振体系次结构的抗侧性能进行研究，认为主结构的阻尼是影响次结构摆动响应的重要因素。天津大学陈志华等对悬吊结构吊杆悬挂形式进行改变，认为适当改变悬吊形式可以控制侧移，进行隔震减震。
本发明选择悬吊钢制走线架结构为研究对象，认为上述学者研究内容对走线架连接节点刚度、阻尼和吊挂形式以及减小侧移方面颇有建树和成效，但是走线架结构在地震中的实际表现、实际连接节点形式模拟、建模准确性及抗地震性能评估方法是否可靠等方面有待深入研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种悬吊钢制走线架设施建模和抗震性能分析方法，解决走线架结构在地震中的实际表现、实际连接节点形式模拟、建模准确性及抗地震性能评估方法是否可靠的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明一种悬吊钢制走线架设施建模和抗震性能分析方法，包括以下步骤：
步骤一，实物建模：根据走线架的结构进行实物建模；
步骤二，分析建模：利用计算机采用Optistruct、Ansys和Abaqus三款有限元软件进行分析建模；
步骤三，实物模型和分析模型比较和校准：将步骤一中建立的所述实物模型与步骤二中建立的所述分析模型进行比较，对所述分析模型进行校准；
步骤四，模态实验：根据所述步骤一中建立的所述实物模型，模拟走线架顶部吊挂安装形式设计实验用夹具，将所述夹具安装到振动台上，在所述振动台和所述走线架上布置传感器，所述振动台输入白噪声激励，测试得到所述走线架的振型和频率；
步骤五，模态分析：根据步骤二中建立的所述分析模型，利用计算机采用Optistruct、Ansys和Abaqus三款有限元软件进行模态分析得到所述走线架的振型和频率；
步骤六，模态实验和模态分析数据结果比对：通过所述模态实验和所述模态分析数据结果比对，确定所述分析模型建立的准确度；
步骤七，分析模型的修正：当通过步骤六中模态实验和模态分析数据结果比对得出所述分析模型的误差落在允许范围之外时，应当重复步骤二至步骤六，对所述分析模型进行修正；当通过步骤六中模态实验和模态分析数据结果比对得出所述分析模型的误差落在允许范围之内时，确立输入模型；
步骤八，振动台考核试验：通过所述振动台输入地震波，对实验用所述夹具进行刚度分析，通过频率和放大率来判断所述夹具的刚度变化情况，并明确输入位置，通过所述传感器的测量结果得出所述走线架中部位置的相对位移和绝对位移；
步骤九，分析模型时程分析：选取Abaqus和Ansys两款有限元软件同时计算、相互比较，得出分析模型的输入位置及所述走线架中部位置的相对位移和绝对位移；
步骤十，振动台考核实验和时程分析数据结果分析和比对：振动台考核实验数据结果与Ansys分析对比，Abaqus和Ansys的数据结果分析对比，当误差落在允许范围之外时，重复步骤九；当误差落在允许范围之内，基于Ansys走线架设施建模及分析方法，在分析与实测比对中误差满足工程应用要求，可推广应用。
进一步的，所述步骤二中，吊杆的高度和间距与实物建模保持一致，所述吊杆顶部螺纹与所述夹具连接简化为固定点，所述吊杆底部螺纹与转接件连接简化为所述吊杆与横梁刚性共节点连接，所述横梁与横撑螺栓连接简化为刚性共节点连接。
再进一步的，所述步骤二中，Optistruct软件梁单元建模时，所述横撑和所述横梁截面位置是以梁单元中线所在截面剪切中心决定，实物建模时所述横梁与所述横撑居中位置采用螺栓连接即认为梁单元中线在实物参考点处，所述横梁和所述横撑初始建模时梁单元截面和实物模型有所差异，为了保证分析建模模型的可靠性和准确性，需要将所述横撑和所述横梁截面进行偏置，偏置距离以所述剪切中心为初始原点、所述实物参考点为目标点进行距离换算，在建模时进行相应方向和相应长度的偏置。
再进一步的，所述步骤二中，Ansys软件梁单元建模时，所述横撑和所述横梁截面位置是以梁单元中线所在端部节点决定，实物建模时所述横梁与所述横撑居中位置采用螺栓连接即认为梁单元中线在所述实物参考点处，所述横梁和所述横撑初始建模时梁单元截面和实物模型有所差异，为了保证分析建模模型的可靠性和准确性，需要将所述横撑和所述横梁截面进行偏置，偏置距离以所述端部节点为初始原点、所述实物参考点为目标点进行距离换算，在建模时进行相应方向和相应长度的偏置。
再进一步的，所述步骤二中，Abaqus软件梁单元建模时，所述横撑和所述横梁截面位置是以梁单元中线第一节点、第二节点、第三节点和第四节点的坐标为输入来决定，实物建模时所述横梁与所述横撑居中位置采用螺栓连接即认为梁单元中线在所述实物参考点处，所述横梁和所述横撑初始建模时梁单元截面和实物模型有所差异，为了保证分析建模模型的可靠性和准确性，需要将所述横撑和所述横梁截面进行偏置，偏置所述第一节点、所述第二节点、所述第三节点和所述第四节点的坐标需要根据截面形式和位置进行换算。
再进一步的，所述步骤三中，所述分析模型中的所述吊杆不考虑螺纹深度简化为圆杆，所述实物模型的质量与所述分析模型的质量保持一致，所述分析模型中梁单元截面形式开口朝向要与实物保持一致。
再进一步的，所述步骤四中，所述传感器包括布置在所述振动台侧面的第一位移传感器、布置在所述夹具中部的第二位移传感器、布置在所述振动台上面的台面加速度传感器、布置在所述走线架中部的第一走线架加速度传感器、布置在所述走线架末端的第二走线架加速度传感器和布置在所述夹具顶部的夹具处加速度传感器。
再进一步的，所述步骤九中，选取隐式积分算法进行走线架模型地震反应时程分析，时程分析时选择位移地震波作为输入；阻尼比初步定为2％-5％，通常分析中根据第一振型确定瑞利阻尼，计算公式为α＝ξ1ω1、β＝ξ1/ω1、ω1＝2×π×f；所述工况一空载走线架阻尼比选定为2％，所述工况二配重走线架阻尼比选定为5％，通过分析与实验过程的比对逐步修正和校核。
再进一步的，所述步骤四、所述步骤五、所述步骤八和所述步骤九中均包括两种工况，工况一为空载走线架，工况二为配重走线架。
再进一步的，所述步骤七中的允许误差范围≤10％，所述步骤十中的允许误差范围≤20％。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果：
本发明一种悬吊钢制走线架设施建模和抗震性能分析方法，包括以下步骤：
步骤一，实物建模；步骤二，分析建模；步骤三，实物模型和分析模型比较和校准；步骤四，模态实验；步骤五，模态分析；步骤六，模态实验和模态分析数据结果比对；步骤七，分析模型的修正；步骤八，振动台考核试验；步骤九，分析模型时程分析；步骤十，振动台考核实验和时程分析数据结果分析和比对；本发明分析建模与实物建模互相参照比对，在截面开口、连接关系、质量比对、频率比对和模拟简化等，都是分析以实验为依据，将分析模型不断修正，与实物模型保持高度一致；分析输入时充分考虑了夹具刚度对实验的影响，全面分析了刚度变化情况、夹具对信号的放大情况，明确输入位置输入信号，减小误差；地震反应时程分析算法采用当前主流和较为常见的方法，全面比对了显式和隐式的优缺点和适用性，地震波输入形式选取位移地震波与振动台实验控制和输出过程保持一致；地震反应时程分析阻尼比的输入选取常用范围2％-5％，具体在于振动台数据比对过程中，一次比对调整修正后再次比对数据误差很小，阻尼比选择较为科学准确；实验实测数据与分析数据结果误差较小，分析间数据结果准确度高，表明分析数据准确可靠；分析过程全面引入实验手段，实现与实验过程比对、校准和修正，然后继续与实验相比对，准确度高、可信度高、误差范围小；通过该建模和分析过程的完整实现，后续应用中可以用分析替代实验。
附图说明
下面结合附图说明对本发明作进一步说明。
图1为本发明悬吊钢制走线架设施建模和抗震性能分析方法结构示意图；
图2为本发明走线架结构示意图；
图3为本发明Optistruct建模梁单元截面横撑位置显示图；
图4为本发明Optistruct建模梁单元截面横梁位置显示图；
图5为本发明Ansys建模梁单元截面横撑位置显示图；
图6为本发明Ansys建模梁单元截面横梁位置显示图；
图7为本发明Abaqus建模梁单元截面横撑位置显示图；
图8为本发明Abaqus建模梁单元截面横梁位置显示图；
图9为本发明空载走线架振动台安装及配置图；
图10为本发明配重走线架振动台安装及配置图；
图11为本发明空载走线架传感器布置图；
图12为本发明配重走线架传感器布置图；
图13为本发明振动台结构示意图；
图14为本发明质量加速度施加法输入地震波结构示意图；
图15为本发明底部位移法输入地震波结构示意图；
图16为本发明底部加速法输入地震波结构示意图；
图17为本发明Ansys分析与实测在响应位移与相对位移的误差图；
图18为本发明Abaqus分析与实测在响应位移与相对位移的误差图；
图19为本发明Ansys与Abaqus分析在响应位移与相对位移的误差图；
附图标记说明：1、走线架；2、吊杆；3、横撑；4、横梁；5、剪切中心；6、实物参考点；7、端部节点；8、第一节点；9、第二节点；10、第三节点；11、第四节点；12、振动台；13、夹具；14、配重；15、第一位移传感器；16、第二位移传感器；17、台面加速度传感器；18、第一走线架加速度传感器；19、第二走线架加速度传感器；20、夹具处加速度传感器。
具体实施方式
如图1-19所示，一种悬吊钢制走线架设施建模和抗震性能分析方法，包括以下步骤：
步骤一，实物建模：根据走线架1的结构进行实物建模；
如图2所示，选取当前市面流行的U型钢走线架，截面400mm宽，吊杆高度910mm，吊杆间距1600mm；吊杆为M16螺纹杆，螺距2mm，螺纹深度2.2mm；横撑为钢制U型截面，截面尺寸为30mm(H)×34mm(W)×3mm(T)，横梁为钢制U型截面，截面尺寸为33mm(H)×43mm(W)×3mm(T)；横梁与横撑居中位置采用M8螺栓连接，吊杆底部螺纹与转接件连接，转接件与横梁之间采用M8螺栓连接，吊杆顶部螺纹与测试夹具连接；走线架总质量为24.52kg。
步骤二，分析建模：利用计算机采用Optistruct、Ansys和Abaqus三款有限元软件进行分析建模；
具体的，截面形式参照实物截面所示，吊杆2的高度和间距与实物建模保持一致，所述吊杆2顶部螺纹与所述夹具13连接简化为固定点，所述吊杆2底部螺纹与转接件连接简化为所述吊杆2与横梁4刚性共节点连接，所述横梁4与横撑3螺栓连接简化为刚性共节点连接；分析模型中钢材参数选用软件默认值。
如图3、4所示，Optistruct软件梁单元建模时，所述横撑3和所述横梁4截面位置是以梁单元中线所在截面剪切中心5决定，实物建模时所述横梁4与所述横撑3居中位置采用M8螺栓连接即认为梁单元中线在实物参考点6处，所述横梁4和所述横撑3初始建模时梁单元截面和实物模型有所差异，为了保证分析建模模型的可靠性和准确性，需要将所述横撑3和所述横梁4截面进行偏置，偏置距离以所述剪切中心5为初始原点、所述实物参考点6为目标点进行距离换算，在建模时进行相应方向和相应长度的偏置。
如图5、6所示，Ansys软件梁单元建模时，所述横撑3和所述横梁4截面位置是以梁单元中线所在端部节点7决定，实物建模时所述横梁4与所述横撑3居中位置采用M8螺栓连接即认为梁单元中线在所述实物参考点6处，所述横梁4和所述横撑3初始建模时梁单元截面和实物模型有所差异，为了保证分析建模模型的可靠性和准确性，需要将所述横撑3和所述横梁4截面进行偏置，偏置距离以所述端部节点7为初始原点、所述实物参考点6为目标点进行距离换算，在建模时进行相应方向和相应长度的偏置。
如图7、8所示，Abaqus软件梁单元建模时，所述横撑3和所述横梁4截面位置是以梁单元中线第一节点8、第二节点9、第三节点10和第四节点11的坐标为输入来决定，实物建模时所述横梁4与所述横撑3居中位置采用M8螺栓连接即认为梁单元中线在所述实物参考点6处，所述横梁4和所述横撑3初始建模时梁单元截面和实物模型有所差异，为了保证分析建模模型的可靠性和准确性，需要将所述横撑3和所述横梁4截面进行偏置，偏置所述第一节点8、所述第二节点9、所述第三节点10和所述第四节点11的坐标需要根据截面形式和位置进行换算。
步骤三，实物模型和分析模型比较和校准：将步骤一中建立的所述实物模型与步骤二中建立的所述分析模型进行比较，对所述分析模型进行校准；
具体的，所述分析模型中的M16吊杆2不考虑2.2mm螺纹深度简化为M12圆杆，实物模型质量为24.52kg，分析模型质量为23.8kg，所述实物模型的质量与所述分析模型的质量保持一致，所述分析模型中梁单元截面形式开口朝向要与实物保持一致。
步骤四，模态实验：根据所述步骤一中建立的所述实物模型，模拟走线架顶部吊挂安装形式设计实验用夹具13，将所述夹具13安装到振动台12上，在所述振动台12和所述走线架1上布置传感器，所述振动台12输入白噪声激励，测试得到所述走线架1的振型和频率；
所述步骤四、所述步骤五、所述步骤八和所述步骤九中均包括两种工况，工况一为空载走线架，工况二为配重走线架。
进行模态实验时，夹具设计及实物安装如图9、10所示，为模拟走线架顶部吊挂安装形式，设计实验用测试夹具13，夹具13由#14槽钢和钢板焊接而成，并通过角钢与立柱螺接对整体加固，夹具13的底面尺寸为2600mm×1600mm，顶面尺寸为4600mm×1600mm。本发明设计两种工况，工况一为空载走线架，工况二为配重走线架，配重14的形式为槽钢，配重质量为52.31kg。
如图11、12所示，所述传感器包括布置在所述振动台12侧面的第一位移传感器15、布置在所述夹具13中部的第二位移传感器16、布置在所述振动台12上面的台面加速度传感器17、布置在所述走线架1中部的第一走线架加速度传感器18、布置在所述走线架1末端的第二走线架加速度传感器19和布置在所述夹具13顶部的夹具处加速度传感器20；具体的，本发明中振动台12采用中国信息通信研究院泰尔实验室2.5m×2.5m三向六自由度振动台进行，其最大承载为3.0t，最大加速度为3.5g，最大速度为2m/s，水平向最大位移为300mm，可以进行信息通信、电力、核电及其它设备的抗震性能试验和鉴定，如图13所示，振动台初始输入信号为加速度信号，在控制软件中经过相应的算法转换为位移，因此实际输出控制信号为位移信号；在进行实验用测试夹具刚度分析和分析模型时程分析输入是为了减小误差，将位移信号作为输入进行实验和分析；本发明中分两组工况即工况一为空载走线架，通过4次输入，但第1-1至1-4次为4条完全不同的波形，工况二为配重走线架，通过7次输入，但第2-1至2-7次为同一波形，但幅值有所增加，通过不同波形不同幅值以及同一波形不同幅值得到的结构响应更加丰富多样，对于后续的方法比对和结果比对也更加准确；本发明采用北京东方振动和噪声技术研究所的专业模态和动力学分析软件DASP进行数据采集和处理，DASP可以进行专业模态分析，具有最全的拟合方法，可以完成位移模态和应变模态的试验，支持各种试验方法，包含多种经典和最新理论方法，独具变时基专利技术，可以全自动化分析，一键得到专家及分析结果，同时可视化结构生成和彩色三维振型动画，广泛应用于航天器、军械、卫星、汽车、桥梁、井架、楼房等；本发明采用河北美泰电子科技有限公司生产的变电容式三轴加速度传感器，其特点是宽频响、超低频特性，优越的长期稳定性，体积小、重量轻，低噪声，密封设计、通用性强，宽电源供电；本发明采用基恩士的激光位移传感器，是一款超长距离感器头、宽光速的高速、高精度CCD激光位移传感器。
模态实验结果：(1)工况一：空载走线架，参照之前所述实物模型建立方法、传感器的布置以及测试设备的说明，振动台输入0.1g白噪声激励，可以测试得到走线架频率和振型，其振型为走线架水平宽度方向平动，频率为3.2959Hz。(2)工况二：配重走线架，参照之前所述实物模型建立方法、传感器的布置以及测试设备的说明，振动台输入0.1g白噪声激励，可以测试得到走线架频率和振型。其振型为走线架水平宽度方向平动，频率为1.7578Hz，走线架水平长度方向平动频率为2.1973Hz。
步骤五，模态分析：根据步骤二中建立的所述分析模型，利用计算机采用Optistruct、Ansys和Abaqus三款有限元软件进行模态分析得到所述走线架1的振型和频率；
模态分析亦即自由振动分析，是研究结构动力特性的一种近代方法，是系统辨识方法在工程振动领域中的应用。模态分析的经典定义是将线性定常系统振动微分方程组的物理坐标变换为模态坐标。坐标变换的变换矩阵称为模态矩阵，其每列为模态振型。对于模态分析，振动频率ωi和模态φi是由下面的方程计算求出的：
本发明边界条件为两端自由和顶部6自由度全约束。模态分析方法采用Lanczos法求解特征值。
分析结果：(1)工况一：空载走线架，Optistruct模态分析得到其振型为走线架水平宽度方向平动，频率为3.2985Hz；Abaqus模态分析得到其振型为走线架水平宽度方向平动，频率为3.3036Hz；Ansys模态分析得到其振型为走线架水平宽度方向平动，频率为3.3036Hz；(2)工况二：配重走线架，Optistruct模态分析得到其振型为走线架水平宽度方向平动，频率为1.7843Hz，走线架水平长度方向平动，频率为2.1436Hz；Abaqus模态分析得到其振型为走线架水平宽度方向平动，频率为1.7884Hz，走线架水平长度方向平动，频率为2.1606Hz；Ansys模态分析得到其振型为走线架水平宽度方向平动，频率为1.7868Hz，走线架水平长度方向平动，频率为2.1500Hz。
步骤六，模态实验和模态分析数据结果比对：通过所述模态实验和所述模态分析数据结果比对，确定所述分析模型建立的准确度；
两种工况下实测和分析频率、振型比对及误差分析如表1所示：
表1两种工况下实测和分析频率、振型比对及误差分析
通过模态实验和模态分析数据结果来看，工况一空载走线架水平宽度方向分析模型频率与实测频率误差小于0.4％，且振型一致；工况二配重走线架水平宽度方向分析模型频率与实测频率误差小于2％，水平长度方向小于3％，且振型一致。三款分析软件之间分析频率误差小于1％。结果说明分析模型建立准确度高，通过模态可以反映真实物理结构，可用于后续动力学分析。
步骤七，分析模型的修正：当通过步骤六中模态实验和模态分析数据结果比对得出所述分析模型的误差＞10％时，应当重复步骤二至步骤六，对所述分析模型进行修正；当通过步骤六中模态实验和模态分析数据结果比对得出所述分析模型的误差≤10％时，确立输入模型；
步骤八，振动台考核试验：通过所述振动台12输入地震波，对实验用所述夹具13进行刚度分析，通过频率和放大率来判断所述夹具13的刚度变化情况，并明确输入位置，通过所述传感器的测量结果得出所述走线架1中部位置的相对位移和绝对位移；
其中，图1中所述的响应位移就是指的绝对位移，相对位移指的是用走线架吊杆底部的响应位移减去顶部输入位移得到的结果；该响应位移可以通过传感器测量得出，具体测量和计算方法为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。通过振动台实验测得夹具的放大率和频率如表2所示：
表22组共11次振动台实验得夹具放大率和频率
通过传感器测量得出走线架中部位置的相对位移和绝对位移如表3、4所示：
表3工况一空载走线架4次振动台考核实验走线架位移汇总
表4工况二配重走线架7次振动台考核实验走线架位移汇总
步骤九，分析模型时程分析：选取Abaqus和Ansys两款有限元软件同时计算、相互比较，得出分析模型的输入位置及所述走线架1中部位置的相对位移和绝对位移；
算法选择：为了考核走线架设施经受地震来临时的抗震性能，本发明采用基于动力学分析的地震反应时程分析的方法分析走线架模型，结合发明主要是地震载荷随时间变化的效应即对结构的位移和应力的影响，为了精确求解响应而采用直接积分法，直接积分法又包括显式动力学分析和隐式动力学分析，显式动力学分析适用于模拟短暂(一般小于1s)、瞬时的动态事件以及求解冲击和其他高度不连续问题，一般应用求解的问题包括高速动力学事件、复杂的接触问题、复杂的后屈曲问题、高度非线性的准静态问题、材料退化和失效问题等；显式时间积分方法的优越性在于其特别适用于求解高速动力学事件，它需要许多小的时间增量来获得高精度的解答；如果事件持续的时间非常短暂，则可能得到高效率的解答；隐式动力学分析适用于一般的线性和非线性问题，采用Hilber,Hughes andTaylor法做时间积分运算，这种方法适用于模拟非线性结构的动态问题，对于一些突发事件激发的结构动态响应问题，如冲击、地震波，以及一些由于塑性或粘性阻尼造成的能量耗散，隐式算法特别有效。隐式时间积分算法为无条件稳定，因此计算中对于时间步长没有特别限制；对于低速问题而言，由于总的时长比较长，需要大量增量步数，隐式方法特别适用，相比于显式算法隐式算法由于在增量步中大量的迭代，可能占用大量的硬盘和内存；综上分析显式和隐式方法适用范围以及其优缺点，结合地震波低速且持续时间较长的特点，本发明选取隐式积分算法进行走线架模型地震反应时程分析。在走线架大面积布置和适当进行墙和柱加固之后，其非线性特征表现的并不明显，因此本发明在线性领域研究走线架，建模的时候就处理成线性问题，忽略非线性的影响。动力学分析需要考虑阻尼，但是由于尽管假设阻尼正比于质量和刚度没有严格的物理基础，实际上我们对阻尼分布的真实情况知之甚少，参考借鉴建筑及其他设备类结构阻尼比初步定为2％-5％，通常分析中根据第一振型确定瑞利阻尼，计算公式为α＝ξ1ω1、β＝ξ1/ω1、ω1＝2×π×f；工况一空载走线架阻尼比选定为2％，工况二配重走线架阻尼比选定为5％，通过分析与实验过程的比对逐步修正和校核，本发明为了验证分析数据结构的准确性，选取Abaqus和Ansys两款国际通用有限元软件同时计算、相互比较，保证分析结果可靠。
如图14、15、16所示，地震波输入有三种方式：第一种是质量加速度施加法，通过达朗贝尔原理，将地震作用转化为施加在质点上的惯性力；第二种是底部位移法，在结构底部直接输入位移地震波，模拟地面震动反应，结算结构响应；第三种是底部加速法将地震加速度从结构模型底部输入；由于振动台初实际输出控制信号为位移信号，因此在振动台考核实验和分析模型时程分析输入时为了减小误差，增加响应位移作为分析指标，时程分析时选择位移地震波作为输入。
通过Abaqus和Ansys两款有限元软件分析得出走线架中部位置的相对位移和绝对位移如表5、6、7、8所示：
表5工况一空载走线架Ansys分析4次位移汇总
表6工况一空载走线架Abaqus分析4次位移汇总
表7工况二配重走线架Ansys分析4次位移汇总
表8工况二配重走线架Abaqus分析4次位移汇总
步骤十，振动台考核实验和时程分析数据结果分析和比对：振动台考核实验数据结果与Ansys分析对比，Abaqus和Ansys的数据结果分析对比，当误差＞20％时，重复步骤九；当误差≤20％时，基于Ansys走线架设施建模及分析方法，在分析与实测比对中误差满足工程应用要求，可推广应用。
实测、Ansys分析、Abaqus分析位移汇总结果如表9所示：
表9实测、Ansys分析、Abaqus分析位移汇总
实测、Ansys分析和Abaqus分析在响应位移与相对位移的误差如图17、18、19所示；
通过分析可得在相同输入的情况下，Ansys与实测响应位移误差大多分布在在10％-15％范围内，相对位移大多数分布在10％-14％范围内，且二者趋势基本一致。Abaqus与实测响应位移误差大多分布在20％范围内，相对位移大多数分布在10％-15％范围内；Ansys与Abaqus实测响应位移误差5％左右，相对位移误差7％左右，且二者趋势近乎一致，只是幅值有所差异；最终认为基于Ansys走线架设施建模及分析方法，在分析与实测比对中误差满足工程应用要求，建模准确、方法可靠，可以实现推广和借鉴。
本发明实现过程主要包括两部分建模和分析，其中第一部分建模主要包括实物建模和分析建模，其中第二部分主要包括实验和分析，实验是振动台模态实验和振动台考核实验，分析包括模态分析和时程分析；通过实验模态和分析模态比较明确准确的输入模型，通过振动台考核和时程分析比较明确建模准确、方法可靠。
本发明分析建模中M16螺纹杆，其螺纹深度2.2mm，简化为M12圆杆；分析建模三种分析软件截面偏置调整原则和路径，实现与实物建模保持一致，模态频率误差小；分析模型中吊杆、转接件与横撑连接点简化为刚性节点，横撑与横梁连接点简化为刚性节点，以实物出发与其他研究学者半刚性节点不同；在夹具输入、算法选择和输入形式上多次比对减小误差；实验过程校准分析阻尼比，进行调整和修正；实验结果和分析结果以及分析结果间数据比对准确可靠，可用于实际分析推广应用。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种悬吊钢制走线架设施建模和抗震性能分析方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一，实物建模：根据走线架(1)的结构进行实物建模；
步骤二，分析建模：利用计算机采用Optistruct、Ansys和Abaqus三款有限元软件进行分析建模；
步骤三，实物模型和分析模型比较和校准：将步骤一中建立的所述实物模型与步骤二中建立的所述分析模型进行比较，对所述分析模型进行校准；
步骤四，模态实验：根据所述步骤一中建立的所述实物模型，模拟走线架顶部吊挂安装形式设计实验用夹具(13)，将所述夹具(13)安装到振动台(12)上，在所述振动台(12)和所述走线架(1)上布置传感器，所述振动台(12)输入白噪声激励，测试得到所述走线架(1)的振型和频率；
步骤五，模态分析：根据步骤二中建立的所述分析模型，利用计算机采用Optistruct、Ansys和Abaqus三款有限元软件进行模态分析得到所述走线架(1)的振型和频率；
步骤六，模态实验和模态分析数据结果比对：通过所述模态实验和所述模态分析数据结果比对，确定所述分析模型建立的准确度；
步骤七，分析模型的修正：当通过步骤六中模态实验和模态分析数据结果比对得出所述分析模型的误差落在允许范围之外时，应当重复步骤二至步骤六，对所述分析模型进行修正；当通过步骤六中模态实验和模态分析数据结果比对得出所述分析模型的误差落在允许范围之内时，确立输入模型；
步骤八，振动台考核试验：通过所述振动台(12)输入地震波，对实验用所述夹具(13)进行刚度分析，通过频率和放大率来判断所述夹具(13)的刚度变化情况，并明确输入位置，通过所述传感器的测量结果得出所述走线架(1)中部位置的相对位移和绝对位移；
步骤九，分析模型时程分析：选取Abaqus和Ansys两款有限元软件同时计算、相互比较，得出分析模型的输入位置及所述走线架(1)中部位置的相对位移和绝对位移；
步骤十，振动台考核实验和时程分析数据结果分析和比对：振动台考核实验数据结果与Ansys分析对比，Abaqus和Ansys的数据结果分析对比，当误差落在允许范围之外时，重复步骤九；当误差落在允许范围之内，基于Ansys走线架设施建模及分析方法，在分析与实测比对中误差满足工程应用要求，可推广应用。
2.根据权利要求1所述的悬吊钢制走线架设施建模和抗震性能分析方法，其特征在于：所述步骤二中，吊杆(2)的高度和间距与实物建模保持一致，所述吊杆(2)顶部螺纹与所述夹具(13)连接简化为固定点，所述吊杆(2)底部螺纹与转接件连接简化为所述吊杆(2)与横梁(4)刚性共节点连接，所述横梁(4)与横撑(3)螺栓连接简化为刚性共节点连接。
3.根据权利要求2所述的悬吊钢制走线架设施建模和抗震性能分析方法，其特征在于：所述步骤二中，Optistruct软件梁单元建模时，所述横撑(3)和所述横梁(4)截面位置是以梁单元中线所在截面剪切中心(5)决定，实物建模时所述横梁(4)与所述横撑(3)居中位置采用螺栓连接即认为梁单元中线在实物参考点(6)处，所述横梁(4)和所述横撑(3)初始建模时梁单元截面和实物模型有所差异，为了保证分析建模模型的可靠性和准确性，需要将所述横撑(3)和所述横梁(4)截面进行偏置，偏置距离以所述剪切中心(5)为初始原点、所述实物参考点(6)为目标点进行距离换算，在建模时进行相应方向和相应长度的偏置。
4.根据权利要求3所述的悬吊钢制走线架设施建模和抗震性能分析方法，其特征在于：所述步骤二中，Ansys软件梁单元建模时，所述横撑(3)和所述横梁(4)截面位置是以梁单元中线所在端部节点(7)决定，实物建模时所述横梁(4)与所述横撑(3)居中位置采用螺栓连接即认为梁单元中线在所述实物参考点(6)处，所述横梁(4)和所述横撑(3)初始建模时梁单元截面和实物模型有所差异，为了保证分析建模模型的可靠性和准确性，需要将所述横撑(3)和所述横梁(4)截面进行偏置，偏置距离以所述端部节点(7)为初始原点、所述实物参考点(6)为目标点进行距离换算，在建模时进行相应方向和相应长度的偏置。
5.根据权利要求4所述的悬吊钢制走线架设施建模和抗震性能分析方法，其特征在于：所述步骤二中，Abaqus软件梁单元建模时，所述横撑(3)和所述横梁(4)截面位置是以梁单元中线第一节点(8)、第二节点(9)、第三节点(10)和第四节点(11)的坐标为输入来决定，实物建模时所述横梁(4)与所述横撑(3)居中位置采用螺栓连接即认为梁单元中线在所述实物参考点(6)处，所述横梁(4)和所述横撑(3)初始建模时梁单元截面和实物模型有所差异，为了保证分析建模模型的可靠性和准确性，需要将所述横撑(3)和所述横梁(4)截面进行偏置，偏置所述第一节点(8)、所述第二节点(9)、所述第三节点(10)和所述第四节点(11)的坐标需要根据截面形式和位置进行换算。
6.根据权利要求1所述的悬吊钢制走线架设施建模和抗震性能分析方法，其特征在于：所述步骤三中，所述分析模型中的所述吊杆(2)不考虑螺纹深度简化为圆杆，所述实物模型的质量与所述分析模型的质量保持一致，所述分析模型中梁单元截面形式开口朝向要与实物保持一致。
7.根据权利要求1所述的悬吊钢制走线架设施建模和抗震性能分析方法，其特征在于：所述步骤四中，所述传感器包括布置在所述振动台(12)侧面的第一位移传感器(15)、布置在所述夹具(13)中部的第二位移传感器(16)、布置在所述振动台(12)上面的台面加速度传感器(17)、布置在所述走线架(1)中部的第一走线架加速度传感器(18)、布置在所述走线架(1)末端的第二走线架加速度传感器(19)和布置在所述夹具(13)顶部的夹具处加速度传感器(20)。
8.根据权利要求1所述的悬吊钢制走线架设施建模和抗震性能分析方法，其特征在于：所述步骤九中，选取隐式积分算法进行走线架模型地震反应时程分析，时程分析时选择位移地震波作为输入；阻尼比初步定为2％-5％，通常分析中根据第一振型确定瑞利阻尼，计算公式为α＝ξ1ω1、β＝ξ1/ω1、ω1＝2×π×f；所述工况一空载走线架阻尼比选定为2％，所述工况二配重走线架阻尼比选定为5％，通过分析与实验过程的比对逐步修正和校核。
9.根据权利要求1所述的悬吊钢制走线架设施建模和抗震性能分析方法，其特征在于：所述步骤四、所述步骤五、所述步骤八和所述步骤九中均包括两种工况，工况一为空载走线架，工况二为配重走线架。
10.根据权利要求1所述的悬吊钢制走线架设施建模和抗震性能分析方法，其特征在于：所述步骤七中的允许误差范围≤10％，所述步骤十中的允许误差范围≤20％。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN117212545A (zh) * | 2023-09-18 | 2023-12-12 | 广州市机电安装有限公司 | 一种减少制冷机房管道阻力的分集水器布置方法 |
| CN117212545B (zh) * | 2023-09-18 | 2024-06-07 | 广州市安装集团有限公司 | 一种减少制冷机房管道阻力的分集水器布置方法 |
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| CN114218829B (zh) | 2023-11-17 |
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