6.6 实例：铁塔的地震激励响应
铁塔架设完毕后，除承受自重和输电线等附件的静态荷载外，还会承受风载以及地震等动态载荷。本例将计算铁塔在地震加速度作用下的动力响应，通过强迫位移激励以及输入曲线描述可能的地震载荷，在OptiStruct中求解铁塔在地震冲击瞬间的动态响应。
采用HyperMesh导入tower＿TRAN.fem文件，如图6-8所示，模型采用国际标准单位制： N、m、kg，铁塔高为17.75m，总质量85.3t （85.3×103kg）。导入的模型中已包含网格及所有材料属性，还包含载荷曲线定义SPCD＿TABLED1。这里需要进行的设置包括： 定义4个支座的强制位移SPCD；设置瞬态载荷TLOAD将强制位移与载荷曲线进行关联；设置瞬态分析时间步；设置SDAMPING阻尼；设置输出集 （减小文件大小）。
图6-8 铁塔有限元模型
模型设置
Step 01 在模型浏览器中右击并选择Create，选择Load Collector。
- 将Name改为“eigrl”。Card Image项选择EIGRL。
- 在V2字段输入100.0，表示提取铁塔结构100Hz以下的振动模态。
Step 02 在模型浏览器中右击并选择Create，选择Load Collector。
- 将Name改为“SPCD”。单击面板的Analysis→constraints按钮（见图6-9），更改load types为SPCD；取消勾选dof2～dof6；在保留的dof1中输入1.0。
- 单击nodes按钮后选择id为22、43、101、392的4个支座节点；单击Create按钮，创建SPCD类型的动态强迫位移激励。
图6-9 在HyperMesh中设置X方向SPCD
Step 03 在模型浏览器中右击并选择Create->Load Collector，如图6-10所示。
- 将Name改为“TLOAD＿X”。Card Image项选择TLOAD1。
- 在EXCITEDID选项中，选择上一步创建的SPCD载荷。
- 在TYPE选项中，选择DISP类型，表示该瞬态载荷为强迫位移形式。
- 在TID选项中，选择SPCD＿TALBED1，定义该瞬态载荷的输入曲线。
Step 04 在模型浏览器中右击并选择Create->Load Collector。
- 将Name改为“TSTEP”。Card Image项选择TSTEP。
- 在TSTEP＿NUM选项中，设置N为10000，DT为0.001，表示采用0.001的定步长计算10000步，总时长10s。
Step 05 在模型浏览器中右击并选择Create->Load Collector（2020版本HyperMesh以后，为右击并选择Create->Curve）。
- 设置Name为“SDAMP”，Card Image项选择TABDMP1。
- TYPE设置为CRIT，输入图6-11所示的曲线数值，表示各阶模态阻尼比均为0.005。
Step 06 在模型浏览器中右击并选择Create->Set。
- 将Name改为“Grid Set”。Card Image项选择SET＿GRID。
- 单击Entity IDs选项，选中id为22、43、101、392、574的四个支座节点以及塔顶节点。
图6-10 在HyperMesh中设置TLOAD1卡片
图6-11 在HyperMesh中设置SDAMPING（阻尼）
Step 07 在模型浏览器中右击并选择Create->Load Step，设置模态、法瞬态分析工况如图6-12所示。
- 将Name改为“mtran”；Analysis type选择Transient（modal）。
- SPC选择SPC；DLOAD选择TLOAD＿X。
- METHOD（STRUCT）选择eigrl；TSTEP选择TSTEP。
- SDAMPING（STRUCT）选择SDAMP。
Step 08 在模型浏览器中右击并选择Create->Output，定义工况结果输出，如图6-13所示。勾选DISPLACEMENT，在OPTION选项中选择SID，并选择Grid Set集。
图6-12 在HyperMesh中设置MTRAN
图6-13 在HyperMesh中设置输出的集合
Step 09 提交OptiStruct求解。在Analysis面板中单击OptiStruct按钮提交求解。也可以导出生成新的.fem文件，使用HyperWorks Solver Run Manager对话框提交求解。
结果查看
求解完成的.h3d输出文件容量仅为1.66M。使用HyperGraph打开.h3d文件，可以发现输出文件中仅包含所选SET对应的5个节点的位移输出曲线。绘制塔顶574号节点以及基础支撑22号节点的X方向位移曲线，如图6-14所示。可以看到，塔顶节点574在基础激励的位移上叠加了铁塔本身的振动，而基础节点22的位移曲线与输入的TABLED1保持一致。
图6-14 在HyperGraph中绘制铁塔支座以及塔顶的振动曲线
为了进一步求取结构本身的振动，可以使用HyperGraph中的曲线数值计算功能得到塔顶相对基础激励的振动曲线。如图6-15所示，添加曲线/math类型，定义表达式的横坐标为p1w1c1.x，纵坐标为p1w1c1.y-p1w1c2.y。
图6-15 在HyperGraph中绘制塔顶相对支座的振动曲线
可以看到，冲击激励下结构相对振动的最大相对振幅约为7mm，发生时刻为0.15s，随后振动逐步衰减。而横向激励的峰值发生在0.55s，它们的发生时刻是不相同的。
回到HyperMesh中调整输出，在Global Output中添加STRAIN输出，输出集选为ALL，然后再次提交OptiStruct求解，可以看到，这种情况下.h3d输出文件的容量增大到300M。
在HyperGraph中打开新的求解结果，选择查看ID=530的塔顶单元应变，如图6-16所示，在冲击作用下塔顶单元的最大应变也发生在0.15s附近。
图6-16 在HyperGraph中绘制塔顶单元的应变曲线