ansys动力学分析中的矩阵

1.3.1. ANSYS 动力学分析中的矩阵 1.3.1.1. 质量矩阵M 动力学分析中需要质量矩阵M。ANSYS 有 2 种类型的质量矩阵：一致质量矩阵和集中质 量矩阵。 一致（consistent ）质量矩阵通过单元的形函数计算出来。矩阵的对角线和非对角线上一般 均有元素值。一致质量矩阵是大多数单元的缺省选项。 集中（lumped ）质量矩阵的质量被单元各节点平分，对角线上元素不为 0，非对角线上元 素均为 0。通过分析选项来激活，命令 LUMPM,Key。默认 KEY=off，单元的一致质量矩阵， 大多数单元的缺省选项。KEY=on ，使用集中质量矩阵。其 GUI 为 Main MenuSolutionAnalysis TypeAnalysis Options。 一致质量矩阵对大多数分析来说，精度比集中质量矩阵高，但其计算时间较长。 若结构在一个方向的尺寸与另两个方向相比很小时，可采用简化质量矩阵（如果可能得到 的话）或集中质量矩阵例如细长的梁或很薄的壳。集中质量矩阵在大规模模型以及高速动力学 如波传播问题上，具有较好的节省计算时间的优势。 1.3.1.2. 阻尼矩阵C 1.3.1.2.1. 阻尼的分类 阻尼的作用机制比较复杂。大多简化处理。阻尼的数值主要取决于材料、运动速度和振动 频率。阻尼可分类如下：粘性阻尼，滞后或固体阻尼，库仑或干摩擦阻尼。 一、粘性阻尼 粘性阻尼一般物体在液体中运动时发生。由于阻尼力与速度成正比，比例常数 c 称作阻尼 常数。通过规定阻尼比 ，Rayleigh 阻尼常数 （后面将进行讨论） ，或定义带有阻尼矩阵的单 元，可将粘性阻尼纳入考虑。 通常用 阻尼比 （阻尼常数 c 对临界阻尼常数 cc*的比值）来量化表示粘性阻尼： =c/cc。其中粘性阻尼 c，临界阻尼常数 cc。临界阻尼定义为出现振荡和非振荡行为之间的阻 尼的极值, 此处阻尼比 = 1。对一个质量为 m ，频率为 w 的单自由度弹簧质量系统，cc = 2mw 。 注意: 阻尼比 = 对于螺栓或铆钉链接结构常常为 2%到 15% 二、滞后和固体阻尼 滞后和固体阻尼是材料的固有特性，也称结构阻尼。在动力学分析中应该考虑，认识还不 是很透彻，因此很难定量的确定。通过规定另一种 Rayleigh 阻尼常数 （后面将进行讨论）可 将滞后或固体阻尼纳入考虑 。 三、库仑或干摩擦阻尼 库仑或干摩擦阻尼是物体在干表面上滑动时产生的阻尼。阻尼力与垂直于表面的力成正比。 比例常数 m 就是摩擦系数 。动力学分析中一般不予考虑 。通过规定带有摩擦性能的接触表 面单元和间隙单元，可将库仑阻尼纳入考虑（可参见 ANSYS 结构分析指南） 。 1.3.1.2.2. ANSYS11 中的阻尼矩阵 阻尼矩阵可以用于谐响应、有阻尼模态分析和瞬态分析，以及子结构生成。可以在一个模 型中指定多种阻尼形式，程序将加总指定的阻尼形式后形成阻尼矩阵C。ANSYS 中总阻尼矩 阵为： （15-20） 其中 支持单元阻尼矩阵的单元包括： BEAM4 3-D Elastic Beam COMBIN40 Combination COMBIN7 Revolute Joint MATRIX50 Superelement LINK11 Linear Actuator FLUID79 2-D Contained Fluid COMBIN14 Spring-Damper FLUID80 3-D Contained Fluid PIPE16 Elastic Straight Pipe FLUID81 Axisymmetric-Harmonic Contained Fluid MATRIX27 Stiffness,Damping, or Mass Matrix SURF153 2-D Structural Surface Effect COMBIN37 Control SURF154 3-D Structural Surface Effect FLUID38 Dynamic Fluid Coupling 注意K结构刚度矩阵，可能包括塑性和/或大变形效应（例如可以是切向刚度） 。 对于 thin-film fluid 行为的 特殊情形，可以为结构计算阻尼参数，并且用于后续的结构分 析中。 频率相关的阻尼矩阵 是通过定义一个阻尼比率 来间接指定的。该效应只在谱分析C d （ANTYPE,SPECTR） 、模态叠加法的谐响应（ANTYPE,HARM with HROPT,MSUP）以及模态 叠加法的瞬态响应（ANTYPE,TRANS with TRNOPT,MSUP）分析中有效。 可以从指定的阻尼率 计算得到：Cd （15-21 ）2Tiii 其中： 阻尼率 有两部分组合如下：di （15-22）mi 其中： 可用于谐响应（ANTYPE,HARM with HROPT,FULL or HROPT, REDUC）分析，它用于c 给定一个常值的阻尼率，而与频率无关。该阻尼率是实际阻尼和临界阻尼的比值。刚度矩阵乘 子 由下式计算：c （15-23）2f 其中： 1.3.1.2.3. ANSYS11 中的阻尼类型 ANSYS 允许指定五种形式的阻尼： （1）ALPHA 阻尼和 BETA 阻尼（Rayleigh 阻尼） （2）和材料相关的阻尼 （3）恒定的阻尼比 （4）模态阻尼比 （5）单元阻尼 下表列出了在不同结构分析中可用的阻尼类型。 Table 5.5 Damping for Different Analysis Types Analysis Type Alpha, Beta Damping ALPHAD, BETAD Material-Dependent Damping MP,DAMP Constant Damping Ratio DMPRAT Modal Damping MDAMP Element Damping(3) COMBIN7, and so on Constant Material Damping Coefficient MP,DMPR Static N/A N/A N/A N/A N/A N/A Modal Undamped No(5) No(5) No(5) No No No Damped Yes Yes No No Yes No(7) Harmonic Full Yes Yes Yes No Yes Yes Reduced Yes Yes Yes No Yes No Mode Sup Yes(6) Yes(4,6) Yes Yes Yes(6) Yes(7) Transient Full Yes Yes No No Yes No Reduced Yes Yes No No Yes No Mode Sup Yes(6) Yes(4,6) Yes Yes Yes(6) No Spectrum SPRS,MPRS(2) Yes(1) Yes Yes Yes No No DDAM(2) Yes(1) Yes Yes Yes No No PSD Yes Yes(4) Yes Yes No No Buckling N/A N/A N/A N/A N/A N/A Substructure Yes Yes No No Yes No N/A 表示不能使用。 1只可用 阻尼，不可用 阻尼。 2阻尼只用于模态合并，不用于计算模态系数 3包括超单元阻尼矩阵。 4如果由模态扩展转换成了模态阻尼。 5如果指定了，程序会计算出一个用于后续的谱分析的有效阻尼比。 6QR 阻尼模态提取方法MODOPT, QRDAMP支持出现在系统的该阻尼。但是必须在前处 理或模态分析过程中指定阻尼，在执行模态叠加分析时 ANSYS 将忽略任何阻尼。 7 在下流模式模态叠加法谐响应分析中，只有 QR 阻尼模态提取方法 MODOPT,QRDAMP支持常数阻尼系数。 1.3.1.2.4. ANSYS13 中阻尼矩阵 阻尼矩阵可以用于瞬态、谐响应、或有阻尼的模态分析、以及响应谱分析或 PSD 分析。允 许的阻尼类型取决于分析类型。 【1】瞬态（完全法或缩减法）分析和有阻尼的模态分析中的阻尼矩阵 阻尼矩阵C可以用在瞬态分析和有阻尼的模态分析，以及子结构生成中： （1）ANTYPE,TRANS with TRNOPT,FULL or TRNOPT,REDUC （2）ANTYPE,MODAL with MODOPT,QRDAMP or MODOPT,DAMP （2）ANTYPE,SUBSTR with SEOPT,3 在大多数通用形式中，阻尼矩阵由下面部分组成： （15-20） 其中 支持单元阻尼矩阵的单元包括： 注意结构刚度矩阵K可能包括塑性和/或大变形效应（例如可能是切向刚度矩阵） 。在旋转 结构中，它还可能包括旋转软化（spin softening）或旋转阻尼效应。由接触单元生成的刚度矩 阵不包括在阻尼矩阵计算中。 【2】Harmonic（Full 或 Reduced）分析中的阻尼矩阵 用在谐响应分析（ANTYPE,HARM 和 HROPT 的 Method=Full, Reduce,AUTO,AT）中的阻 尼矩阵C 由下面部分组成： （15-21） 其中 输入的激励频率 由范围 和 定义：BE 将方程（15-21）代人到谐响应的运动方程中，重新排列后有： （15-22） 在方程（15-22）的第一行中的复刚度矩阵包括正则刚度矩阵以及由 和 给出的结构阻gj 尼项，后者产生了虚部。结构阻尼独立于强迫频率 ，并且产生一个正比于位移（或应变）的 阻尼力。项目 和 是阻尼率，实际阻尼和临界阻尼之间的比率。gj 方程（15-22）的第二行包括常见的粘性阻尼项并且线性依赖于强制频率 ，因此产生正 比于速度的阻尼力。 【3】Mode-Superposition 分析中的阻尼矩阵 对于模态叠加的分析： ANTYPE,HARM with HROPT,MSUP ANTYPE,TRANS with TRNOPT,MSUP ANTYPE,SPECTRUM with Sptype = SPRS, MPRS, or PSD on the SPOPT command 阻尼矩阵不是显式计算的，但是阻尼是从一个阻尼率 直接定义的。该阻尼率是实际阻尼d 和临界阻尼之间的比值。 阻尼率 由以下组成：di （15-23） 其中 注意对于单点响应谱分析（SPRS）和多点响应谱分析（MPRS） ，不适用第三项 。/i 模态阻尼率 可以通过 MDAMP 命令对每阶模态直接定义。mi 可以选择的是，对于出现阻尼率不同的多个材料的情形，如果在模态分析中定义了材料相 关的阻尼（MP,DAMP）并且在扩展（MXPAND,YES ）中计算单元结果，一个有效的模态相 关的阻尼率 可以在模态分析中定义。该有效阻尼率按照如下公式从每个模态中每个材料的i 应变能比率计算： （15-24） 其中 注意：该情形下，MP,DAMP 解释为一个阻尼率，而不是一个刚度矩阵乘子。 这些模态相关（和材料相关）的阻尼率 ，将被传递到后续的模态叠加或谱分析中。注mi 意任何手动定义的阻尼率（MDAMP 命令）将覆盖在模态分析中通过方程（15-24 ）计算的阻尼 率。 （1）在 QR Damp 模态分析之后的模态叠加分析的特殊情况 方程（15-23）假定的是 Rayleigh 阻尼（见模态叠加法中的描述） 。具有 Rayleigh（或比例） 阻尼时，模态分析中的阻尼会产生方程（15-23）的对角输入： （15-25） 对于 QR Damp 模态分析（MODOPT,QRDAMP） ，阻尼可以来自非 Rayleigh 阻尼，例如单 元阻尼或 Coriolis 阻尼。这样模态分析中的阻尼不再是对角的，并且在模态叠加的瞬态或谐响 应分析中必须保留完全矩阵： （15-26） 第二项（使用 ）只适用于谐响应分析，并且代表一个结构阻尼率（不是一个模态阻尼率）jg 。 1.3.1.2.5. ANSYS13 中的阻尼类型 ANSYS 允许指定下面形式的阻尼： （1）ALPHA 阻尼和 BETA 阻尼（Rayleigh 阻尼） （2）和材料相关的阻尼 （3）恒定的材料阻尼系数 （4）恒定的阻尼比 （5）模态阻尼比 （6）单元阻尼 （7）材料结构阻尼系数 在一个模型中可以指定多种形式的阻尼。程序将以加总所有指定形式的阻尼来形成阻尼矩 阵C。恒定的材料阻尼系数只在 full 和 modal 的谐响应分析中有效。 下表列出了在不同结构分析中可用的阻尼类型（ansys13.0） 。 注意：当使用 TB,SDAMP 指定频率相关的阻尼时，用户必须使用 TB,ELAS 指定材料属性。 N/A 表示不能使用。 1只可用 阻尼，不可用 阻尼。 2包括超单元阻尼矩阵。 3MP,DAMP 指定一个有效的材料阻尼比。在模态分析中（和扩展模态 MXPAND,YES） 指定它，用于后续的谱分析和模态叠加分析。 4ALPHAD、 BETAD 和 MP,DAMP 阻尼必须用在模态叠加分析的 QR Damped 模态分析部 分。 5在谐响应分析中，DMPART 和 MP,DMPR 是结构阻尼比，不是模态阻尼比。 （1）Rayleigh 阻尼常数 和 Rayleig 阻尼也称为比例阻尼。它假设阻尼矩阵C是质量矩阵和刚度矩阵的线性组合，即： C= M+ K 是粘度阻尼分量， 是滞后或固体或刚度阻尼分量 。 通常 和 的值不是直接已知的，但是可以用模态阻尼比 计算出来的。 是一个振动模ii 态的实际阻尼相对临界阻尼的比率。如下： /2/i iicC 其中： iM 是第 i 阶模态的固有频率i 是振动模态的实际阻尼与临街阻尼的阻尼比 。 定义 阻尼： 阻尼亦可称作质量阻尼，定义 阻尼的 ANSYS 命令为 ALPHD。只有当粘度阻尼是主 要因素时才规定此值，如在进行各种水下物体、减震器或承受风阻力物体的分析时 。如果忽略 阻尼， 可通过已知值 （阻尼比） 和已知频率 来计算： n2n 因为只允许有一个 值，所以要选用最主要的频率 来计算 。n 定义 阻尼： 阻尼亦可称作结构或刚度阻尼 ，是大多数材料的固有特性 。 阻尼可对每一个材料进行 规定（作为 MP 材料性质 DAMP） ，或作为一个单一的总值定义。定义 阻尼的 ANSYS 命令为 MP, DAMP(对每个材料)和 BETAD(单一总阻尼值)。 如果忽略 阻尼， 可以通过已知的 （阻尼比）和已知频率 来计算：n2/n 由于只输入一个 ，因此选用最主要的响应频率 来计算 。n 定义 a 和 阻尼： 当需要在宽频域结构中同时考虑质量阻尼和刚度阻尼时，使用方程 ：/2/ncC 因为有两个未知数，所以近似的假设 alpha 和 beta 阻尼的总和在频率范围 至 之1n2 间是一个常阻尼比 。这将给出两个联立方程，从而可以计算出 和 ，同时定义 ALPHD 和 BETAD。 1/2/n2 与质量相关的 Alpha 阻尼，主要影响低阶振型。而与刚度有关的 BETA 阻尼主要影响高阶 振型。 如果在模型中已经人工引入了一个大质量，Alpha 阻尼会导致不理想的结果。一个常见的 例子是在结构的基础上加一个任意大质量以方便施加加速度谱（用大质量可将加速度谱转化为 力谱） 。Alpha 阻尼系数在乘上质量矩阵后，会在这样的系统中人工地产生非常大的阻尼力，这 将导致谱输入的不精确，以及系统响应的不精确。 在一个非线性分析中刚度变化（切向刚度）很大时，Beta 阻尼和材料阻尼会导致不理想的 结果。这两种阻尼要和刚度矩阵相乘，而刚度矩阵在非线性分析中是不断变化的。Beta 阻尼不 能施加在由接触单元生成的刚度矩阵上。由此产生的阻尼有时会和在物理结构中产生的实际变 化相反。例如，经历塑性效应导致软化的物理结构通常相应地会出现阻尼的相应增加，而具有 Beta 阻尼的 ANSYS 模型在出现塑性软化响应时则会呈现出阻尼的降低。 （2）和材料相关的阻尼 和材料相关的阻尼允许将 Beta 阻尼作为材料性质（MP,DAMP）来指定。但是要注意在一 个无阻尼的模态分析（ANTYPE,MODAL）中 MP,DAMP 却指定一个与材料相关的阻尼率 ， 而不是 Beta。另外要注意对于多材料单元如 SOLID46、SOLID65、SHELL91 和 SHELL99，只 能对单元整体指定一个 Beta 值，而不能对单元中的每一个材料都指定。在此情形下，Beta 是由 单元的材料指针（由 MAT 命令设置）决定的，而不是由该单元的实常数 MAT 指向的材料决定 的。假定 MP,DAMP 不是温度相关的，并且它总是在 T=0 处估计。 （3）恒定的阻尼比 恒定阻尼比是结构中指定阻尼的最简单方法。它表示实际阻尼和临界阻尼的比值。 通过 DMPART,RATIO 对整个结构定义一个统一的阻尼比 。DMPART 只可用于谱分析、 谐响应分析和模态叠加法的瞬态动力学分析。 使用 MP,DMPR 定义一个材料相关的阻尼比。 （4）模态阻尼比 模态阻尼用于对不同的振动模态指定不同的阻尼比。它用 MDAMP 命令指定，并且只能用 于谱分析、模态叠加法的求解（瞬态动力学和谐响应分析） 。 命令：MDAMP, STLOC, V1, V2, V3, V4, V5, V6 可对每阶模态定义不同的阻尼比。 （5）恒定材料阻尼系数 MP,DMPR 恒定材料阻尼系数 MP,DMPR 只适用于完全法、VT 和模态叠加法的谐响应分析。 （6）单元阻尼 单元阻尼涉及使用具有粘性阻尼特性的单元类型，如单元 COMBIN7、COMBIN14、COMBIN37、COMINB40 等。 如果运行一个模态叠加法分析并且模态分析使用了 QR 阻尼求解方法，则 alpha（ALPHD） 、 beta（BETA） 、材料相关的阻尼和单元阻尼必须在 QR 阻尼模态求解部分定义，这样阻尼才能 在后续的模态叠加分析中有效。 阻尼率可以通过*GET,MODE,DAMP 命令重新取回。对于下面的分析计算阻尼率： （1）谱分析（spectrum analysis） （2）有阻尼的模态分析（damped modal analysis ） （3）模态叠加法瞬态和谐响应分析 1.3.1.2.6. ANSYS14.0 中的阻尼类型 ANSYS14 中有以下几种有效的阻尼形式： （1）Rayleigh 阻尼 Alpha and Beta Damping (Rayleigh Damping) （2）材料相关的阻尼 Material-Dependent Damping （3）恒定材料阻尼系数 Constant Material Damping Coefficient （4）恒定阻尼比 Constant Damping Ratio （5）模态阻尼比 Modal Damping （6）单元阻尼 Element Damping （7）材料结构阻尼系数 Material Structural Damping Coefficient （8）粘弹性材料阻尼 Viscoelastic Material Damping 在 ANSYS Professional 程序中，只有恒定阻尼比和模态阻尼有效。 可以在一个模型中指定多种阻尼形式。程序将加总指定的阻尼形式以形成阻尼矩阵C。 下面的三个表格显示了每个结构分析类型支持的阻尼类型： Table 1.1: Damping for Full and Reduced Analyses Table 1.2: Damping for Modal and Mode Superposition Analyses Table 1.3: Damping for Damped Modal and QRDAMP Mode Superposition Analyses 【1】包含 superelement damping matrix。 Alpha 阻尼和 Beta 阻尼用于定义 Rayleigh 阻尼系数 和 。阻尼矩阵的计算同前面所述。 材料相关的阻尼（Material-dependent damping）允许指定 Alpha 阻尼 和 Beta 阻尼 作为 材料的属性（MP,ALPD 或 MP,BETD 命令） 。对于多材料单元如 SOLID65，只能对单元整体指 定一个 Beta 值，而不能对单元中的每一个材料都指定。在此情形下，Beta 是由单元的材料指针 （由 MAT 命令设置）决定的，而不是有单