子结构方法在ANSYS软件中的应用.doc

文章编号:1006-1355(2001)05-0016-03子结构方法在ANSYS软件中的应用周海亭,陈莲(上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室,上海200030)摘要:本文介绍了子结构方法在ANSYS(CAE软件)中的应用,及该方法使用步骤。通过对一悬臂矩形板实例的计算结构与分析,使子结构模态综合法与ANSYS软件有机的结合,具有一定的可行性和实用性。关键词:子结构;模态综合;ANSYS;悬臂矩形板中图分类号:TB535文献标识码:AApplication of substructure method in software-ANSYSZHOUHai-ting,CHEN Lian(Shanghai Jiaotong University,State Key Laboratory of Vibration,Shock and Noise,Shanghai 200030,China)Abstract:This paper is mainly to discuss the application of substructure method in CAEsoftwareANSYS. And it has introduce the application steps of substructure method inANSYS. According to the results computed and analysis of the instanse on the cantileverplate. It combines an organie such method with the software-ANSYS. It proves that thesubstructure method is valid and feasible.Key words:substructure method;ANSYS;modal synthesis theory;cantilever plate收稿日期:2001-06-06作者简介:周海亭(1947-),男,浙江鄞县人,副教授。前言子结构模态综合理论已日趋成熟,从60年代开始,不断有学者提出各种子结构的方法,多年的实践证明,该方法已成为解决复杂结构动力分析的有效方法,它不仅能够大幅度降低动力方程的数目,且能保证结构分析的精度。但是,该方法在ANSYS中的应用尚了解不多,很少有人去开发使用CAE软件包。本文着力将子结构方法与ANSNS软件相接合,使子结构方法计算成为可能。众所周知,子结构综合的方法很多,归结起来,主要是固定界面模态综合法与自由界面模态综合法两大类。从原理上讲,方法本身并不复杂,但真正使用在实际结构有一定难度,其关键的一步是对界面的处理。而ANSNS软件就是兼顾了这方面的因素,同样一个结构,边界可处理为固定,也可处理为自由,界面的处理完全可人为控制,这样大大地提高了程序的通用性,使用简便。本文通过对一悬臂矩形板实例的计算与分析,表明了该计算软件的可操作性和可行性,初步掌握了该方法的应用背景和使用技巧。1子结构综合法一般求解思路关于子结构模态综合方法的理论书很多,可参阅文献12,这里仅介绍子结构综合法求解思路,一般计算步骤可归纳为:(1)根据结构的特点,把一复杂的结构划分为若干个子结构,并对每一个子结构进行有限元分析,得到每一子结构的刚度矩阵k,质量矩2001年8月噪声与振动控制第4期阵m。(2)计算并选择各子结构的分支模态,形成各子结构的分支模态矩阵,进行第一次坐标变换-由各子结构的物理坐标变换到模态坐标u=q。并形成对于各子结构、对子模态坐标q的m和k。(3)在q=qKT中选择不独立的广义坐标qd,则q中其余的坐标就是独立的广义坐标qI=p。(4)根据子结构间相互连接协调条件形成对于广义坐标q的约束方程Cq=0,并由约束方程解出qd,完成独立的广义坐标变换:q=sp。(5)用独立坐标变换矩阵S对K =k00kn与m=m00mn进行合成变换,得到系统对独立广义坐标q=p的刚度矩阵K=sTKS和质量矩阵M=sTmS。(6)求解由K、M便可形成对于结构无阻尼自由振动特征值问题的方程(K-2M)A = 0由此便可解得结构的近似固有频率与在模态坐标下的主模态。(7)再现子结构情况,即由模态坐标返回到子结构物理坐标。2子结构软件简介ANSYS子结构软件包括三个步骤:即生成、求解使用、扩展等三部分。生成部分:将一系列普通的有限元单元凝聚为一个超单元。凝聚是通过定义一组主自由度来实现的,主自由度用于定义超单元与模型中其它单元之间的边界,提取模型的动力学特性,在建模开始就需对模型的两部分有所规划,即确定超单元部分和非超单元部分如何连接,为确保连接的正确,应保证接触部分结点号一致。使用部分:将超单元与模型整体相连进行分析的部分。整个模型可以是一个超单元,或者,如上所述,是超单元和其它非超单元连接的。使用部分的解仅包括对于超单元的凝聚解,自由度计算仅限于自由度和对于非超单元的全解,并设法如何将超单元变成模型的一部分。扩展部分:从凝聚解结果开始,计算超单元中所有自由度的,如果在使用部分有多个超单元则对于每个超单元都要进行一个独立的扩展过程。从应用的角度,ANSYS软件自身形成一套计算体系,如整体建模法、自顶而上和自顶而下的建模方法等。在子结构分析(ANSYS,SUBSTR)的生成矩阵过程中,可通过EQSLV命令选择的求解器,不影响计算。图1表示对于一个完全的子结构分析的数据流和包含的一些文件。图1典型子结构分析中的数据流向图2悬臂矩形板3实例分析(1)如图2所示,为一悬臂矩形板,物理及几何参数如下:T3铝-2024,弹性模量E=0.778N/cm2,泊桑比=0.33,密度=2.8e3kg/cm3,板边长a=2b=40.64cm,s=5.08cm,s为网格划分的边长,板宽h=30.48,板厚t=0.32。全板有限元法,与把整个结构划分为1、2两个子结构、用固定界面模态综合法进行比17子结构方法在ANSYS软件中的应用较。全板有限元是利用刚度矩阵和集中质量矩阵计算。采用固定面模态综合时,界面自由度为18,每个子结构取5个主模态,共28个自由度。(2)用Top-Down Method求解该方法是自上而下的建模方法,可用于结构大且复杂的系统。总体建模指定工作文件名为full。进入前处理,选择单元类型,实常数以及材料属性。建模,包括超单元和非超单元。如图3所示。图3整个部分的建模图4超单元部分,共48个单元和非超单元部分,共24个单元(转入第15页)在子结构模态综合法中,关键的,也是最困难的一步是第1节的第(2)步,就是选择恰当形式的子结构分支模态集是子结构模态综合法成功的关键所在。在求解结构的主模态时,假定界面坐标是固定的,那么界面是有附加约束,这时求解的模态就是固定界面的分支主模态,若假定界面坐标是自由的,那么界面上不附加约束,求解的模态就是自由界面的分支主模态。具体过程如下:指定工作文件名为gen,即子结构1,在前面的full文件中进行选择出超单元,再显示选择的部分(超单元部分),进入求解,指定分析类型和分析选择,分析类型为子结构(substruc-ture),并指定主自由度,即在连接界面上。超单元和非超单元连接面或线上的所有节点都要指定为主自由度,并施加负载即约束。如图4所示。使用部分指定工作文件名为use。即子结构2,在整体full文件中选择出非超单元,再显示选择的部分(非超单元部分)。进入前处理,定义新的单元类型超单元类型。并要注意超单元与非超单元的接触处结点应与主自由度精确重合。创建新的单元,这个单元即是从生成部分读入超单元部分,选择刚刚定义的超单元类型,然后读入生成部分;进入求解,选择分析类型为模态分析,计算方法选择缩减解,指定非超单元上的主自由度,在连接界面上,有负载时也要加负载,填入超单元部分的单元数。扩展部分把工作文件名指定为生成部分的名字,这里是gen(注意,这是必须的)。即组集模型。选择刚输入的full文件。进入求解,分析类型为子结构。打开扩展选项,即ExpansionPass on选择ON。扩展内容,注意此时要选择载荷步与子步骤,一般载荷步为1,子步骤即你要求解频率和模态阶数。表1各阶频率(Hz)阶次有限元法子结构法综合误差%1 7.5665 7.5964 0.392 32.225 32.877 1.983 47.221 49.303 4.184 132.96 140.31 5.242001年8月噪声与振动控制第4期图3上弦杆跨中节点横向位移时程曲线度为32%,基本满足桥规的要求。而且,阻尼器对机车上桥和车尾出桥前后振幅突然增大的抑制作用是非常明显的。4结束语本文通过建立VED桥梁列车时变系统动力方程,对采用粘弹性阻尼器抑制列车冲击作用下钢桁梁桥的振动效果进行了理论分析与计算。计算结果表明:采用粘弹性阻尼器抑制既有线路上桥梁在提速列车作用下的水平振动,既可略增大原钢桥的刚度,又可以大幅度增加结构阻尼,振幅控制效果明显;并且这种方法具有造价低廉,可以在不影响正常运营的情况下进行安装与维护的特点;采用“直接拼装法”对加入阻尼器的车桥时变系统进行动力分析,便于工程设计与计算;粘弹性阻尼器的参数及其在桥梁上的布置位置,有进一步优化设计的必要。参考文献:1Kasai,K.,Munshi,J.A.,Lai,M.L.and Maison,B.F.Viscoelastic Damper Hysteric Model:Theo-ry, Experiment and Application. Proceedings ofATC-17-1 on Seismic Isolation,Energy Dissipationand Active Control,1993,Vol.2.2Tsai, C. S. Temperature Effect of ViscoelasticDampers during Earthquake. Journal of StructuralEngineering,1994(2).3Chang,K.C.,Soong,T.T.,Oh,S-T.and Lai,M.L.Effect of Ambient Temperature on Viscoelasti-cally Dampered Structure.Journal of Structural En-gineering,1992(7).4Chang,K.C.,Lai,M.L.,Soong,T.T.,HaoD.S.and Yeh, Y. C. Seismic Behavior and DesignGuidelines for Steel Frame with Added ViscoelesticDampers.NCEER Report 93-0009,State Universityof New York at Buffalo,1993.5曾庆元等.列车-桥梁时变系统的横向振动分析J.铁道学报,1991(6).6曾庆元,郭向荣著.列车桥梁时变系统振动分析理论与应用M.中国铁道出版社,1999.7高岩,沈锐利,柯在田,张煅.提速对桥梁振动与车辆过桥走行性的影响及其对策J.中国铁道科学2000(2).(上接第18页)4计算结果与分析表1给出用全板有限元解法,与把整个结构划分为1、2两个子结构,模态综合法的前四阶频率计算结果。从表1中的结果可以看出,两种方法有着较好的符合,前二阶的频率很接近,误差极小,模态综合精度是令人满意的。而第三、第四阶两者的频率有一定的差别。其原因是,方法本身的关系,采用固定模态综合方法有一个缺点就是要求把所有的对接位移坐标保留在最终的综合系统之中,