ansys动力分析ppt课件

通用有限元软件理论及应用（四）动力分析,动力分析,一动力学分析概述二模态分析三谐响应分析四瞬态动力学分析,一动力学分析概述,定义和目的,什么是动力学分析?动力学分析是用来确定惯性（质量效应）和阻尼起着重要作用时结构或构件动力学特性的技术。“动力学特性”可能指的是下面的一种或几种类型:振动特性-（结构振动方式和振动频率）随时间变化载荷的效应（例如：对结构位移和应力的效应）周期（振动）或随机载荷的效应,一动力学分析概述,定义和目的,静力分析也许能确保一个结构可以承受稳定载荷的条件，但这些还远远不够，尤其在载荷随时间变化时更是如此。著名的美国塔科马海峡吊桥（GallopingGertie）在1940年11月7日，也就是在它刚建成4个月后，受到风速为42英里/小时的平稳载荷时发生了倒塌。,定义和目的,动力学分析通常分析下列物理现象:振动-如由于旋转机械引起的振动冲击-如汽车碰撞，锤击交变作用力-如各种曲轴以及其它回转机械等地震载荷-如地震，冲击波等随机振动-如火箭发射，道路运输等上述每一种情况都由一个特定的动力学分析类型来处理,动力学分析类型,请看下面的一些例子:在工作中，汽车尾气排气管装配体的固有频率与发动机的固有频率相同时，就可能会被震散。那么，怎样才能避免这种结果呢?受应力（或离心力）作用的涡轮叶片会表现出不同的动力学特性，如何解释这种现象呢?答案：进行模态分析来确定结构的振动特性,动力学分析类型,汽车防撞挡板应能承受得住低速冲击一个网球排框架应该设计得能承受网球的冲击，但会稍稍发生弯曲解决办法：进行瞬态动力学分析来计算结构对随时间变化载荷的响应,动力学分析类型,回转机器对轴承和支撑结构施加稳态的、交变的作用力，这些作用力随着旋转速度的不同会引起不同的偏转和应力解决办法：进行谐分析来确定结构对稳态简谐载荷的响应,位于地震多发区的房屋框架和桥梁应该设计应当能够承受地震载荷要求.解决办法：进行谱分析来确定结构对地震载荷的影响,Courtesy:USGeologicalSurvey,动力学分析类型,太空船和飞机的部件必须能够承受持续一段时间的变频率随机载荷。解决办法：进行随机振动分析来确定结构对随机震动的影响,动力学分析类型,基本概念和术语,通用运动方程如下：,不同分析类型是对这个方程的不同形式进行求解模态分析：设定F（t）为零，而矩阵C通常被忽略；谐响应分析：假设F（t）和u（t）都为谐函数，例如Xsin（wt），其中，X是振幅，w是单位为弧度/秒的频率；瞬间动态分析：方程保持上述的形式。,求解方法,如何求解通用运动方程?两种主要方法：模态叠加法直接积分法模态叠加法按自然频率和模态将完全耦合的通用运动方程转化为一组独立的非耦合方程可以用来处理瞬态动力学分析和谐响应分析,求解方法,直接积分法直接求解运动方程在谐响应分析中，因为载荷和响应都假定为谐函数，所以运动方程是以干扰力频率的函数而不是时间的函数的形式写出并求解的对于瞬态动力学，运动方程保持为时间的函数，并且可以通过显式或隐式的方法求解,求解方法,显式求解方法也称为闭式求解法或预测求解法积分时间步Dt必须很小，但求解速度很快（没有收敛问题）可用于波的传播，冲击载荷和高度非线性问题ANSYS-LS/DYNA就是使用这种方法，此处不作介绍,隐式求解法也可成为开式求解法或修正求解法积分时间步Dt可以较大，但方程求解时间较长（因为有收敛问题）除了Dt必须很小的问题以外，对大多数问题都是有效的ANSYS使用Newmark时间积分方法,求解方法,显式方法当前时间点的位移ut由包含时间点t-1的方程推导出来有条件稳定:如果Dt超过结构最小周期的确定百分数,计算位移和速度将无限增加隐式方法当前时间点的位移ut由包含时间点t的方程推导出来无条件稳定:Dt的大小仅仅受精度条件控制,无稳定性。,建模要考虑的问题,几何形状和网格划分材料性质各种非线性几何形状和网格划分:一般同于静态分析要考虑的问题要包括能充分描绘模型几何形状所必须的详细资料在关心应力结果的区域应进行详细的网格划分，在仅关心位移结果的时候，粗糙的网格划分可能就足够了,建模要考虑的问题,材料性质:需要定义杨氏模量和密度请记住要使用一致的单位当使用英制单位时，对于密度，要定义质量密度而不是重力密度：质量密度=重力密度（lb/in3）/g（in/sec2）钢的密度=0283/386=73x10-4lb-sec2/in4,建模要考虑的问题,非线性（大变形，接触，塑性等等）：仅在完全瞬态动力学分析中允许使用。在所有其它动力学类型中（如模态分析、谐波分析、谱分析以及简化的模态叠加瞬态分析等），非线性问题均被忽略，也就是说最初的非线性状态将在整个非线性求解过程中一直保持不变。,1,2,BEAM3,质量矩阵,对于动力学分析需要质量矩阵M，并且这个质量矩阵是按每个单元的密度以单元计算出来的。有两种类型的质量矩阵M:一致质量矩阵和集中质量矩阵，对于2-D梁单元BEAM3，其质量分布矩阵和集中质量矩阵如下所示：,质量矩阵,一致质量矩阵通过单元形函数计算出来；是大多数单元的缺省选项；某些单元有一种称为简化质量矩阵的特殊形式的质量矩阵，其中对应于转动自由度的各元素均被置零。集中质量矩阵质量被单元各节点所平分，非对角线元素均为零；通过分析选项来激活。,质量矩阵,应当采用哪种质量矩阵?对大多数分析来说，一致质量矩阵为缺省设定；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；集中质量矩阵可用于波的传播问题。,阻尼,什么是阻尼?阻尼是一种能量耗散机制，它使振动随时间减弱并最终停止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,阻尼,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，因此在动力学分析中要考虑粘性阻尼比例常数c称作阻尼常数通常用阻尼比x（阻尼常数c对临界阻尼常数cc*的比值）来量化表示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=10*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x=对于螺栓或铆钉链接结构为2%到15%,阻尼,滞后和固体阻尼是材料的固有特性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库仑或干摩擦阻尼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,阻尼,ANSYS允许上述所有三种形式的阻尼通过规定阻尼比x,Rayleigh阻尼常数a（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过规定另一种Rayleigh阻尼常数b（后面将进行讨论）可将滞后或固体阻尼纳入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，（此处不进行讨论，可参见ANSYS结构分析指南）,阻尼,Rayleigh阻尼常数a和b用作矩阵M和K的乘子来计算C:C=aM+bKa/2w+bw/2=x此处w是频率,x是阻尼比在不能定义阻尼比x时，需使用这两个阻尼常数a是粘度阻尼分量，b是滞后或固体或刚度阻尼分量,阻尼,a阻尼亦可称作质量阻尼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b阻尼，a可通过已知值x（阻尼比）和已知频率w来计算：a=2xw因为只允许有一个a值,所以要选用最主要的响应频率来计算a,a=3,1,2,阻尼,b阻尼亦可称作结构或刚度阻尼是大多数材料的固有特性b阻尼对每一个材料进行规定（作为材料性质DAMP），或作为一个单一的总值如果忽略a阻尼，b可以通过已知的x（阻尼比）和已知频率w来计算：b=2x/w选用最主要的响应频率来计算b,b=0004,0003,0001,0002,阻尼,定义a和b阻尼：使用方程a/2w+bw/2=x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w1至w2之间是一个长阻尼比x这将给出两个联立方程，从而可以计算出a和bx=a/2w1+bw1/2x=a/2w2+bw2/2,a+b,b,a,w1,w2,二模态分析,定义和目的,什么是模态分析?模态分析是用来确定结构的振动特性的一种技术：自然频率振型振型参与系数（即在特定方向上某个振型在多大程度上参与了振动）模态分析是所有动力学分析类型的最基础的内容。,定义和目的,模态分析的好处：使结构设计避免共振或以特定频率进行振动（例如扬声器）；使工程师可以认识到结构对于不同类型的动力载荷是如何响应的；有助于在其它动力分析中估算求解控制参数（如时间步长）。建议：由于结构的振动特性决定结构对于各种动力载荷的响应情况，所以在准备进行其它动力分析之前首先要进行模态分析。,通用运动方程：假定为自由振动并忽略阻尼：假定为谐运动：这个方程的根是i，即特征值，i的范围从1到自由度的数目，相应的向量是uI，即特征向量。,术语和概念,模态分析假定结构是线性的(如,M和K保持为常数)简谐运动方程u=u0cos(wt),其中w为自振圆周频率(弧度/秒）,注意:,术语和概念,特征值的平方根是wi，它是结构的自然圆周频率（弧度/秒），并可得出自然频率fi=wi/2p特征向量ui表示振型，即假定结构以频率fi振动时的形状模态提取是用来描述特征值和特征向量计算的术语,模态提取方法,在ANSYS中有以下几种提取模态的方法：BlockLanczos法子空间法PowerDynamics法缩减法不对称法阻尼法使用何种模态提取方法主要取决于模型大小（相对于计算机的计算能力而言）和具体的应用场合,模态提取方法-BlockLanczos法,BlockLanczos法可以在大多数场合中使用：是一种功能强大的方法，当提取中型到大型模型（50.000100.000个自由度）的大量振型时（40+），这种方法很有效；经常应用在具有实体单元或壳单元的模型中；在具有或没有初始截断点时同样有效。（允许提取高于某个给定频率的振型）；可以很好地处理刚体振型；需要较高的内存。,模态提取方法-子空间法,子空间法比较适合于提取类似中型到大型模型的较少的振型（InitialConditnDefine+当需在整个物体上施加非零初始位移或速度时IC命令法是有用的。,瞬态分析步骤规定边界条件和初始条件,实例-物体从静止状态下落这种情况a0=g（重力加速度）v0=0采用静载荷步法载荷步1：关闭瞬态效应。用TIMINT，OFF命令或SolutionTime/FrequencTimeIntegration.采用小的时间间隔，例，0.001；采用2个子步，分步加载（如果采用线性载荷或一个子步，v0就将是非零的）；保持物体静止，例如，固定物体的全部自由度；施加等于g的加速度；求解。,瞬态分析步骤规定边界条件和初始条件命令,!载荷步1TIMINT，OFF!关闭瞬态效应TIME，0.001!小的时间间隔NSEL，!选择所有小物体的所有节点D，ALL，ALL，0!并在所有方向上定义固定约束NSEL，ALLACEL，!加速度值NSUBST，2!两个子步KBC，1!阶梯载荷SOLVE,瞬态分析步骤规定边界条件和初始条件,载荷步2：打开瞬态效应；释放物体，例如，删除物体上的DOF自由度约束；规定终止时间，连续进行瞬态分析。,Acel,t,Loadstep1,瞬态分析步骤规定边界条件和初始条件命令,!载荷步2TIMINT，ON!打开瞬态效应开关TIME，!指定载荷步实际的终点时刻NSEL，!选择所有小物体的所有节点DDELE，ALL，ALL!并删除所有约束NSEL，ALLSOLVE.,瞬态分析步骤规定边界条件和初始条件,实例将悬臂梁的自由端从平衡位置“拨”开“这种情况时，在梁的自由端u00，v0=0；用静载荷步法；载荷步1：关闭瞬态效应。用TIMINT，OFF命令或SolutionTime/FrequencTimeIntegration.采用小的时间间隔，例如，0.001；2个子步，分步加载（如果采用线性载荷或用一个子步，v0就将是非零的）；在梁的自由端施加所要求的非零位移；求解。,瞬态分析步骤规定边界条件和初始条件命令,!载荷步1TIMINT，OFF!关闭瞬态效应TIME，0.001!小的时间间隔D，!在指定节点定义强制位移NSUBST，2!两个子步KBC，1!阶梯载荷步SOLVE,瞬态分析步骤规定边界条件和初始条件,载荷步2：打开瞬态效应；删除强加位移；指定终止时间，连续进行瞬态分析。,瞬态分析步骤规定边界条件和初始条件命令,!载荷步2TIMINT，ON!打开瞬态效应开关TIME，!指定载荷步实际的终点时刻DDELE，!删除所有强制位移.SOLVE.,瞬态分析步骤规定边界条件和初始条件,实例-高尔夫球棒端头的初速度假定只对高尔夫球棒端头建模，并且整个端头运动，这时有初始条件v00。同时又假定u0=a0=0；在这种情况下使用IC命令法是方便的选择球棒上的全部节点；用IC命令施加初始速度或；选择SolutionApplyInitialConditnDefine+选用全部节点选择方向并输入速度值激活全部节点；规定终止时间，施加其它载荷条件（如果存在的话），然后求解。,瞬态分析步骤规定边界条件和初始条件命令,NSEL，IC，NSEL，ALLTIME，SOLVE,瞬态分析步骤规定边界条件和初始条件,实例承受冲击载荷的固定平板此种情况下u0=v0=a0=0；这些初始条件都是ANSYS中的缺省初始条件值，所以这里不必再规定它们！只施加边界条件和冲击载荷，然后求解。,瞬态分析步骤施加时间-历程载荷并求解,建模选择分析类型和选项规定边界条件和初始条件施加时间-历程载荷和求解时间-历程载荷是随时间变化的载荷这类载荷有两种施加方法：列表输入法多载荷步施加法,0.5,瞬态分析步骤施加时间-历程载荷并求解,列表输入法允许定义载荷随时间变化的表（用数组参数）并采用此表作为载荷；尤其是在同时有几种不同的载荷，而每种载荷又都有它自己的时间历程时很方便；例如，要施加下图所示的力随时间变化曲线：1.选择SolutionApplyForce/MomentOnNodes，然后拾取所需节点,22.5,10,1.0,1.5,瞬态分析步骤施加时间-历程载荷并求解命令,!首先定义载荷-时间数组*DIM，FORCE，TABLE，5，1，TIME!类型表数组FORCE(1，0)=0，0.5，1，1.01，1.5!时间值FORCE(0，1)=0，22.5，10，0，0!载荷值!然后将力数组定义到指定的节点上NSEL，!选择指定的节点F，ALL，FZ，%FORCE%!在所有选择节点上定义表载荷NSEL，ALL.,求解方法,求解方法,运动方程的两种求解法：模态叠加法直接积分法：运动方程可以直接对时间按步积分。在每个时间点，需求解一组联立的静态平衡方程（F=ma）；ANSYS采用Newmark法这种隐式时间积分法；ANSYS/LS-DYNA则采用显式时间积分法；,求解方法,求解时即可用缩减结构矩阵，也可用完整结构矩阵；缩减矩阵：用于快速求解；根据主自由度写出K，C，M等矩阵，主自由度是完全自由度的子集；缩减的K是精确的，但缩减的C和M是近似的。此外，还有其它的一些缺陷，但不在此讨论。完整矩阵：不进行缩减。采用完整的K，C，和M矩阵；,积分时间步长,积分时间步长（亦称为ITS或Dt）是时间积分法中的一个重要概念ITS=从一个时间点到另一个时间点的时间增量Dt；积分时间步长决定求解的精确度，因而其数值应仔细选取。ITS应足够小以获取下列数据：响应频率载荷突变接触频率（如果存在的话）波传播效应（若存在）,积分时间步长,接触频率当两个物体发生接触，间隙或接触表面通常用刚度（间隙刚度）来描述；ITS应足够小以获取间隙“弹簧”频率；建议每个循环三十个点，这才足以获取在两物体间的动量传递，比此更小的ITS会造成能量损失，并且冲击可能不是完全弹性的。,积分时间步长,波传播由冲击引起。在细长结构中更为显著（如下落时以一端着地的细棒）需要很小的ITS，并且在沿波传播的方向需要精细的网格划分显式积分法（在ANSYS-LS/DYNA采用）可能对此更为适用,瞬态分析步骤施加时间-历程载荷并求解,2.选择力方向和“新表Newtable”，然后确定（OK）；3.输入表名和行数（时间点的数量），然后确定（OK）；4.填入时间和载荷值，然后FileApply/Quit；,瞬态分析步骤施加时间-历程载荷并求解,5.规定终止时间和积分时间步长SolutionTime/FrequencTime-TimeStep不必指定载荷的分步或线性条件，这已包含在载荷曲线中6.激活自动时间步，规定输出控制，然后求解。,典型命令:TIME，!终点时间DELTIM，0.002，0.001，0.1!起始,最小和最大ITSAUTOTS，ONOUTRES，SOLVE,瞬态分析步骤施加时间-历程载荷并求解,多载荷步法允许在单个的载荷步中施加载荷时间曲线中的一段载荷；不必用数组参数，只需施加每段载荷并且或者求解该载荷步或者将其写入一个载荷步文件中(LSWRITE)。,瞬态分析步骤施加时间-历程载荷并求解,实例，施加前面所述的力随时间变化曲线：1.对施加方法作出计划，这种情况需用三个载荷步：一个为递增线性载荷，一个为递减线性载荷，另一个为阶梯式的除去载荷；,22.5,10,0.5,1.0,1.5,2.定义载荷步1：在要求的节点上施加22.5单位的力；规定施加此力的终止时间(0.5)，指出时间步长和线性载荷；激活自动时间步功能*，规定输出控制*，或者进行求解，或将此载荷步写入载荷步文件中。*将在后面讨论,瞬态分析步骤施加时间-历程载荷并求解命令,!Loadstep1F，!在指定的节点上定义力22.5TIME，0.5!终点时间DELTIM，!积分时间步长KBC，0!斜坡载荷AUTOTS，ONOUTRES，SOLVE!或LSWRITE,瞬态分析步骤施加时间-历程载荷并求解,3.定义载荷步2：改变力值为10.0；规定终止时间(1.0)。不必重新指定积分时间步长或线性载荷条件；求解或将此载荷步写入载荷步文件中。4.定义载荷步3：删除力或将其值设置为零；规定终止时间(1.5)并分步加载；求解或将此载荷步写入载荷步文件中。,瞬态分析步骤施加时间-历程载荷并求解命令,!载荷步2F，!在指定的节点上定义力10.0TIME，1.0!终点时间SOLVE!或LSWRITE!载荷步3FDELE，!删除力TIME，1.5!终点时间KBC，1!阶梯载荷SOLVE!或LSWRITE,瞬态分析步骤施加时间-历程载荷并求解,积分时间步长(ITS)，自动时间步长和输入控制为时间-历程加载的重要组成部分；上面已经讨论了如何计算ITS，为了规定ITS，采用DELTIM命令或在主菜单中选择SolutionTime/FrequencTime-TimeStep,瞬态分析步骤施加时间-历程载荷并求解,自动时间步长采用一种算法自动计算瞬态分析过程中合适的ITS大小建议激活自动时间步长功能，并规定ITS的最小和最大值如果存在非线性，采用“程序选择”选项注意:在ANSYS中，总体求解器控制开关SOLCONTROL的缺省状态为开，建议保留这一状态，更为重要的是，不要在载荷步之间打开或关闭此开关,瞬态分析步骤施加时间-历程载荷并求解,输出控制用于确定写入结果文件的内容用OUTRES命令或选择在主菜单中SolutionOutputCtrlsDB/ResultsFile.典型的选择是对每个子步将全部项目写入结果文件中。这样做的结果是：可以画出结果随时间变化的平滑曲线可能造成结果文件过大,典型命令:OUTRES，ALL，ALL,瞬态分析步骤施加时间-历程载荷并求解,求解采用SOLVE命令（或者，如果已写成了结果文件，则采用LSSOLVE）在每个时间子步，ANSYS按照载荷-时间曲线计算载荷值,典型命令:SOLVE!或LSSOLVEFINISH,瞬态分析结果察看结果,建模选择分析类型和选项指定边界和初始条件施加时间-历程载荷并求解察看结果由三步构成：绘制结构中某些特殊点的结果-时间曲线确定临界时间点察看在这些临界时间点处整个结构上的结果,采用POST26，时间-历程后处理器,采用POST1，通用后处理器,瞬态分析结果察看结果-POST26,绘制结果-时间曲线：首先定义POST26的变量节点或单元数据列表用一个2的编号来识别变量1含有各时间点，并且是预见定义了的,瞬态分析结果察看结果-POST26,定义变量（接上页）拾取那些变形最大的节点，然后选择自由度的方向更新变量定义表,瞬态分析结果察看结果-POST26,变量一旦已定义，就可以对它们绘图或列表,典型命令:/POST26NSOL，PLVAR，.,瞬态分析结果察看结果-POST26,确定临界点采用各种极值列表（ListExtremes）菜单记下发生最小和最大值时的时间点,典型命令:EXTREM，FINISH,瞬态分析结果察看结果-POST1,察看在各临界时间点处整个结构上的结果进入POST1，“ByTime/Freq.”读出结果，并输入近似时间值绘制变形后的形状和应力等值线图,典型命令:/POST1SET，0.02915!读出结果对应的时刻=0.02915,瞬态分析结果察看结果-POST1,典型命令:PLDISP，!变形形状PLNSOL，!画等值图,瞬态分析结果察看结果-POST1,典型命令:/DSCALE，1!真实位移比例PLDISP，,例五：在图所示的工作平台上作用压力荷载，对其进行瞬态动力分析。,例六：悬臂梁截面尺寸0.01mX0.01m，弹性模量2.1e11Pa，泊松比0.3密度7800kg/m3,悬臂梁长1m。,例七：悬臂梁截面尺寸0.01mX0.01m，弹性模量2.1e11Pa，泊松比0.3密度7800kg/m3,悬臂梁长1m。悬臂梁抬高后突然放松的瞬态分析。,例八：框架结构的静力分析示例,某三层框架结构，层高4米，结构平面图如图所示，其主要承重构件的截面尺寸及材料力学性能参数如下：框架柱：500mm500mm混凝土柱外环梁：300mm500mm混凝土梁楼面梁：10500工字钢，高H500mm，宽B200mm，翼缘t116mm，腹板t210mm楼面板：100mm混凝土楼面板材料特性：混凝土C30，弹模E3.01010N/m2，泊松比0.2，密度2500Kg/m3；型钢钢材，弹模E2.11011N/m2，泊松比0.3，密度7800Kg/m3；,3.3梁结构,!步骤1：进行模态分析/SOLUTIONANTYPE,MODAL！进行模态分析MODOPT,LANB,20,0,0,OFF！选择模态分析方法、模态提取数MXPAND,0,0！选择模态扩展数LUMPM,0！选择质量阵形式为一致质量阵PSTRES,0！关闭预应力选项开关SOLVE！求解模态FINISH,!步骤2：进行谱分析/SOLUTIONANTYPE,8SPOPT,SPRS,20,1！谱分析法，取20个模态计算!输入加速度谱值SVTYP,2,9.8,！输入加速度谱，以重力加速度g为输入单位SED,1,0,0,！定义X轴方向为地震输入方向ROCK,0,0,0,0,0,0,!*FREQFREQ,0.111111,0.125000,0.142857,0.166667,0.200000FREQ,0.222222,0.250000,0.285714,0.333333,0.400000FREQ,0.500000,0.555556,0.625000,0.714286,0