ansys+workbench动力学绪论（1）.ppt

第一章ANSYS动力学绪论,动力学定义,动力学分析用来确定惯性力和阻尼力不可忽略时系统动力学特性的技术。研究系统的固有特性和瞬态特性等动力特性，用于判断是否满足振动强度、速度、加速度和稳定性等要求；研究减振、隔振、振动控制等，使系统振动减小到最低程度；研究如何利用振动，使系统具有更大的位移、速度、加速度等响应，甚至让系统发生共振。,静力分析可以评价结构承受静稳态载荷的能力，但可能不是完全的，特别是当载荷随时间变化时.,动力学定义,动力学分析类型及物理现象,动力学分析类型:自由振动结构振型和频率周期振动周期载荷激励效应瞬态振动变化载荷激励效应随机振动随机载荷激励效应动力学分析的常见物理现象: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,动力学控制方程,动力学基本控制方程如下：,M=结构质量矩阵C=结构阻尼矩阵K=结构刚度矩阵F=随时间变化的载荷函数u=节点位移矢量=节点速度矢量=节点加速度矢量,其中:,动力学分析功能,不同的分析类型，会求解不同的运动方程形式.模态分析：F(t)为零，包含有/无阻尼自由振动、液固耦合自由振动。谐响应分析：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:瞬态分析：F(t)为时间历程载荷；谱分析：F(t)为随机载荷谱/响应谱。,隐式求解法,隐式求解两种方法：,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详见模态叠加法,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,动力学控制方程方法求解方法,显式求解法ANSYS-LS/DYNA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；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。,隐式求解法ANSYS使用Newmark时间积分方法，也称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必须很小以外，对大多数问题都是有效的;当前时间点的位移ut由包含时间点t的方程推导出来,动力学控制方程方法求解方法,动力学建模原则,几何形状和网格:一般与静态分析要考虑的问题相同要包括能充分描绘模型几何形状所必须的详细信息在关心应力结果的区域应进行网格细分，在仅关心位移结果的时候，粗糙的网格划分就足够,动力学建模原则,材料性质:必须定义杨氏模量和密度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,非线性（大变形，接触，塑性等等）：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），非线性特性均被忽略，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。,动力学建模原则,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来计算的.两种类型矩阵：一致质量矩阵与集中质量矩阵.BEAM3,2D梁单元的质量矩阵.,1,2,BEAM3,BEAM3,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,质量矩阵,选用质量矩阵原则对大多数分析来说，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。,阻尼定义与分类,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材料阻尼库仑或干摩擦阻尼,粘性阻尼,粘性阻尼一般物体在液体中运动时存在；阻尼力与速度成正比，动力学分析应当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）表示临界阻尼为系统出现振荡和非振荡行为临界状态时的阻尼。*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%,滞后和固体材料阻尼,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，很难定量确定,滞后和固体材料阻尼,库仑或干摩擦阻尼,物体在干燥表面上滑动时的阻尼；阻尼力与表面法向接触力成正比；比例常数m就是摩擦系数；动力学分析中一般不予考虑。,库仑或干摩擦阻尼,阻尼矩阵,在ANSYS中,阻尼是各种指定阻尼的和,CaMbbcKbjm(2/W)bjxCkCx,结构阻尼矩阵结构质量矩阵因子(ALPHAD)结构质量矩阵结构刚度矩阵因子(BETAD)变刚度矩阵乘子(DMPRAT)结构刚度矩阵对于材料j的刚度矩阵乘子(MP,DAMP)临界阻尼比(MP,DMPR)单元阻尼矩阵(单元实常数)与频率相关的阻尼矩阵(DMPRAT和MP,DAMP),三种形式阻尼的定义方法,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，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；,三种形式阻尼的定义方法,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其中：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,三种形式阻尼的定义方法,aAlpha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=3,1,2,05,三种形式阻尼的定义方法,b阻尼Beta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=0004,0003,0001,0002,三种形式阻尼的定义方法,定义a和b阻尼：使用方程a/2w+bw/2=x近似地假设a和b阻尼的总和在频率范围w1至w2