ANSYS結(jié)構(gòu)分析教程篇

1、-. z.ANSYS構(gòu)造分析根底篇一、總體介紹進(jìn)展有限元分析的根本流程：1.分析前的思考采用哪種分析(靜態(tài)，模態(tài)，動(dòng)態(tài).模型是零件還是裝配件(零件可以form a part形成裝配件，有時(shí)為了劃分六面體網(wǎng)格采用零件，但零件間需定義bond接觸)單元類型選擇(線單元，面單元還是實(shí)體單元)是否可以簡(jiǎn)化模型(如鏡像對(duì)稱，軸對(duì)稱)2.預(yù)處理建立模型定義材料劃分網(wǎng)格施加載荷及邊界條件3.求解4.后處理查看結(jié)果(位移，應(yīng)力，應(yīng)變，支反力)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)評(píng)估構(gòu)造的可靠性優(yōu)化構(gòu)造設(shè)計(jì)高階篇：一、構(gòu)造的離散化將構(gòu)造或彈性體人為地劃分成由有限個(gè)單元，并通過(guò)有限個(gè)節(jié)點(diǎn)相互連接的離散系統(tǒng)。這一步要解決以下幾個(gè)方面的問(wèn)題:

2、1、選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)膮⒖枷?，既要考慮到工程設(shè)計(jì)習(xí)慣，又要照顧到建立模型的方便。2、根據(jù)構(gòu)造的特點(diǎn)，選擇不同類型的單元。對(duì)復(fù)合構(gòu)造可能同時(shí)用到多種類型的單元，此時(shí)還需要考慮不同類型單元的連接處理等問(wèn)題。3、根據(jù)計(jì)算分析的精度、周期及費(fèi)用等方面的要求，合理確定單元的尺寸和階次。4、根據(jù)工程需要，確定分析類型和計(jì)算工況。要考慮參數(shù)區(qū)間及確定最危險(xiǎn)工況等問(wèn)題。5、根據(jù)構(gòu)造的實(shí)際支撐情況及受載狀態(tài)，確定各工況的邊界約束和有效計(jì)算載荷。二、選擇位移插值函數(shù)1、位移插值函數(shù)的要求在有限元法常選擇多項(xiàng)式函數(shù)作為單元位移插值函數(shù)，并利用節(jié)點(diǎn)處的位移連續(xù)性條件，將位移插值函數(shù)整理成以下形函數(shù)矩陣與單元節(jié)點(diǎn)位移向量的

3、乘積形式。位移插值函數(shù)需要滿足相容協(xié)調(diào)條件，采用多項(xiàng)式形式的位移插值函數(shù)，這一條件始終可以滿足。但近年來(lái)有人提出了一些新的位移插值函數(shù)，如：三角函數(shù)、樣條函數(shù)及雙曲函數(shù)等，此時(shí)需要檢查是否滿足相容條件。2、位移插值函數(shù)的收斂性完備性要求：1位移插值函數(shù)必須包含常應(yīng)變狀態(tài)。2位移插值函數(shù)必須包含剛體位移。3、復(fù)雜單元形函數(shù)的構(gòu)造對(duì)于高階復(fù)雜單元，利用節(jié)點(diǎn)處的位移連續(xù)性條件求解形函數(shù)，實(shí)際上是不可行的。因此在實(shí)際應(yīng)用中更多的情況下是利用形函數(shù)的性質(zhì)來(lái)構(gòu)造形函數(shù)。形函數(shù)的性質(zhì)：1相關(guān)節(jié)點(diǎn)處的值為 1，不相關(guān)節(jié)點(diǎn)處的值為 0。2形函數(shù)之和恒等于 1。這里我們稱為的相關(guān)節(jié)點(diǎn)，為的相關(guān)節(jié)點(diǎn)，其它點(diǎn)均為不相

4、關(guān)節(jié)點(diǎn)。三、單元分析目的：計(jì)算單元彈性應(yīng)變能和外力虛功。使用最小勢(shì)能原理，需要計(jì)算構(gòu)造勢(shì)能，由彈性應(yīng)變能和外力虛功兩局部構(gòu)成。構(gòu)造已經(jīng)被離散，彈性應(yīng)變能可以由單元彈性應(yīng)變能疊加得到，外力虛功中的體力、面力都是分布在單元上的，也可以采用疊加計(jì)算。2、計(jì)算單元外力功從前面推導(dǎo)可以看出：?jiǎn)卧獜椥詰?yīng)變能可計(jì)算的局部只有單元?jiǎng)偠染仃嚕瑔卧饬μ摴捎?jì)算的局部只有單元等效體力載荷向量和等效面力載荷向量。在實(shí)際分析時(shí)并不需要進(jìn)展上述推導(dǎo)，只需要將假定的位移插值函數(shù)代入本節(jié)推導(dǎo)得出的單元?jiǎng)偠染仃嚒⒌刃w力載荷向量和等效面力載荷向量的計(jì)算公式即可。所以我們說(shuō)有限元分析的第三步是計(jì)算單元?jiǎng)偠染仃?、等效體力載荷向量

5、和等效面力載荷向量。幾點(diǎn)說(shuō)明：1單元?jiǎng)偠染仃嚲哂姓ㄐ?、奇異性和?duì)稱性三各重要特性。所謂正定性指所有對(duì)角線元素都是正數(shù)，其物理意義是位移方向與載荷方向一致；奇異性是說(shuō)單元?jiǎng)偠染仃嚥粷M秩是奇異矩陣，其物理意義是單元含有剛體位移；對(duì)稱性是說(shuō)單元?jiǎng)偠染仃囀菍?duì)稱矩陣，程序設(shè)計(jì)時(shí)可以充分利用。2按照本節(jié)公式計(jì)算的單元等效體力載荷向量和等效面力載荷向量稱為一致載荷向量。實(shí)際分析時(shí)有時(shí)也采用靜力學(xué)原理計(jì)算單元等效體力載荷向量和等效面力載荷向量，實(shí)際應(yīng)用說(shuō)明在大多數(shù)情況下，這樣做可以簡(jiǎn)化計(jì)算，同時(shí)又根本上不影響分析結(jié)果。二、預(yù)處理總述1、實(shí)體分析可是3D或2D，3D分析采用的高階單元(SOLID186或SOL

6、ID187)劃分的四面體(TET)或六面體(HE*)單元，2D分析采用的高階單元的三角形(TRI)或四邊形(QUA)單元，2D分析時(shí)需要在創(chuàng)立工程時(shí)在GEOMETRY的分析類型項(xiàng)選擇2D,實(shí)體分析得每個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造上只有3個(gè)自由度，如下列圖所示2、面體分析幾何上是2D但離散元是3D，通常面體厚度給予賦值。面體網(wǎng)格劃分采用殼單元，具有6個(gè)自由度。3、線體幾何上是1D,離散元是3D,截面形狀可通過(guò)line body進(jìn)展設(shè)置，線體網(wǎng)格劃分采用梁?jiǎn)卧哂?個(gè)自由度。4、同個(gè)part下的所有body共享相交邊界，網(wǎng)格劃分時(shí)共用交界上的節(jié)點(diǎn)，不需要設(shè)置接觸。5、NameSelection的使用技巧，在mod

7、el模塊下，可點(diǎn)擊右鍵insert NameSelection，一般Nameselection的選擇方法可用幾何選取，直接在模型上鼠標(biāo)點(diǎn)選。另一種實(shí)用的選取方法為Worksheet，可以添加多種條件進(jìn)展篩選，模型劃分網(wǎng)格后，可以準(zhǔn)確到對(duì)每個(gè)單元的選取。三、網(wǎng)格劃分1、relevance選項(xiàng)控制網(wǎng)格的精度，值在-100到100間，越小越粗糙，越大越精細(xì)。relevance center 控制relevance中間點(diǎn)的精度，element size控制整個(gè)模型的最大單元尺寸。2、網(wǎng)格的高級(jí)尺寸控制接近度和曲度結(jié)合控制曲度鄰近度固定尺寸曲度對(duì)于一些含曲線特征的幾何體，可以控制其劃分網(wǎng)格的精細(xì)度鄰近度

8、可以控制*個(gè)區(qū)域兩個(gè)鄰近的幾何特征間的網(wǎng)格劃分密度2、網(wǎng)格的高級(jí)選項(xiàng)形狀檢測(cè)：標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)-線性分析、模態(tài)和熱分析進(jìn)階力學(xué)-大變形分析、材料的非線性分析3、局部網(wǎng)格劃分控制Method 選擇Automatic 首先假設(shè)能SWEEP則選用sweep劃分HE*網(wǎng)格，否則選用patchconforming劃分TET網(wǎng)格。四面體TET網(wǎng)格劃分有兩種方法：patchconforming和patch independent。對(duì)于不能通過(guò)sweep得到六面體的幾何體可以選用He* dominant或者M(jìn)ultizone劃分方法4、尺寸控制Sizing可以通過(guò)element size(單元最大尺寸)、Number

9、 of divisions(每個(gè)邊的單元數(shù)量)、Sphere of influence(控制影響區(qū)，可設(shè)置影響半徑)來(lái)調(diào)節(jié)網(wǎng)格劃分尺寸。Contact sizing可設(shè)置接觸面的尺寸。5、其他設(shè)置element refinement可設(shè)置選擇幾何體的網(wǎng)格密度加密倍數(shù)；mapped face meshing 可設(shè)置映射面生成構(gòu)造化網(wǎng)格；可通過(guò)side、corner、end點(diǎn)的定義來(lái)設(shè)置映射策略。inflation control設(shè)置膨脹層，主要用于流體分析的邊界層劃分。pinch 可以移出一些不必要的小的幾何特征，劃分網(wǎng)格時(shí)可以去掉一些小的凸起局部。劃分網(wǎng)格前有個(gè)小圓臺(tái)采用pinch劃分網(wǎng)格后沒(méi)

10、有凸臺(tái)Master選擇藍(lán)色線，Slave選擇紅色線，tolerance的值要比凸臺(tái)的高度大。6、虛擬拓?fù)涞膽?yīng)用虛擬拓?fù)溆兄趦?yōu)化幾何模型，可以合并面，分割面或邊來(lái)提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量。虛擬拓?fù)淇梢宰詣?dòng)控制虛擬拓?fù)浜喜⒚嫣摂M拓?fù)浞指钸吿摂M拓?fù)湓O(shè)置：behavior可以設(shè)置拓?fù)渌褜ど疃取?、子模型的應(yīng)用當(dāng)原幾何模型較大，網(wǎng)格數(shù)量有限，為了對(duì)模型局部進(jìn)展更準(zhǔn)確的計(jì)算分析，可以采用子模型。子模型的一般創(chuàng)立方法：先對(duì)整體模型(工程A)進(jìn)展分析計(jì)算，然后copy原工程得到工程B,對(duì)工程B中幾何進(jìn)展切割細(xì)化網(wǎng)格，將工程A的solution欄拖到Setup欄，最好在B工程求解設(shè)置下的submodeling插入邊界

11、條件，子模型的切割邊界應(yīng)遠(yuǎn)離高應(yīng)力區(qū)。四、靜力學(xué)分析線彈性靜力分析假設(shè)：各向同性線彈性材料小變形理論無(wú)時(shí)間、無(wú)阻尼效應(yīng)1、point mass，質(zhì)量點(diǎn)可以通過(guò)坐標(biāo)或選擇幾何面、線、點(diǎn)加載在幾何體上，質(zhì)量點(diǎn)只受Acceleration，Standard earth gravity，Rotational velocity影響。2、求解設(shè)置可設(shè)置求解步數(shù)，定義每步的終止時(shí)間，靜力分析中的time只是一個(gè)跟蹤量求解器選擇：自動(dòng)，直接求解(Direct)，迭代求解(Iterative)弱彈簧的使用：為了滿足靜止約束，程序可自動(dòng)添加弱彈簧，可以在結(jié)果中查看弱彈簧的反力，應(yīng)該是一個(gè)很小的值，并不影響構(gòu)造的應(yīng)

12、力分析。慣性釋放：當(dāng)物體受力不平衡產(chǎn)生加速度時(shí)，利用慣性釋放可以產(chǎn)生一個(gè)慣性力進(jìn)展靜力分析，慣性釋放只能用于線性構(gòu)造分析。慣性釋放下的應(yīng)力：靜力平衡下的應(yīng)力3、施加載荷加速度、角速度、壓力、力，靜水壓力(模擬水壓)軸承力(Bearing Load)，施加在整個(gè)圓柱面上。remote force(定義力的作用點(diǎn))螺栓預(yù)緊力(Bolt Pretension)施加在圓柱面上，可以定義預(yù)緊力或伸長(zhǎng)量。Thermal condition，計(jì)算熱應(yīng)力，需要設(shè)置reference temperature4、施加約束Fi* support 約束點(diǎn)、線、面的所有自由度。Displacement 位移約束Elas

13、tic Support 無(wú)摩擦的彈性支持面Frictionless Support，約束面的法向運(yùn)動(dòng)，作用在平面上等同于對(duì)稱邊界條件作用在圓柱面上約束徑向運(yùn)動(dòng)cylindrical support 只作用在圓柱面上，可以設(shè)軸向，徑向，切向三個(gè)自由度pression only support 基于罰函數(shù)方法對(duì)目標(biāo)面建立一個(gè)剛性接觸面simply supported 作用于點(diǎn)或邊，面體或線體，約束所有平動(dòng)除了轉(zhuǎn)動(dòng)自由度Fi*ed rotation 約束轉(zhuǎn)動(dòng)，放開(kāi)平動(dòng)nodal load and support 必須通過(guò)name selection 來(lái)選取nodetools-Solve proces

14、s settings可以設(shè)置求解用的計(jì)算機(jī)CPU數(shù)五、接觸根本設(shè)置接觸是一種高度非線性特征，接觸一般通過(guò)接觸對(duì)描述，包括接觸面(contact)和目標(biāo)面(target),程序一共有5種接觸方式，其主要特征如下：Bonded 和 no separation 都是線性接觸，bonded使兩個(gè)接觸面固定在一起，無(wú)間隙不能相對(duì)滑動(dòng)而no separation 允許有較小的滑動(dòng)，其他接觸都是非線性。contact 接觸行為behavior分為對(duì)稱和非對(duì)稱兩種行為。接觸面的處理interface treatment：adjust to touch程序自動(dòng)取消兩個(gè)接觸面的間隙。add offset 可以設(shè)置

15、偏移量，正值使兩個(gè)接觸面靠近(可以模擬過(guò)盈配合)，負(fù)值使兩個(gè)接觸面遠(yuǎn)離。Pinball region 可以設(shè)置判斷接觸區(qū)域的大小，當(dāng)兩個(gè)面都進(jìn)入pinball region時(shí)程序則判定為發(fā)生接觸。mesh connections建立網(wǎng)格連接connection worksheet表格查看連接信息joint 定義約束副，共有九種約束形式來(lái)約束body-body 或者body-ground。定義joint時(shí)需要定義reference和mobile regions，幾何窗口左邊顯示的自由度，其中灰色的是被約束的，彩色的是自由的joint configure可以定義約束的初始狀態(tài)Set定義初設(shè)狀態(tài)，r

16、evert恢復(fù)原始狀態(tài)。對(duì)于旋轉(zhuǎn)面或圓柱面的約束類型，可以定義扭轉(zhuǎn)剛度和扭轉(zhuǎn)阻尼。大多數(shù)joints都可以通過(guò)stops來(lái)定義他的運(yùn)動(dòng)區(qū)域spring and beam：spring可以通過(guò)彈簧來(lái)連接body，可以定義初始值和彈簧剛度，beam可以定義材料和圓形截面半徑。六、remote邊界條件1、Remote boundary conditions provide a means to apply a condition whose center of action is not located where the condition is scoped (i.e, remotely).Re

17、mote 邊界條件包括 point mass，springs，joints，remote displacement，remote force and moment loads。所有的remote邊界條件都是采用MPC約束方程進(jìn)展計(jì)算，幾何行為可以設(shè)置為rigid，deformable and coupled，remote計(jì)算更耗時(shí)。設(shè)置remote邊界一般先定義remote point，可以直接選擇幾何特征或給定坐標(biāo)定義，也可以在定義remote邊界條件時(shí)通過(guò)右鍵promote remote point定義。2、behavior controlrigid，deformable and coup

18、led3、pinball control 可以通過(guò)pinball大小來(lái)定義約束方程的數(shù)量4、constraint equations 可以多個(gè)remote point間的相互約束關(guān)系。七、MultiStep的設(shè)置應(yīng)用1、對(duì)于多步分析中的每一步，軟件都作為一個(gè)獨(dú)立的分析過(guò)程，載荷約束都可以單獨(dú)設(shè)置。對(duì)于*些載荷或約束可以通過(guò)右鍵激活或抑制該步當(dāng)查看計(jì)算結(jié)果選擇兩個(gè)載荷步之間的時(shí)間節(jié)點(diǎn)時(shí)，如0與1步的0.5s，則程序通過(guò)線性插值的方式得到0.5的計(jì)算結(jié)果。2、Solution bination(結(jié)果組合)Solution bination可以通過(guò)不同的計(jì)算環(huán)境(共享幾何網(wǎng)格)進(jìn)展組合Solutio

19、n bination也可以通過(guò)同一計(jì)算環(huán)境的不同載荷步進(jìn)展組合八、模態(tài)分析(自由振動(dòng))其中K-剛度矩陣和M-質(zhì)量矩陣是常量，忽略阻尼C和外力F，應(yīng)用線彈性材料和小變形理論，構(gòu)造可以是約束的或非約束的，為模態(tài)坐標(biāo)是個(gè)相對(duì)量。1.構(gòu)造載荷和熱載荷步，非線性接觸不適用于模態(tài)分析，但可以施加約束或預(yù)應(yīng)力。2.可以定義求解階數(shù)和頻率圍。3.由于并沒(méi)有外部鼓勵(lì)，模態(tài)變形只是一個(gè)相對(duì)量，并且是一個(gè)質(zhì)量歸一化的量。4.拉伸預(yù)應(yīng)力將會(huì)增大自然頻率，而壓縮預(yù)應(yīng)力將會(huì)降低自然頻率。九、穩(wěn)態(tài)熱分析1.不考慮瞬態(tài)影響，K和Q可以是常量也可以是溫度的函數(shù)，可以施加固定溫度的邊界條件。殼單元不考慮厚度方向的溫度變化，線單元

20、不考慮截面上的溫度變化。接觸中熱傳遞：如果接觸是bonded或no separation，熱傳遞將會(huì)發(fā)生在pinball區(qū)域的外表熱接觸通過(guò)以下公式進(jìn)展傳熱：TCC默認(rèn)被設(shè)為一個(gè)較大的數(shù)值用來(lái)模擬完美傳熱，同樣可以人為設(shè)置較低的數(shù)值來(lái)模擬熱阻。2.邊界條件heat flow 熱流量(j/s)，可應(yīng)用于點(diǎn)、線、面heat flu* 熱通量(j/m2/s)，只能應(yīng)用于面(2D時(shí)可用于線)internal heat generation 熱源(j/m3/s) 只能用于實(shí)體perfectly insulated 絕熱，默認(rèn)應(yīng)用于所有未設(shè)置邊界條件的地方temperature 恒定溫度，應(yīng)用于點(diǎn)、線、面

21、、實(shí)體convection 對(duì)流只能應(yīng)用于面，其中h-對(duì)流傳熱系數(shù)，Tam-環(huán)境溫度，用戶可以自己設(shè)置。radiation 熱輻射其中-玻爾茲曼常數(shù)，程序自動(dòng)給定；-發(fā)射率，用戶輸入。F-form factor角系數(shù)，當(dāng)correlation設(shè)為T(mén)o ambient-F=1，即所有的輻射能都與周?chē)h(huán)境進(jìn)展交換當(dāng)correlation設(shè)為 surface to surface ，輻射能只參與面面之間的交換，這時(shí)你可以設(shè)置Enclosure每個(gè)輻射面應(yīng)該設(shè)置一樣的enclosure number)和Enclosure type(可設(shè)為open或perfect,如果計(jì)算報(bào)錯(cuò)可將其設(shè)為open)。十、

22、結(jié)果處理1.編輯legend2.Section Plane可以通過(guò)鼠標(biāo)左鍵拖曳生產(chǎn)剖切面，也可以通過(guò)局部坐標(biāo)系的*Y平面生產(chǎn)剖切面3.Probe Tool 可以通過(guò)Geometry selection查看選擇幾何特征的計(jì)算結(jié)果，也可以先定義一個(gè)局部坐標(biāo)系，再通過(guò)coordinate system查看具體*點(diǎn)(局部坐標(biāo)系的原點(diǎn))的計(jì)算結(jié)果。4.New chart and Table可以對(duì)多個(gè)計(jì)算結(jié)果進(jìn)展圖表分析，Alert可以設(shè)置報(bào)警值，如強(qiáng)度極限。5.Construction Geometry可以添加path和surface，path可以通過(guò)局部坐標(biāo)系，邊，點(diǎn)來(lái)定義，surface可以通過(guò)局部

23、坐標(biāo)系定義。查看edge的結(jié)果可以通過(guò)鼠標(biāo)右鍵Convert to path result轉(zhuǎn)換成基于path的計(jì)算結(jié)果，把*軸設(shè)為S即可繪制關(guān)于位置的圖表。另外利用path結(jié)果可以得到應(yīng)力線性化用于應(yīng)力評(píng)判。6.Structural error可以通過(guò)高的能量差異區(qū)來(lái)鑒別幾何網(wǎng)格的合理性。7.Convergence 可以通過(guò)Convergence來(lái)判斷網(wǎng)格是否足夠8.應(yīng)力奇點(diǎn)，構(gòu)造分析時(shí)由于幾何模型、載荷施加等因素常常會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力奇點(diǎn)，影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，我們通過(guò)審查收斂結(jié)果來(lái)防止應(yīng)力奇點(diǎn)。如果應(yīng)力奇異區(qū)并不是我們感興趣的區(qū)域，我們可以只對(duì)感興趣區(qū)域的計(jì)算結(jié)果定義收斂控制，如下列圖所示。ANS

24、YS構(gòu)造動(dòng)態(tài)分析篇一、簡(jiǎn)介動(dòng)態(tài)分析包括以下模塊：模態(tài)分析，諧響應(yīng)分析，隨機(jī)振動(dòng)分析，響應(yīng)譜分析及瞬態(tài)分析。動(dòng)態(tài)分析中構(gòu)造的慣性、阻尼都扮演著重要角色。自由振動(dòng)：構(gòu)造的自然頻率和振型鼓勵(lì)振動(dòng)：曲柄軸和其他的旋轉(zhuǎn)機(jī)械地震沖擊載荷：地震工況，爆炸隨機(jī)振動(dòng)：火箭發(fā)射，道路交通時(shí)間載荷：汽車(chē)碰撞，汽錘、水錘等以上每種情況都可以選擇相應(yīng)的動(dòng)態(tài)模塊進(jìn)展分析。1、模態(tài)分析模態(tài)分析是用來(lái)確定構(gòu)造的振動(dòng)特性，如自然頻率和振型，通常也是進(jìn)展其他動(dòng)態(tài)分析的先決條件。如汽車(chē)的固有頻率應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)頻率，葉片在預(yù)應(yīng)力下的振動(dòng)特性。2、諧響應(yīng)分析諧響應(yīng)分析常用來(lái)分析構(gòu)造在持續(xù)的簡(jiǎn)諧載荷下的響應(yīng)，如轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械的響應(yīng)。3、響應(yīng)譜分析響

25、應(yīng)譜分析通常用來(lái)分析建筑構(gòu)造在地震工況下的響應(yīng)。4、隨機(jī)振動(dòng)分析宇宙空間站、航天飛機(jī)等一般都要進(jìn)展隨機(jī)振動(dòng)分析，以便能承受一段時(shí)間不同頻率下的隨機(jī)載荷。5、瞬態(tài)分析動(dòng)態(tài)分析各模塊的特點(diǎn)如下：根本方程如下：其中只有瞬態(tài)分析允許非線性，包括幾何非線性、接觸非線性、材料非線性。二、阻尼概述阻尼定義：阻尼是導(dǎo)致振動(dòng)不斷減弱甚至停頓的一種能量耗散機(jī)制。阻尼一般與材料性質(zhì)，運(yùn)動(dòng)速度，振動(dòng)頻率有關(guān)。阻尼分為以下類型：粘性阻尼-緩沖器、減震器材料/固體/滯后阻尼-摩擦庫(kù)倫或干摩擦阻尼-滑動(dòng)摩擦數(shù)值阻尼-人工阻尼1、瞬態(tài)分析和阻尼模態(tài)分析中構(gòu)造阻尼矩陣C的完整表達(dá)式如下：QUOTE 和 QUOTE 阻尼用來(lái)確定

26、瑞利阻尼對(duì)于大多數(shù)構(gòu)造來(lái)說(shuō)， QUOTE 阻尼可以忽略，這時(shí)因此對(duì)于給定的 QUOTE ，低頻率阻尼小，高頻率阻尼大。而對(duì)于給定的 QUOTE ，低頻率阻尼大，高頻率阻尼小。 QUOTE 和 QUOTE 阻尼可以通過(guò)定義材料時(shí)輸入：也可以通過(guò)全局阻尼輸入：2、在諧響應(yīng)分析中的材料/固體/滯后阻尼全函數(shù)的諧響應(yīng)分析和模態(tài)疊加法分析中的構(gòu)造阻尼矩陣C的完整表達(dá)式為：同樣， QUOTE ， QUOTE ，g可以通過(guò)定義材料輸入也可以通過(guò)求解設(shè)置輸入：3、模態(tài)疊加法分析模態(tài)疊加法中的阻尼控制在諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)分析、響應(yīng)譜分析及隨機(jī)振動(dòng)分析中都支持以下表達(dá)式：4、數(shù)值阻尼數(shù)值阻尼并不是真實(shí)的阻尼，是人工

27、抑制由高頻構(gòu)造產(chǎn)生的數(shù)值噪聲。默認(rèn)值為0.1用來(lái)過(guò)濾掉虛假的高頻模態(tài)。使用較小的值來(lái)過(guò)濾掉對(duì)最終結(jié)果影響較小的非物理響應(yīng)。注意：數(shù)值阻尼只適用于瞬態(tài)分析。三、模態(tài)分析應(yīng)用模態(tài)分析用來(lái)分析構(gòu)造的振動(dòng)特性(自然頻率和振型),是大多數(shù)動(dòng)態(tài)分析得根底。假設(shè)和限制：構(gòu)造是線性的(M和K是常量).線性無(wú)阻尼的自由振動(dòng)方程：假設(shè)u為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，則有因此求解行列式的特征值和特征向量。注意，為振型反響構(gòu)造振幅的比例關(guān)系，可對(duì)質(zhì)量矩陣進(jìn)展正則化2、參與因子與有效質(zhì)量參與因子：，其中D是笛卡爾坐標(biāo)系中各個(gè)坐標(biāo)軸單位位移響應(yīng)。測(cè)量各個(gè)模態(tài)在各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的總質(zhì)量，較大的值意味著該模態(tài)在該方向容易被鼓勵(lì)。有效質(zhì)量：理論上，

28、各個(gè)方向的有效質(zhì)量的總和應(yīng)該等于構(gòu)造的總質(zhì)量，但取決于模態(tài)展開(kāi)的數(shù)量。3、模態(tài)展開(kāi)方法接觸：由于模態(tài)分析時(shí)線性分析，只允許Bonded和No separation，其他接觸程序視為無(wú)接觸。4、阻尼模態(tài)分析特征值是復(fù)雜的，特征值的虛數(shù)局部表示自然頻率，而實(shí)數(shù)局部衡量系統(tǒng)的穩(wěn)定性，正值不穩(wěn)定，負(fù)值穩(wěn)定。模態(tài)展開(kāi)方法：四、諧響應(yīng)分析應(yīng)用輸入條件：簡(jiǎn)諧變化的載荷(力，壓力和位移),多個(gè)載荷應(yīng)具有同樣得頻率，力和位移可以是同相或異相。假設(shè)和限制：構(gòu)造具有固定的或與頻率相關(guān)的剛度，阻尼，質(zhì)量，不允許非線性；所有的載荷位移按一樣頻率做簡(jiǎn)諧變化。當(dāng)施加的載荷的頻率接近構(gòu)造的自然頻率時(shí)，發(fā)生共振；增加阻尼降低響

29、應(yīng)的振幅；阻尼較小的變化都會(huì)導(dǎo)致共振區(qū)響應(yīng)的大幅變化；諧響應(yīng)的運(yùn)動(dòng)方程如下：求解方法有兩種：1、全函數(shù)法，直接求解矩陣方程。該方法求解準(zhǔn)確，但速度慢于MSUP且耗資源，支持幾乎所有的載荷和邊界條件，其中加速度、軸承載荷、力矩相角只能為0。2、模態(tài)疊加法MUSP，對(duì)方程進(jìn)展坐標(biāo)變換u=y，將M和K變換成對(duì)角矩陣進(jìn)展解耦，再求解n個(gè)解耦的方程y，其中C必須是是對(duì)稱矩陣，此方法需先進(jìn)展模態(tài)分析。模態(tài)疊加法是一種近似求解，準(zhǔn)確度取決了模態(tài)的展開(kāi)階數(shù)，一般比FULL法快。根本設(shè)置：cluster results-include residual vector-在模態(tài)疊加分析中，當(dāng)施加的載荷鼓勵(lì)高階模態(tài)時(shí)

30、，動(dòng)態(tài)響應(yīng)將會(huì)很粗糙。因此采用residual vector方法，除了采用模態(tài)的特征向量，還利用附件的模態(tài)轉(zhuǎn)換向量來(lái)計(jì)算高階頻率。五、響應(yīng)譜分析響應(yīng)譜分析主要用來(lái)替代時(shí)程分析來(lái)確定構(gòu)造對(duì)時(shí)間變化載荷的響應(yīng)：如地震載荷，風(fēng)載，海浪載荷，活塞載荷，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)等。對(duì)于多自由度長(zhǎng)時(shí)程的分析往往通過(guò)響應(yīng)譜分析來(lái)近似快速的求解最大響應(yīng)。1、響應(yīng)譜響應(yīng)譜一般是單自由度系統(tǒng)在給定時(shí)程的最大響應(yīng)，該響應(yīng)可以是位移，速度和加速度。多個(gè)不同頻率一樣阻尼的單自由度振蕩器K,C,M就可以繪制響應(yīng)譜,其中阻尼已經(jīng)包含在響應(yīng)譜中，也可以給定其他的阻尼繪制相應(yīng)的響應(yīng)譜。位移，速度，加速度響應(yīng)譜之間是可以相互轉(zhuǎn)換的，轉(zhuǎn)換公

31、式如下：2、分析類型響應(yīng)譜分析分為單點(diǎn)響應(yīng)譜(SPRS)分析和多點(diǎn)響應(yīng)譜分析(MPRS).SPRS-鼓勵(lì)方向和頻率的響應(yīng)譜作用在所有的支撐點(diǎn)上，通常用來(lái)分析建筑構(gòu)造的地震載荷。參與因子是對(duì)給定自然頻率構(gòu)造響應(yīng)的量度，表征每個(gè)模態(tài)對(duì)特定方向的響應(yīng)奉獻(xiàn)多少。對(duì)于每個(gè)特征頻率，譜值S都可以通過(guò)對(duì)數(shù)插值從響應(yīng)譜中得到，但超過(guò)響應(yīng)譜頻率不會(huì)進(jìn)展插值，而是取最近點(diǎn)的譜值。模態(tài)系數(shù)A，定義為放大系數(shù)來(lái)乘以特征向量來(lái)給出每個(gè)模態(tài)的實(shí)際位移，計(jì)算公式如下。響應(yīng)R，計(jì)算公式如下如果系統(tǒng)有多個(gè)模態(tài)，則應(yīng)該對(duì)各個(gè)模態(tài)下的響應(yīng)R進(jìn)展疊加組合響應(yīng)譜分析計(jì)算最大的位移和應(yīng)力響應(yīng)，它不能準(zhǔn)確計(jì)算實(shí)際響應(yīng)，因此有以下3種疊加方

32、法SRSS,CQC和ROSE。SRSS:以下情況，SRSS法不再適用：考慮近間距自然頻率的模態(tài)考慮局部或全剛度響應(yīng)的模態(tài)包含未展開(kāi)的高階頻率4、如果各階模態(tài)頻率有足夠的間距，可以使用SRSS法疊加。評(píng)判各階模態(tài)是否是近距頻率，對(duì)于不同的阻尼比有不同的評(píng)判準(zhǔn)則。對(duì)于阻尼比2%，如果fifj，且fj1.1fi，則是近距頻率；對(duì)于阻尼比2%，如果fifj，且fj(1+5)fi，則是近距頻率。對(duì)于近距頻率模態(tài)，可選用CQC或ROSE進(jìn)展疊加，其中糾正系數(shù)01，=0，不糾正；=1，全糾正；01，局部糾正。CQC和ROSE計(jì)算公式中是基于模態(tài)的頻率和阻尼計(jì)算得到。CQC計(jì)算公式如下ROSE計(jì)算公式如下5、

33、響應(yīng)譜中有兩個(gè)特征頻率fsp(峰值頻率)和fzpa(0周期加速度區(qū)域)低頻區(qū)fsp，不考慮模態(tài)糾正除非有近距頻率，可用SRSS,CQC或ROSE。中頻區(qū)在fsp和fzpa之間，由周期區(qū)向剛性區(qū)轉(zhuǎn)變，模態(tài)包含周期局部和剛性局部，通常用系數(shù)將響應(yīng)分為周期局部和剛性局部。=0，周期；=1，剛性；0fzpa，剛性區(qū)，模態(tài)需要完全糾正。計(jì)算有兩種方法：Lindley-Yow和Gupta。Lindley-Yow法：=(Sa), =ZPA/Sa，ZPA-0周期的加速度，Sa第i階頻率的加速度。當(dāng)SaZPA,隨著Sa的減小增大。Gupta法：=(f)，Lindley-Yow法中剛性響應(yīng)影響所有的模態(tài)其對(duì)應(yīng)的頻

34、率響應(yīng)SaZPA,但不應(yīng)該用于其模態(tài)頻率ff1=fsp，因此Gupta法適用大局部情況，應(yīng)優(yōu)先選用。6、剛性響應(yīng)計(jì)算首先如前面描述的單獨(dú)進(jìn)展各個(gè)模態(tài)的響應(yīng)計(jì)算，當(dāng)翻開(kāi)剛性響應(yīng)影響Rigid Response Effect時(shí)，這些模態(tài)響應(yīng)R就不再是進(jìn)展直接組合，而是分為周期Rp和剛性局部Rr。剛性響應(yīng)系數(shù)可選擇Gupta或Lindley-Yow法計(jì)算。周期局部和剛性局部響應(yīng)計(jì)算如下：然后分別進(jìn)展組合疊加，對(duì)于周期局部響應(yīng)Rp可用SRSS,CQC或ROSE方法進(jìn)展疊加，如果含有近距頻率模態(tài)時(shí)需要糾正不能使用SRSS法。剛性局部響應(yīng)Rr進(jìn)展代數(shù)和疊加即可最后將周期局部響應(yīng)和剛性局部響應(yīng)進(jìn)展組合得到總

35、的響應(yīng)Rt7、缺省質(zhì)量響應(yīng)進(jìn)展模態(tài)分析時(shí)，我們不可能展開(kāi)所有模態(tài)來(lái)考慮構(gòu)造100%的質(zhì)量，因此我們關(guān)心的模態(tài)中所有質(zhì)量占總質(zhì)量的百分比即為有效質(zhì)量比率，但展開(kāi)的最高模態(tài)頻率因遠(yuǎn)大于響應(yīng)譜的fzpa，才能得到較為準(zhǔn)確的分析結(jié)果。有時(shí)需要展開(kāi)的模態(tài)階數(shù)太多，我們可以通過(guò)模態(tài)分析計(jì)算缺省的質(zhì)量將其進(jìn)展額外的響應(yīng)分析Missing Mass Response，這樣就不必展開(kāi)的模態(tài)頻率要遠(yuǎn)大于fzpa。當(dāng)ffzpa，加速度響應(yīng)是剛性的，因此可以進(jìn)展靜態(tài)的加速度分析。首先可以計(jì)算頻率大于fzpa總的慣性力FT計(jì)算各個(gè)模態(tài)的慣性力計(jì)算各模態(tài)慣性力的合力計(jì)算缺省質(zhì)量的慣性力最后計(jì)算缺省質(zhì)量的響應(yīng)注：對(duì)于加速度

36、鼓勵(lì)缺省質(zhì)量響應(yīng)是一個(gè)偽靜態(tài)響應(yīng)。如果分析包含了剛性響應(yīng)，缺省質(zhì)量響應(yīng)將會(huì)加到剛性響應(yīng)中8、多點(diǎn)響應(yīng)分析MPRS不同的約束點(diǎn)可以加載不同的響應(yīng)譜，最多可以加載100種不同鼓勵(lì)，首先對(duì)每個(gè)響應(yīng)譜進(jìn)展單獨(dú)計(jì)算，最后SRSS疊加計(jì)算得到總的響應(yīng)。9、程序設(shè)置進(jìn)展響應(yīng)譜分析前必須進(jìn)展模態(tài)分析，建議先將模態(tài)分析的結(jié)果與響應(yīng)譜做比照，然后選擇適宜的求解方法，一般規(guī)則如下：模態(tài)只在低頻區(qū)，SRSS(CQC/ROSE for closelys paced modes),NO rigid response effect，no missing mass effect模態(tài)只在中頻和高頻區(qū)，SRSS(CQC/ROSE

37、 for closelys paced modes),rigid response by Lindley or Gupta method，missing mass on模態(tài)在所有的頻率區(qū)域，SRSS(CQC/ROSE for closelys paced modes),rigid response by Gupta method，missing mass on。要點(diǎn)：施加響應(yīng)譜通過(guò)表格形式輸入位移，速度或加速度譜鼓勵(lì)必須加載在固定的自由度上結(jié)果以最大響應(yīng)的形式給出具體操作：選擇要展開(kāi)的模態(tài)階數(shù)，建議其最大頻率是響應(yīng)譜最大頻率的1.5倍選擇單點(diǎn)還是多點(diǎn)分析選擇模態(tài)疊加方式SRSS,CQC或ROS

38、E程序默認(rèn)只計(jì)算位移響應(yīng)，可以設(shè)置計(jì)算速度和加速度響應(yīng)可以輸入位移，速度或加速度譜，每個(gè)譜值對(duì)應(yīng)一個(gè)頻率缺省質(zhì)量Missing Mass effect設(shè)置，設(shè)為YES，包含高階頻率模態(tài)的響應(yīng)，只適用于加速度鼓勵(lì)，需要輸入ZPA(即0周期加速度)加速度值。剛性響應(yīng)影響rigid response effect，模態(tài)包含中高頻區(qū)，建議使用Gupta法。六、隨機(jī)振動(dòng)分析隨機(jī)振動(dòng)分析是另外一種譜分析方法，其目的是為了確定構(gòu)造靜態(tài)屬性的響應(yīng)，通常1 QUOTE 標(biāo)準(zhǔn)差圍的位移應(yīng)力響應(yīng)。許多過(guò)程分析都會(huì)涉及到隨機(jī)振動(dòng)分析，如生產(chǎn)線上的零件，公路上行駛的車(chē)輛，飛行中的飛機(jī)，發(fā)射中的太空飛船等等。隨機(jī)振動(dòng)分析

39、包含所有時(shí)間的所有頻率，在各個(gè)頻率下的振幅是隨時(shí)間變化的。雖然在給定的頻率下，鼓勵(lì)的振幅是不斷變化的，當(dāng)對(duì)于大多數(shù)過(guò)程，其平均值是趨于穩(wěn)定的。因此隨機(jī)鼓勵(lì)可以通過(guò)功率密度取消PSD進(jìn)展描述?？偟念l率圍可以分為多個(gè)單獨(dú)的頻率圍稱為bin，鼓勵(lì)平方后求每個(gè)bin的平均值，然后再除以bin的寬度，單位為RMS2/Hz。位移，速度，加速度鼓勵(lì)間的關(guān)系為：1、假設(shè)和限制構(gòu)造沒(méi)有隨機(jī)屬性沒(méi)有隨時(shí)間變化的剛度，阻尼等沒(méi)有隨時(shí)間變化的力和約束輕微的阻力，遠(yuǎn)小于慣性和彈性力事實(shí)上，大多數(shù)隨機(jī)過(guò)程都遵循高斯分布，因此可以用標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)描述隨機(jī)振動(dòng)的圍68.27%,95.951%,99.737%。由于隨機(jī)分布近似正態(tài)分

40、布，高 QUOTE 的分布其出現(xiàn)的幾率是非常小的，因此 QUOTE 可作為分析得上限。根據(jù)理論分析對(duì)于多個(gè)PSD的計(jì)算結(jié)果通過(guò)SRSS進(jìn)展組合。輸入PSD曲線時(shí)，綠色表示合理的準(zhǔn)確的，黃色表示結(jié)果并不考慮合理性，紅色表示建議修改輸入的PSD載荷。為了得到更好的PSD曲線，可以選擇improved Fit 2、求解設(shè)置模態(tài)階數(shù)：建議其頻率為PSD最大頻率的1.5倍insignificant modes：如果選擇Yes，mode significant設(shè)為0表示選擇所有的模態(tài)，選擇1表示不選擇模態(tài)，任何小于significant level的模態(tài)表示對(duì)結(jié)果無(wú)奉獻(xiàn)。support 邊界條件必須在模態(tài)

41、分析中定義。可以輸入以下幾種PSD多個(gè)PSD可以同時(shí)施加，結(jié)果用SRSS疊加。七、瞬態(tài)分析瞬態(tài)分析是時(shí)程分析，可以包含慣性，阻尼，非線性等因素。進(jìn)展瞬態(tài)分析前一般先進(jìn)展以下鋪墊工作：簡(jiǎn)化，對(duì)模型進(jìn)展適當(dāng)簡(jiǎn)化使求解更容易非線性，如果存在非線性，可以先進(jìn)展靜態(tài)分析評(píng)估其影響模態(tài)分析，可以先進(jìn)展模態(tài)分析得到構(gòu)造自然頻率和振型來(lái)評(píng)估動(dòng)態(tài)行為，其中自然頻率可以用來(lái)計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)。程序在求解以上方程時(shí)采用Newmark time或HHT兩種方法：時(shí)間步長(zhǎng)：Newmark的計(jì)算方法如下：其中a0至a5是的函數(shù)， QUOTE 是數(shù)值阻尼可以通過(guò)程序直接輸入。newmark參數(shù) QUOTE 和 QUOTE 通過(guò)以

42、下公式計(jì)算：2、求解技術(shù)ANSYS求解瞬態(tài)分析時(shí)共有兩種方法The Full Method和The Mode-superposition method，其比照方下Full Method允許所有的非線性，承受絕大多數(shù)的載荷形式。非線性主要包含以下幾種形式，接觸非線性、幾何非線性(大變形)、材料非線性。Full Method允許所有的五種接觸方式，其中Bonded 和 No separation是線性接觸只需一個(gè)迭代步，其余是非線性接觸。非線性求解采用Newton-Raphson方法：載荷步Load steps：用來(lái)定義具有不同變化趨勢(shì)的載荷，如下列圖中的Fa和Fb子步substeps:用來(lái)定義載荷增長(zhǎng)數(shù)進(jìn)展迭代求解，如下列圖中的Fa1和Fb13、求解設(shè)置full transient主要包含以下設(shè)置：時(shí)間步長(zhǎng)time step是一個(gè)非常重要的參數(shù)，決定了求解的準(zhǔn)確性和收斂性，往往需要足夠小來(lái)描述構(gòu)造的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，建議先進(jìn)展模態(tài)分析。程序默認(rèn)采用自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)auto time stepping，選擇適宜的inital，minium，ma*imum時(shí)間步