瞬態(tài)動力分析

瞬態(tài)動力分析第1頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六2瞬態(tài)動力分析瞬態(tài)動力分析的定義和目的瞬態(tài)分析狀態(tài)的基本術(shù)語和概念在ANSYS中如何進(jìn)行瞬態(tài)分析瞬態(tài)分析實例第2頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六3定義和目的什么是瞬態(tài)動力分析?它是確定隨時間變化載荷（例如爆炸）作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)的技術(shù)；輸入數(shù)據(jù)：作為時間函數(shù)的載荷輸出數(shù)據(jù)：隨時間變化的位移和其它的導(dǎo)出量，如：應(yīng)力和應(yīng)變。求解設(shè)計的關(guān)鍵運動方程求解方法積分時間步長第3頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六4承受各種沖擊載荷的結(jié)構(gòu)，如：汽車中的門和緩沖器、建筑框架以及懸掛系統(tǒng)等；承受各種隨時間變化載荷的結(jié)構(gòu)，如：橋梁、地面移動裝置以及其它機(jī)器部件；承受撞擊和顛簸的家庭和辦公設(shè)備，如：移動電話、筆記本電腦和真空吸塵器等。應(yīng)用和設(shè)計第4頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六5瞬態(tài)分析

–運動方程用于瞬態(tài)動力分析的運動方程和通用運動方程相同；這是瞬態(tài)分析的最一般形式，載荷可為時間的任意函數(shù)；按照求解方法，ANSYS允許在瞬態(tài)動力分析中包括各種類型的非線性-大變形、接觸、塑性等等。第5頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六6瞬態(tài)分析-求解方法求解運動方程直接積分法模態(tài)疊加法隱式積分顯式積分完整矩陣法縮減矩陣法完整矩陣法縮減矩陣法第6頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六7模態(tài)疊加法：是將從模態(tài)分析中得到各個振型分別乘以系數(shù)后疊加起來以計算動力學(xué)響應(yīng)。直接積分法：運動方程可以直接對時間按步積分。在每個時間點，需求解一組聯(lián)立的靜態(tài)平衡方程（F=ma）；ANSYS采用Newmark法這種隱式時間積分法；ANSYS/LS-DYNA則采用顯式時間積分法；有關(guān)顯式法和隱式法的討論瞬態(tài)分析-求解方法第7頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六8求解時即可用縮減結(jié)構(gòu)矩陣，也可用完整結(jié)構(gòu)矩陣；縮減矩陣：用于快速求解；根據(jù)主自由度寫出[K]，[C]，[M]等矩陣，主自由度是完全自由度的子集；縮減的[K]是精確的，但縮減的[C]和[M]是近似的。此外，還有其它的一些缺陷，但不在此討論。完整矩陣：不進(jìn)行縮減。

采用完整的[K]，[C]，和[M]矩陣；瞬態(tài)分析-求解方法第8頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六9模態(tài)疊加法運動方程是去耦的,求解速度很快當(dāng)僅需少量模態(tài)來描述響應(yīng)時有效需要模態(tài)解中的特征向量只用于線性分析,不能有非線性性質(zhì)決定要使用多少個模態(tài)是比較困難的,很少幾個模態(tài)可能得到良好的位移結(jié)果,但只能得到很差的應(yīng)力結(jié)果直接積分法完全耦合的運動方程,求解很費時間對大多數(shù)問題都有效不需要特征向量然而大多數(shù)動力分析是從模態(tài)求解開始的在瞬態(tài)分析中允許有非線性性質(zhì)決定積分時間步長Dt比決定要疊加的模態(tài)個數(shù)更為容易瞬態(tài)分析-求解方法第9頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六10瞬態(tài)分析-積分時間步長積分時間步長（亦稱為ITS或

Dt）是時間積分法中的一個重要概念I(lǐng)TS=從一個時間點到另一個時間點的時間增量Dt；積分時間步長決定求解的精確度，因而其數(shù)值應(yīng)仔細(xì)選取。ITS應(yīng)足夠小以獲取下列數(shù)據(jù)：響應(yīng)頻率載荷突變接觸頻率（如果存在的話）波傳播效應(yīng)（若存在）第10頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六11響應(yīng)頻率不同類型載荷會在結(jié)構(gòu)中激發(fā)不同的頻率（響應(yīng)頻率）；ITS應(yīng)足夠小以獲取所關(guān)心的最高響應(yīng)頻率（最低響應(yīng)周期）；每個循環(huán)中有20個時間點應(yīng)是足夠的，即：

Dt=1/20f

式中，f是所關(guān)心的最高響應(yīng)頻率。響應(yīng)周期瞬態(tài)分析-積分時間步長第11頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六12載荷突變ITS應(yīng)足夠小以獲取載荷突變LoadtLoadt瞬態(tài)分析-積分時間步長第12頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六13接觸頻率當(dāng)兩個物體發(fā)生接觸，間隙或接觸表面通常用剛度（間隙剛度）來描述；ITS應(yīng)足夠小以獲取間隙“彈簧”頻率；建議每個循環(huán)三十個點，這才足以獲取在兩物體間的動量傳遞，比此更小的ITS會造成能量損失，并且沖擊可能不是完全彈性的。瞬態(tài)分析-積分時間步長第13頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六14波傳播由沖擊引起。在細(xì)長結(jié)構(gòu)中更為顯著（如下落時以一端著地的細(xì)棒）需要很小的ITS，并且在沿波傳播的方向需要精細(xì)的網(wǎng)格劃分顯式積分法（在ANSYS-LS/DYNA采用）可能對此更為適用瞬態(tài)分析-積分時間步長第14頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六15瞬態(tài)分析-步驟建模選擇分析類型和選項規(guī)定邊界條件和初始條件施加時間歷程載荷并求解查看結(jié)果第15頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六16瞬態(tài)分析步驟-建模模型允許所有各種非線性記住要輸入密度！第16頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六17瞬態(tài)分析步驟-選擇分析類型和選項求解方法完整矩陣方法為缺省方法。允許下列非線性選項：大變形應(yīng)力硬化Newton-Raphson解法集中質(zhì)量矩陣主要用于細(xì)長梁和薄壁殼或波的傳播公式求解器由程序自行選擇第17頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六18阻尼α和b阻尼均可用；在大多數(shù)情況下，忽略α阻尼（粘性阻尼），僅規(guī)定b阻尼（由滯后造成的阻尼）：

b=2/w

式中x

為阻尼比，w為主要響應(yīng)頻率（rad/sec）。典型命令:ALPHAD，…BETAD，…瞬態(tài)分析步驟-選擇分析類型和選項第18頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六19分析步驟-規(guī)定邊界條件和初始條件建模選擇分析類型和選項規(guī)定邊界條件和初始條件在這種情況下邊界條件為載荷或在整個瞬態(tài)過程中一直為常數(shù)的條件，例如：固定點（約束）對稱條件重力初始條件第19頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六20初始條件時間t=0時的條件：u0，v0，a0它們的缺省值為，u0=v0=a0=0可能要求非零初始條件的實例：飛機(jī)著陸(v00)高爾夫球棒擊球(v00)物體跌落試驗(a00)分析步驟-規(guī)定邊界條件和初始條件第20頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六21施加初始條件的兩種方法：以靜載荷步開始當(dāng)只需在模型的一部分上施加初始條件時，例如，用強(qiáng)加的位移將懸臂梁的自由端從平衡位置“撥”開時，這種方法是有用的；用于需要施加非零初始加速度時。使用IC

命令Solution>Apply>InitialCondit’n>Define+當(dāng)需在整個物體上施加非零初始位移或速度時IC

命令法是有用的。分析步驟-規(guī)定邊界條件和初始條件第21頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六22實例-物體從靜止?fàn)顟B(tài)下落這種情況a0=g（重力加速度）v0=0采用靜載荷步法載荷步1：關(guān)閉瞬態(tài)效應(yīng)。用TIMINT，OFF命令或Solution>Time/Frequenc>TimeIntegration...采用小的時間間隔，例，0.001；采用2個子步，分步加載（如果采用線性載荷或一個子步，v0

就將是非零的）；保持物體靜止，例如，固定物體的全部自由度；施加等于g的加速度；求解。分析步驟-規(guī)定邊界條件和初始條件第22頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六23載荷步2：打開瞬態(tài)效應(yīng)；釋放物體，例如，刪除物體上的DOF自由度約束；規(guī)定終止時間，連續(xù)進(jìn)行瞬態(tài)分析。Acelt0.00050.001Loadstep1分析步驟-規(guī)定邊界條件和初始條件第23頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六24實例–將懸臂梁的自由端從平衡位置“撥”開“這種情況時，在梁的自由端

u00，v0=0；用靜載荷步法；載荷步1：關(guān)閉瞬態(tài)效應(yīng)。用TIMINT，OFF命令或Solution>Time/Frequenc>TimeIntegration...采用小的時間間隔，例如，0.001；2個子步，分步加載（如果采用線性載荷或用一個子步，v0就將是非零的）；在梁的自由端施加所要求的非零位移；求解。分析步驟-規(guī)定邊界條件和初始條件第24頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六25!載荷步1TIMINT，OFF !關(guān)閉瞬態(tài)效應(yīng)TIME，0.001 !小的時間間隔D，… !在指定節(jié)點定義強(qiáng)制位移NSUBST，2 !兩個子步KBC，1 !階梯載荷步SOLVE分析步驟-規(guī)定邊界條件和初始條件第25頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六26載荷步2：打開瞬態(tài)效應(yīng)；刪除強(qiáng)加位移；指定終止時間，連續(xù)進(jìn)行瞬態(tài)分析。分析步驟-規(guī)定邊界條件和初始條件!載荷步2TIMINT，ON!打開瞬態(tài)效應(yīng)開關(guān)TIME，… !指定載荷步實際的終點時刻DDELE，…!刪除所有強(qiáng)制位移...SOLVE.第26頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六27實例-高爾夫球棒端頭的初速度假定只對高爾夫球棒端頭建模，并且整個端頭運動，這時有初始條件v00。同時又假定u0=a0=0；在這種情況下使用IC命令法是方便的選擇球棒上的全部節(jié)點；用IC命令施加初始速度或；選擇

Solution>Apply>InitialCondit’n>Define+選用全部節(jié)點選擇方向并輸入速度值激活全部節(jié)點；規(guī)定終止時間，施加其它載荷條件（如果存在的話），然后求解。分析步驟-規(guī)定邊界條件和初始條件第27頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六28實例–承受沖擊載荷的固定平板此種情況下

u0=v0=a0=0；這些初始條件都是ANSYS中的缺省初始條件值，不必再規(guī)定它們！只施加邊界條件和沖擊載荷，然后求解。分析步驟-規(guī)定邊界條件和初始條件第28頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六29分析步驟-施加時間-歷程載荷并求解建模選擇分析類型和選項規(guī)定邊界條件和初始條件施加時間-歷程載荷和求解時間-歷程載荷是隨時間變化的載荷這類載荷有兩種施加方法：列表輸入法多載荷步施加法LoadtLoadtLoadt第29頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六300.5Forcet列表輸入法允許定義載荷隨時間變化的表（用數(shù)組參數(shù)）并采用此表作為載荷；尤其是在同時有幾種不同的載荷，而每種載荷又都有它自己的時間歷程時很方便；例如，要施加下圖所示的力隨時間變化曲線：1. 選擇

Solution>Apply>Force/Moment>OnNodes，然后拾取所需節(jié)點22.5101.01.5分析步驟-施加時間-歷程載荷并求解第30頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六31!首先定義載荷-時間數(shù)組*DIM，F(xiàn)ORCE，TABLE，5，1，，TIME !類型表數(shù)組FORCE(1，0)=0，0.5，1，1.01，1.5 !時間值FORCE(0，1)=0，22.5，10，0，0 !載荷值!然后將力數(shù)組定義到指定的節(jié)點上NSEL，… !選擇指定的節(jié)點F，ALL，F(xiàn)Z，%FORCE% !在所有選擇節(jié)點上定義表載荷NSEL，ALL...分析步驟-施加時間-歷程載荷并求解第31頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六32規(guī)定終止時間和積分時間步長Solution>Time/Frequenc>Time-TimeStep…不必指定載荷的分步或線性條件，這已包含在載荷曲線中

激活自動時間步，規(guī)定輸出控制，然后求解（稍后討論）。典型命令:TIME，… !終點時間DELTIM，0.002，0.001，0.1 !起始,最小和最大ITSAUTOTS，ONOUTRES，…SOLVE分析步驟-施加時間-歷程載荷并求解第32頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六33多載荷步法允許在單個的載荷步中施加載荷—時間曲線中的一段載荷；不必用數(shù)組參數(shù)，只需施加每段載荷并且或者求解該載荷步或者將其寫入一個載荷步文件中(LSWRITE)。分析步驟-施加時間-歷程載荷并求解Forcet22.5100.51.01.5第33頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六34實例，施加前面所述的力隨時間變化曲線：1. 對施加方法作出計劃，這種情況需用三個載荷步：一個為遞增線性載荷，一個為遞減線性載荷，另一個為階梯式的除去載荷；Forcet22.5100.51.01.52. 定義載荷步1：在要求的節(jié)點上施加22.5單位的力；規(guī)定施加此力的終止時間(0.5)，指出時間步長和線性載荷；激活自動時間步功能*，規(guī)定輸出控制*，或者進(jìn)行求解，或?qū)⒋溯d荷步寫入載荷步文件中。分析步驟-施加時間-歷程載荷并求解第34頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六35!Loadstep1F，… !在指定的節(jié)點上定義力22.5TIME，0.5 !終點時間DELTIM，…!積分時間步長KBC，0 !斜坡載荷AUTOTS，ONOUTRES，…SOLVE !或LSWRITE分析步驟-施加時間-歷程載荷并求解第35頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六363. 定義載荷步2：改變力值為10.0；規(guī)定終止時間(1.0)。不必重新指定積分時間步長或線性載荷條件；求解或?qū)⒋溯d荷步寫入載荷步文件中。4. 定義載荷步3：刪除力或?qū)⑵渲翟O(shè)置為零；規(guī)定終止時間(1.5)并分步加載；求解或?qū)⒋溯d荷步寫入載荷步文件中。分析步驟-施加時間-歷程載荷并求解第36頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六37!載荷步2F，… !在指定的節(jié)點上定義力10.0TIME，1.0 !終點時間SOLVE !或LSWRITE!載荷步3FDELE，… !刪除力TIME，1.5 !終點時間KBC，1 !階梯載荷SOLVE !或LSWRITE分析步驟-施加時間-歷程載荷并求解第37頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六38積分時間步長(ITS)，自動時間步長和輸入控制為時間-歷程加載的重要組成部分；上面已經(jīng)討論了如何計算ITS，為了規(guī)定ITS，采用DELTIM

命令或在主菜單中選擇Solution>Time/Frequenc>Time-TimeStep…分析步驟-施加時間-歷程載荷并求解第38頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六39自動時間步長采用一種算法自動計算瞬態(tài)分析過程中合適的ITS大小建議激活自動時間步長功能，并規(guī)定ITS的最小和最大值如果存在非線性，采用“程序選擇”選項注意:在ANSYS5.5中，總體求解器控制開關(guān)[SOLCONTROL]的缺省狀態(tài)為開，建議保留這一狀態(tài)，更為重要的是，不要在載荷步之間打開或關(guān)閉此開關(guān)分析步驟-施加時間-歷程載荷并求解第39頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六40輸出控制用于確定寫入結(jié)果文件的內(nèi)容用OUTRES命令或選擇在主菜單中Solution>OutputCtrls>DB/ResultsFile...典型的選擇是對每個子步將全部項目寫入結(jié)果文件中。這樣做的結(jié)果是：可以畫出結(jié)果隨時間變化的平滑曲線可能造成結(jié)果文件過大典型命令:OUTRES，ALL，ALL分析步驟-施加時間-歷程載荷并求解第40頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六41求解采用

SOLVE

命令（或者，如果已寫成了結(jié)果文件，則采用

LSSOLVE）在每個時間子步，ANSYS按照載荷-時間曲線計算載荷值典型命令:SOLVE !或LSSOLVEFINISH分析步驟-施加時間-歷程載荷并求解第41頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六42瞬態(tài)分析結(jié)果-察看結(jié)果建模選擇分析類型和選項指定邊界和初始條件施加時間-歷程載荷并求解察看結(jié)果由三步構(gòu)成：繪制結(jié)構(gòu)中某些特殊點的結(jié)果-時間曲線確定臨界時間點察看在這些臨界時間點處整個結(jié)構(gòu)上的結(jié)果采用POST26，時間-歷程后處理器采用POST1，通用后處理器第42頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六43瞬態(tài)分析結(jié)果-察看結(jié)果-POST26繪制結(jié)果-時間曲線：首先定義POST26的變量節(jié)點或單元數(shù)據(jù)列表用一個

2的編號來識別變量1含有各時間點，并且是預(yù)見定義了的第43頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六44定義變量拾取那些變形最大的節(jié)點，然后選擇自由度的方向更新變量定義表瞬態(tài)分析結(jié)果-察看結(jié)果-POST26第44頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六45變量一旦已定義，就可以對它們繪圖或列表典型命令:/POST26NSOL，…PLVAR，...瞬態(tài)分析結(jié)果-察看結(jié)果-POST26第45頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六46確定臨界點采用各種極值列表（ListExtremes）菜單記下發(fā)生最小和最大值時的時間點典型命令:EXTREM，…FINISH瞬態(tài)分析結(jié)果-察看結(jié)果-POST26第46頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六47察看在各臨界時間點處整個結(jié)構(gòu)上