ANSYS動力學(xué)教程專業(yè)知識講座

動力學(xué)概論Module1第1頁介紹

課程目通過本課程學(xué)習(xí)，達(dá)成能夠使用WorkbenchSimulation進(jìn)行如下類型動力學(xué)分析目標(biāo)：模態(tài)分析ModalAnalysis諧響應(yīng)分析HarmonicResponseAnalysis柔體動力學(xué)分析（瞬態(tài)動力學(xué)分析）FlexibleDynamicAnalysis隨機(jī)振動分析RandomVibrationAnalysis第2頁Module1

動力學(xué)概述動力學(xué)分析定義以及其目標(biāo)。討論動力學(xué)分析不一樣類型。動力學(xué)有關(guān)基本概念和術(shù)語。動力學(xué)分析案例練習(xí)。第3頁動力學(xué)

A.定義和目什么是動力學(xué)分析呢?用來確定慣性力和阻尼力不可忽視構(gòu)造系統(tǒng)有關(guān)動力學(xué)特性技術(shù)“動力學(xué)行為”也許包括下列一種或者幾個類型：構(gòu)造振動特性：主要確定構(gòu)造固有頻率和固有振型時變載荷效應(yīng)（例如對構(gòu)造位移和應(yīng)力影響）正弦變化載荷效應(yīng)第4頁動力學(xué)

…定義和目靜力分析能夠評價構(gòu)造承受穩(wěn)態(tài)載荷能力，但并不是完全，尤其是當(dāng)載荷隨時間變化時.（靜力計算滿足要求構(gòu)造在動力學(xué)上不一定滿足要求）。著名塔科馬海峽大橋在1940年11月7日一次僅42英里每小時穩(wěn)態(tài)風(fēng)作用下發(fā)生了倒塌，而其離建造完成時間僅僅4個月。第5頁動力學(xué)

…定義和目動力學(xué)分析常見物理現(xiàn)象：振動-如由于旋轉(zhuǎn)機(jī)械引發(fā)振動；沖擊-如汽車撞擊、錘擊；交變作用力-如曲軸和其他旋轉(zhuǎn)機(jī)械；地震載荷-地震、沖擊波；隨機(jī)振動-火箭發(fā)射、道路運(yùn)輸.每一種現(xiàn)象模擬都有對應(yīng)動力學(xué)分析類型與之對應(yīng)。第6頁動力學(xué)

B.動力學(xué)分析類型考查如下工程實例:汽車尾氣裝置當(dāng)其固有頻率與引擎鼓勵頻率匹配時會發(fā)生垮散.怎么樣才能避免這種情況發(fā)生呢?渦輪葉片在應(yīng)力作用下（離心力）顯示出不一樣動態(tài)行為.如何來解釋這種現(xiàn)象呢？處理措施–進(jìn)行模態(tài)分析確定構(gòu)造振動特性.第7頁動力學(xué)

…動力學(xué)分析類型汽車擋泥板必須能夠抵抗低速沖擊，不過在高速撞擊下能夠發(fā)生變形，以吸取足夠能量。網(wǎng)球拍框架設(shè)計滿足能夠抵抗網(wǎng)球撞擊并且只會發(fā)生輕微彎曲。處理方案–進(jìn)行柔體動力學(xué)分析，計算出構(gòu)造在時變載荷作用下響應(yīng)。第8頁動力學(xué)

…動力學(xué)分析類型旋轉(zhuǎn)機(jī)械會將穩(wěn)態(tài)交變載荷傳遞給支撐系統(tǒng)。而這樣載荷會根據(jù)轉(zhuǎn)速不一樣使支撐系統(tǒng)產(chǎn)生不一樣變形和應(yīng)力.處理方案–進(jìn)行諧響應(yīng)分析，確定構(gòu)造在穩(wěn)態(tài)簡諧荷載作用下構(gòu)造響應(yīng).第9頁動力學(xué)

…動力學(xué)分析類型航天器和航空器部件必須承受在連續(xù)時間內(nèi)隨機(jī)載荷作用。

處理措施-進(jìn)行隨機(jī)振動分析，確定構(gòu)造在隨機(jī)載荷作用下響應(yīng)。Courtesy:NASA第10頁動力學(xué)

C.動力學(xué)基本概念和術(shù)語主題:運(yùn)動控制方程求解辦法動力學(xué)建模標(biāo)準(zhǔn)阻尼第11頁動力學(xué)-基本概念和術(shù)語

運(yùn)動控制方程動力學(xué)控制方程如下（矩陣型式）：不一樣分析類型會求解不一樣運(yùn)動方程型式。模態(tài)分析:F(t)為0,阻尼矩陣[C]一般也忽視；諧響應(yīng)分析:F(t)和u(t)都為諧函數(shù)，例如Xsin(wt)，其中X是振幅,w是單位為弧度/秒頻率；柔體動力學(xué)分析：求解完整動力學(xué)方程，F(xiàn)(t)為時間歷程函數(shù)。{u}：待求解位移向量[M]=構(gòu)造質(zhì)量矩陣[C]=構(gòu)造阻尼矩陣[K]=構(gòu)造剛度矩陣{F}=隨時間變化載荷函數(shù){u}=節(jié)點位移矢量{?}=節(jié)點速度矢量{ü}=節(jié)點加速度矢量第12頁動力學(xué)-基本概念和術(shù)語

求解辦法模態(tài)分析–簡單來說,該辦法以一組模態(tài)振型開始，然后采取一種稱為BlockLanczos辦法對如下所示方程進(jìn)行迭代求解.第13頁動力學(xué)-基本概念和術(shù)語

求解辦法諧響應(yīng)分析–基于載荷和位移都是呈正弦變化假設(shè)，運(yùn)動方程能夠轉(zhuǎn)變?yōu)槿缦滦问?該方程是采取復(fù)位移，利用靜態(tài)求解器求解。第14頁動力學(xué)-基本概念和術(shù)語

求解辦法柔體動力學(xué)分析–在柔體動力學(xué)分析中，采取標(biāo)準(zhǔn)時間積分技術(shù)，根據(jù)tn時刻位移、速度、加速度來預(yù)測tn+1

運(yùn)動狀態(tài)。等效求解方程如下所示，該方程能夠采取等效靜態(tài)求解器求解。第15頁動力學(xué)-基本概念和術(shù)語

…求解辦法隱式算法ImplicitMethod必須進(jìn)行矩陣求逆

非線性需要進(jìn)行平衡迭代(收斂問題)積分時間步長

Dt能夠比較大，不過也許受到收斂性問題限制對于大多數(shù)問題是有效，除非時間步Dt需要非常小本課程主要討論該種辦法顯示算法ExplicitMethod不需要矩陣求逆非線性問題容易處理(沒有收斂問題)積分時間步長

Dt必須很小(典型時間步長為1e-6s)適用于短時瞬態(tài)問題，例如波傳輸、沖擊載荷和高度非線性問題（如金屬成型）等AUTODYN和ANSYS-LS/DYNA采取該種辦法，本課程不包括第16頁動力學(xué)-基本概念和術(shù)語

…求解辦法模態(tài)疊加法–用于瞬態(tài)分析友好響應(yīng)分析一種求解技術(shù).原理是：首先從模態(tài)分析中得到各個振型，然后分別乘以系數(shù)后疊加起來得到動力學(xué)總體響應(yīng).該辦法是利用從模態(tài)分析得到自然頻率和振型來表征承受簡諧載荷或者瞬態(tài)載荷構(gòu)造動力學(xué)響應(yīng).該技術(shù)將n個聯(lián)立方程縮減為m個獨立方程，其中n為模型自由度數(shù)，m為所使用模態(tài)階數(shù).下面第一種方程是假設(shè)所有自由度解能夠通過各個振型疊加而成.第二個方程是求解對應(yīng)每階模態(tài)模態(tài)系數(shù)Yj伴隨時間變化.替代用第17頁動力學(xué)-基本概念和術(shù)語

動力學(xué)建模標(biāo)準(zhǔn)幾何與網(wǎng)格:一般與靜態(tài)分析要考慮相同問題；要包括能充足描繪模型質(zhì)量分布所必須詳細(xì)信息；在關(guān)懷應(yīng)力成果區(qū)域應(yīng)進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)分，在僅關(guān)懷位移成果時候，粗糙網(wǎng)格劃分就足夠。第18頁動力學(xué)-基本概念和術(shù)語

…動力學(xué)建模標(biāo)準(zhǔn)材料屬性:需要輸入彈性模量和密度。必須記住要采取統(tǒng)一單位制。當(dāng)使用英制單位時，對于密度，要定義質(zhì)量密度而不是重力密度。質(zhì)量密度=重力密度(lb/in3)/g(in/sec2)鋼密度=0283/386=73x10-4lb-sec2/in4第19頁動力學(xué)-基本概念和術(shù)語

…動力學(xué)建模標(biāo)準(zhǔn)非線性（大變形、接觸、塑性等）

：只有在完全瞬態(tài)動力學(xué)中允許才會考慮非線性原因.在Workbench動力學(xué)分析其他分析類型將忽視非線性原因–模態(tài)分析友好響應(yīng)分析.也就是非線性初始狀態(tài)在求解過程當(dāng)中將保持不變.第20頁動力學(xué)-基本概念和術(shù)語

阻尼什么是阻尼?阻尼是一種能量耗散機(jī)制，它使振動隨時間削弱并最后停頓。阻尼數(shù)值主要取決于材料、運(yùn)動速度和振動頻率。阻尼可分類如下：粘性阻尼滯后或固體材料阻尼庫侖或干摩擦阻尼DampeningofaResponse第21頁動力學(xué)-基本概念和術(shù)語

…阻尼粘性阻尼粘性阻尼一般物體在液體中運(yùn)動時存在；阻尼力與速度成正比，動力學(xué)分析應(yīng)當(dāng)考慮粘性阻尼百分比常數(shù)c稱作阻尼常數(shù)一般用阻尼比x（阻尼常數(shù)c對臨界阻尼常數(shù)cc*比值）表達(dá)臨界阻尼為系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩和非振蕩行為臨界狀態(tài)時阻尼。由于阻尼比不能在ANSYS瞬態(tài)動力學(xué)分析當(dāng)中指定，因此在柔體動力學(xué)分析中不能夠使用阻尼比。對一種質(zhì)量為m，頻率為w單自由度彈簧質(zhì)量系統(tǒng),cc=2mw第22頁動力學(xué)-基本概念和術(shù)語

…阻尼滯后或固體阻尼材料固有屬性在動力學(xué)分析需要考慮結(jié)識還不是很透徹，很難定量確定庫倫或干摩擦阻尼發(fā)生于物體在干摩擦面上滑移時阻尼阻尼力與表面法向接觸力成正比百分比系數(shù)m

即為摩擦系數(shù)一般在動力學(xué)分析中不考慮第23頁動力學(xué)-基本概念和術(shù)語

…阻尼Workbench能夠采取下列6種型式阻尼.β阻尼（滯后或固體阻尼）：定義剛度矩陣阻尼乘子。該值能夠直接輸入或者通過在指定頻率阻尼比來計算.與材料有關(guān)阻尼：在EngineeringData模塊中作為材料屬性定義.

常值材料阻尼系數(shù)：在EngineeringData模塊中作為材料屬性定義.常值阻尼比：指定構(gòu)造系統(tǒng)阻尼最簡單方式。假如與β阻尼一起指定，二者效應(yīng)是累加.源自彈簧單元單元阻尼：在Spring對象下Details指定.數(shù)值阻尼：也能夠稱為振幅衰減因子，控制由構(gòu)造高階頻率引發(fā)數(shù)值噪聲.第24頁動力學(xué)-基本概念和術(shù)語

…阻尼β阻尼又叫構(gòu)造阻尼或者剛度阻尼大多數(shù)材料內(nèi)在屬性對于每種材料進(jìn)行定義或給出一種總體值。

β

能夠根據(jù)已知阻尼比x和指定頻率計算得到：b=2x/w；選用最主要反應(yīng)頻率來計算b.在AnalysisSettings

Details窗口中指定.EffectofBetaDampingonDampingRatio(AlphaDampingIgnored)b=0.0040.0030.0010.002第25頁數(shù)值阻尼并不是真正阻尼-振幅衰減因子是通過對時間積分方案進(jìn)行修改得到0.1數(shù)值阻尼將會過濾掉高頻反應(yīng)動力學(xué)-基本概念和術(shù)語

…阻尼HighfrequencyresponsePrimaryFrequencyundamped第26頁不一樣行業(yè)也許通過不一樣型式指定阻尼：粘性阻尼因子或者阻尼比x品質(zhì)因子Q損耗因子或者構(gòu)造阻尼因子h對數(shù)衰減率D譜阻尼因子D絕大多數(shù)與ANSYS中使用阻尼比x

有關(guān)。多種阻尼型式轉(zhuǎn)換因子見下一頁P(yáng)PT。動力學(xué)-基本概念和術(shù)語

…阻尼第27頁多種阻尼型式轉(zhuǎn)化因子動力學(xué)-基本概念和術(shù)語

…阻尼第