ANSYS動(dòng)力學(xué)教程專(zhuān)業(yè)知識(shí)講座

動(dòng)力學(xué)概論Module1第1頁(yè)介紹

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

動(dòng)力學(xué)概述動(dòng)力學(xué)分析定義以及其目標(biāo)。討論動(dòng)力學(xué)分析不一樣類(lèi)型。動(dòng)力學(xué)有關(guān)基本概念和術(shù)語(yǔ)。動(dòng)力學(xué)分析案例練習(xí)。第3頁(yè)動(dòng)力學(xué)

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

…定義和目靜力分析能夠評(píng)價(jià)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(shí)間變化時(shí).（靜力計(jì)算滿(mǎn)足要求構(gòu)造在動(dòng)力學(xué)上不一定滿(mǎn)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(shí)穩(wěn)態(tài)風(fēng)作用下發(fā)生了倒塌，而其離建造完成時(shí)間僅僅4個(gè)月。第5頁(yè)動(dòng)力學(xué)

…定義和目動(dòng)力學(xué)分析常見(jiàn)物理現(xiàn)象：振動(dòng)-如由于旋轉(zhuǎn)機(jī)械引發(fā)振動(dòng)；沖擊-如汽車(chē)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(dòng)-火箭發(fā)射、道路運(yùn)輸.每一種現(xiàn)象模擬都有對(duì)應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析類(lèi)型與之對(duì)應(yīng)。第6頁(yè)動(dòng)力學(xué)

B.動(dòng)力學(xué)分析類(lèi)型考查如下工程實(shí)例:汽車(chē)尾氣裝置當(dāng)其固有頻率與引擎鼓勵(lì)頻率匹配時(shí)會(huì)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(dòng)態(tài)行為.如何來(lái)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(dòng)特性.第7頁(yè)動(dòng)力學(xué)

…動(dòng)力學(xué)分析類(lèi)型汽車(chē)擋泥板必須能夠抵抗低速?zèng)_擊，不過(guò)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(jì)滿(mǎn)足能夠抵抗網(wǎng)球撞擊并且只會(huì)發(fā)生輕微彎曲。處理方案–進(jìn)行柔體動(dòng)力學(xué)分析，計(jì)算出構(gòu)造在時(shí)變載荷作用下響應(yīng)。第8頁(yè)動(dòng)力學(xué)

…動(dòng)力學(xué)分析類(lèi)型旋轉(zhuǎn)機(jī)械會(huì)將穩(wěn)態(tài)交變載荷傳遞給支撐系統(tǒng)。而這樣載荷會(huì)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(jiǎn)諧荷載作用下構(gòu)造響應(yīng).第9頁(yè)動(dòng)力學(xué)

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

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

C.動(dòng)力學(xué)基本概念和術(shù)語(yǔ)主題:運(yùn)動(dòng)控制方程求解辦法動(dòng)力學(xué)建模標(biāo)準(zhǔn)阻尼第11頁(yè)動(dòng)力學(xué)-基本概念和術(shù)語(yǔ)

運(yùn)動(dòng)控制方程動(dòng)力學(xué)控制方程如下（矩陣型式）：不一樣分析類(lèi)型會(huì)求解不一樣運(yùn)動(dòng)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(dòng)力學(xué)分析：求解完整動(dòng)力學(xué)方程，F(xiàn)(t)為時(shí)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(shí)間變化載荷函數(shù){u}=節(jié)點(diǎn)位移矢量{?}=節(jié)點(diǎn)速度矢量{ü}=節(jié)點(diǎn)加速度矢量第12頁(yè)動(dòng)力學(xué)-基本概念和術(shù)語(yǔ)

求解辦法模態(tài)分析–簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),該辦法以一組模態(tài)振型開(kāi)始，然后采取一種稱(chēng)為BlockLanczos辦法對(duì)如下所示方程進(jìn)行迭代求解.第13頁(yè)動(dòng)力學(xué)-基本概念和術(shù)語(yǔ)

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(dòng)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(yè)動(dòng)力學(xué)-基本概念和術(shù)語(yǔ)

求解辦法柔體動(dòng)力學(xué)分析–在柔體動(dòng)力學(xué)分析中，采取標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間積分技術(shù)，根據(jù)tn時(shí)刻位移、速度、加速度來(lái)預(yù)測(cè)tn+1

運(yùn)動(dòng)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(yè)動(dòng)力學(xué)-基本概念和術(shù)語(yǔ)

…求解辦法隱式算法ImplicitMethod必須進(jìn)行矩陣求逆

非線(xiàn)性需要進(jìn)行平衡迭代(收斂問(wèn)題)積分時(shí)間步長(zhǎng)

Dt能夠比較大，不過(guò)也許受到收斂性問(wèn)題限制對(duì)于大多數(shù)問(wèn)題是有效，除非時(shí)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(xiàn)性問(wèn)題容易處理(沒(méi)有收斂問(wèn)題)積分時(shí)間步長(zhǎng)

Dt必須很小(典型時(shí)間步長(zhǎng)為1e-6s)適用于短時(shí)瞬態(tài)問(wèn)題，例如波傳輸、沖擊載荷和高度非線(xiàn)性問(wèn)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(yè)動(dòng)力學(xué)-基本概念和術(shù)語(yǔ)

…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(gè)振型，然后分別乘以系數(shù)后疊加起來(lái)得到動(dòng)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(lái)表征承受簡(jiǎn)諧載荷或者瞬態(tài)載荷構(gòu)造動(dòng)力學(xué)響應(yīng).該技術(shù)將n個(gè)聯(lián)立方程縮減為m個(gè)獨(dú)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(guò)各個(gè)振型疊加而成.第二個(gè)方程是求解對(duì)應(yīng)每階模態(tài)模態(tài)系數(shù)Yj伴隨時(shí)間變化.替代用第17頁(yè)動(dòng)力學(xué)-基本概念和術(shù)語(yǔ)

動(dòng)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(wèn)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(shí)候，粗糙網(wǎng)格劃分就足夠。第18頁(yè)動(dòng)力學(xué)-基本概念和術(shù)語(yǔ)

…動(dòng)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(shí)，對(duì)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(yè)動(dòng)力學(xué)-基本概念和術(shù)語(yǔ)

…動(dòng)力學(xué)建模標(biāo)準(zhǔn)非線(xiàn)性（大變形、接觸、塑性等）

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

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

…阻尼粘性阻尼粘性阻尼一般物體在液體中運(yùn)動(dòng)時(shí)存在；阻尼力與速度成正比，動(dòng)力學(xué)分析應(yīng)當(dāng)考慮粘性阻尼百分比常數(shù)c稱(chēng)作阻尼常數(shù)一般用阻尼比x（阻尼常數(shù)c對(duì)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(shí)阻尼。由于阻尼比不能在ANSYS瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析當(dāng)中指定，因此在柔體動(dòng)力學(xué)分析中不能夠使用阻尼比。對(duì)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(yè)動(dòng)力學(xué)-基本概念和術(shù)語(yǔ)

…阻尼滯后或固體阻尼材料固有屬性在動(dòng)力學(xué)分析需要考慮結(jié)識(shí)還不是很透徹，很難定量確定庫(kù)倫或干摩擦阻尼發(fā)生于物體在干摩擦面上滑移時(shí)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(dòng)力學(xué)分析中不考慮第23頁(yè)動(dòng)力學(xué)-基本概念和術(shù)語(yǔ)

…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(guò)在指定頻率阻尼比來(lái)計(jì)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(jiǎn)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(duì)象下Details指定.數(shù)值阻尼：也能夠稱(chēng)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(yè)動(dòng)力學(xué)-基本概念和術(shù)語(yǔ)

…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(duì)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(jì)算得到：b=2x/w；選用最主要反應(yīng)頻率來(lái)計(jì)算b.在AnalysisSettings

Details窗口中指定.EffectofBetaDampingonDampingRatio(AlphaDampingIgnored)b=0.0040.0030.0010.002第25頁(yè)數(shù)值阻尼并不是真正阻尼-振幅衰減因子是通過(guò)對(duì)時(shí)間積分方案進(jìn)行修改得到0.1數(shù)值阻尼將會(huì)過(guò)濾掉高頻反應(yīng)動(dòng)力學(xué)-基本概念和術(shù)語(yǔ)

…阻尼HighfrequencyresponsePrimaryFrequencyundamped第26頁(yè)不一樣行業(yè)也許通過(guò)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(duì)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(jiàn)下一頁(yè)P(yáng)PT。動(dòng)力學(xué)-基本概念和術(shù)語(yǔ)

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

…阻尼第