動力學(xué)瞬態(tài)動力分析

1、動力學(xué)瞬態(tài)動力分析第1頁，共51頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)3分，星期一第4章：瞬態(tài)動力分析第一節(jié)：瞬態(tài)動力分析的定義和目的第二節(jié)：瞬態(tài)分析狀態(tài)的基本術(shù)語和概念第三節(jié)：在ANSYS中如何進(jìn)行瞬態(tài)分析第四節(jié)：瞬態(tài)分析實(shí)例第2頁，共51頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)3分，星期一瞬態(tài)分析第一節(jié)：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。第3頁，共51頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)3分，星期一瞬態(tài)分析定義和目的（接上頁）瞬態(tài)動力分析可以應(yīng)用在以下設(shè)計(jì)中：承受各

2、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。第4頁，共51頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)3分，星期一瞬態(tài)分析第二節(jié)：術(shù)語和概念包括的主題如下：運(yùn)動方程求解方法積分時間步長第5頁，共51頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)3分，星期一瞬態(tài)分析 術(shù)語和概念運(yùn)動方程用于瞬態(tài)動力分析的運(yùn)動方程和通用運(yùn)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

3、、接觸、塑性等等。第6頁，共51頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)3分，星期一瞬態(tài)分析- 術(shù)語和概念求解方法求解運(yùn)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7頁，共51頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)3分，星期一瞬態(tài)分析 術(shù)語和概念求解方法 （接上頁）運(yùn)動方程的兩種求解法：模態(tài)疊加法（在后面討論）直接積分法：運(yùn)動方程可以直接對時間按步積分。在每個時間點(diǎn)( time = 0, Dt , 2Dt, 3Dt,.) ，需求解一組聯(lián)立的靜態(tài)平衡方程（F=ma）；關(guān)于位移、速度和加速度隨時間是如何變化，作了假設(shè)（積分方法）；理論上有不同的積分方法：比如Centr

4、al difference, Average acceleration, Houbolt, WilsonQ, Newmark 等。第8頁，共51頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)3分，星期一瞬態(tài)分析 術(shù)語和概念求解方法 （接上頁）直接積分法（接上頁）：ANSYS提供了兩種積分方案Newmark 和 HHT，Newmark為缺省的積分方法:不同的a 和 d 值將導(dǎo)致積分方法的變化（顯式/隱式/平均加速度）。Newmark是一種隱式方法。ANSYS/LS-DYNA使用顯式方法。顯式和隱式前面已作討論。第9頁，共51頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)3分，星期一瞬態(tài)分析- 術(shù)語和概念求解方法（接上頁

5、）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；不允許非線性（除間隙外）；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；允許非線性特性;在本手冊中的全部討論都是基于此種方法。第10頁，共51頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)3分，星期一瞬態(tài)分析- 術(shù)語和概念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(diǎn)到另一個時間點(diǎn)的時間增量 Dt ；積分時間

6、步長決定求解的精確度，因而其數(shù)值應(yīng)仔細(xì)選取;瞬態(tài)分析中，對于縮減法和模態(tài)疊加法，ITS是一個常數(shù)；瞬態(tài)分析中，對于完全法，在使用者定義的范圍（以后討論）內(nèi)，ANSYS能夠自動調(diào)節(jié)時間步長。ITS 應(yīng)足夠小以獲取下列數(shù)據(jù)：響應(yīng)頻率接觸頻率（如果存在的話）波傳播效應(yīng)（如果存在的話）非線性響應(yīng)（塑性、蠕變及接觸狀態(tài)）第11頁，共51頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)3分，星期一瞬態(tài)分析 - 術(shù)語和概念積分時間步長（接上頁）響應(yīng)頻率不同類型載荷會在結(jié)構(gòu)中激發(fā)不同的自然頻率（響應(yīng)頻率）；響應(yīng)頻率是載荷引起全部頻率的加權(quán)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

7、間點(diǎn)應(yīng)是足夠的，即：Dt = 1/20 f式中 ，f 是所關(guān)心的最高響應(yīng)頻率。求解時，完全法給出響應(yīng)頻率和在每個周期的每個時間點(diǎn)的編號；目的是保持每個周期20個點(diǎn)；ANSYS自動增加和減少ITS來保證每個周期默認(rèn)有20個點(diǎn)。響應(yīng)周期第12頁，共51頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)3分，星期一瞬態(tài)分析 - 術(shù)語和概念積分時間步長（接上頁）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(diǎn)，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。求解過程中，將給出響應(yīng)頻率和接觸

8、頻率。第13頁，共51頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)3分，星期一瞬態(tài)分析 - 術(shù)語和概念積分時間步長（接上頁）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）可能對此更為適用第14頁，共51頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)3分，星期一瞬態(tài)分析 - 術(shù)語和概念積分時間步長（接上頁）非線性響應(yīng)完全法的瞬態(tài)分析能夠包含各種非線性特性；非線性特性可以歸納為3種類型； -材料非線性（塑性、蠕變、超彈性）; -幾何非線性（大應(yīng)力、大轉(zhuǎn)角、屈曲）； -單元非線性（接觸、纜繩）。 在

9、每個時間點(diǎn)，非線性要求迭代求解；這些迭代被稱為平衡迭代；一般小的ITS有助于快速收斂；塑性、蠕變和摩擦非線性本質(zhì)上是非保守的。這些非線性要求精度的加載歷程。小的ITS有助于精度描述加載歷程；捕捉接觸狀態(tài)也要求小的ITS;實(shí)例：球撞擊平板的例子: - 在大的Dt時，球穿透平板 - 如果球穿透過多（超過球半徑），接觸將探測不到At time = tAt time = t+Dt第15頁，共51頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)3分，星期一瞬態(tài)分析 - 術(shù)語和概念積分時間步長（接上頁）如何選擇一個好的ITS呢？ANSYS推薦的辦法是激活自動時間步長（AUTOTS），然后提供Dtinitial , Dt

10、min 和 Dtmax 。ANSYS用自動時間步長算法決定最優(yōu)的Dt值。 例如：如果AUTOTS開始時是Dtinitial= 1 秒， Dtmin= 0.01 秒,并且 Dtmax= 10 秒;ANSYS開始計(jì)算時ITS=1秒，并且允許ITS的值在0.01和10之間變化。完全瞬態(tài)分析時，AUTOTS默認(rèn)為打開?？s減法和模態(tài)疊加法時，不允許使用AUTOTSAUTOTS在下列情況下將減少ITS（不小于Dtmin ）:-在響應(yīng)頻率少于20個點(diǎn)時-求解不收斂-求解很大數(shù)目的平衡方程（收斂緩慢）-在一個時間步內(nèi)塑性應(yīng)變累計(jì)超過15%-蠕變率超過0.1-如果接觸狀態(tài)將改變（大部分的接觸單元的KEYOPT(

11、7)來控制）第16頁，共51頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)3分，星期一瞬態(tài)分析第三節(jié)：步驟在此節(jié)中只討論完整矩陣五個主要步驟：建模選擇分析類型和選項(xiàng)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17頁，共51頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)3分，星期一瞬態(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！其余參見第一章建模所要考慮的問題第18頁，共51頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)3分，星期一瞬態(tài)分析步驟選擇分析類型和選項(xiàng)建模選擇分析類型和選項(xiàng)：進(jìn)入求解器并選擇瞬態(tài)分析選擇完全瞬態(tài)求解求解方法和其它選項(xiàng)- 將在下面討論阻尼 將在下面討論第19頁，共51頁，2022年，5月2

12、0日，15點(diǎn)3分，星期一瞬態(tài)分析步驟選擇分析類型和選項(xiàng)（接上頁）求解方法和其它選項(xiàng)選擇大位移或小位移分析方法不確定時選擇大位移瞬態(tài)分析法指定加載步結(jié)束時的時間自動時間步長（后面討論）指定初始時當(dāng)前載荷步最小和最大值Dt指定輸出控制（后面討論）第20頁，共51頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)3分，星期一瞬態(tài)分析步驟選擇分析類型和選項(xiàng)（接上頁）自動時間步長在瞬態(tài)分析時自動計(jì)算合適的ITS建議選中該選項(xiàng)，并且指定最小和最大的ITS值如果有非線性，選中“Program Chose”選項(xiàng)第21頁，共51頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)3分，星期一瞬態(tài)分析步驟選擇分析類型和選項(xiàng)（接上頁）輸出控制用來決

13、定結(jié)果文件中寫進(jìn)哪些計(jì)算結(jié)果使用OUTRES命令或主菜單選擇Solution Soln Control. Basic 典型的選擇是將每個子步的所有結(jié)果都寫入結(jié)果文件允許擬合計(jì)算結(jié)果隨時間的曲線圖可能導(dǎo)致結(jié)果文件過大第22頁，共51頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)3分，星期一瞬態(tài)分析步驟選擇分析類型和選項(xiàng)（接上頁）打開/關(guān)閉瞬態(tài)效果對設(shè)置初始條件有作用（后面討論）斜坡載荷或階梯載荷 指定阻尼（后面討論）時間積分參數(shù)使用缺省值第23頁，共51頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)3分，星期一瞬態(tài)分析步驟選擇分析類型和選項(xiàng)（接上頁）阻尼 和b阻尼均可用；在大多數(shù)情況下，忽略阻尼（粘性阻尼），僅規(guī)定b阻

14、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）。材料阻尼（如橡膠）和單元阻尼（如振蕩器）都可以使用第24頁，共51頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)3分，星期一瞬態(tài)分析步驟選擇分析類型和選項(xiàng)（接上頁）選擇求解器 ANSYS默認(rèn)選擇Sparse求解器；對于較大問題（自由度個數(shù)大于100000）使用PCG求解器第25頁，共51頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)3分，星期一瞬態(tài)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(xiàng)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(diǎn)（約束）對稱條件重力初始條件

15、將在下面討論第26頁，共51頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)3分，星期一瞬態(tài)分析步驟規(guī)定邊界條件和初始條件（接上頁）初始條件瞬態(tài)分析需要指定初始位移u0和初始速度v0它們的缺省值為， u0 = v0 = a0 = 0 可能要求非零初始條件的實(shí)例：飛機(jī)著陸 (v00)高爾夫球棒擊球 (v00)物體跌落試驗(yàn) (a00)第27頁，共51頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)3分，星期一瞬態(tài)分析步驟規(guī)定邊界條件和初始條件（接上頁）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； (u0 已知, v0 =

16、0)用于需要施加非零初始加速度時。使用IC 命令Solution Define Loads Apply Initial Conditn 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。第28頁，共51頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)3分，星期一瞬態(tài)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(xiàng)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三種施加方法：函數(shù)工具列表輸入法多載荷步施加法LoadtLoadtLoadt第29頁，共51頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)3分，星期一瞬態(tài)分析步驟施加時間-歷程載荷并求解（接上

17、頁）函數(shù)工具允許施加復(fù)雜的邊界條件。為了進(jìn)入函數(shù)編輯器，選擇： Solution Define Loads Apply Functions Define/Edit建議：如果邊界條件可以直接用列表輸入法（后面介紹）表示就不要使用函數(shù)工具。第30頁，共51頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)3分，星期一0.5Forcet瞬態(tài)分析步驟施加時間-歷程載荷并求解（接上頁）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 Define Loads A

18、pply Structural Force/Moment On Nodes ，然后拾取所需節(jié)點(diǎn)22.5101.01.5第31頁，共51頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)3分，星期一瞬態(tài)分析步驟施加時間-歷程載荷并求解（接上頁）2.選擇力方向和 “New table”， 然后OK；3.輸入表名和行數(shù)（時間點(diǎn)的數(shù)量），然后OK；4.填入時間和載荷值，然后File Apply/Quit；第32頁，共51頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)3分，星期一瞬態(tài)分析步驟施加時間-歷程載荷并求解（接上頁）5.規(guī)定終止時間和積分時間步長Solution Load Step Opts Time/Frequenc T

19、ime - Time Step不必指定載荷的分步或線性條件，這已包含在載荷曲線中6.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(diǎn)時間DELTIM，0.002，0.001，0.1! 起始,最小和最大 ITSAUTOTS，ONOUTRES，SOLVE第33頁，共51頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)3分，星期一瞬態(tài)分析步驟施加時間-歷程載荷并求解（接上頁）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部分載荷；不必用數(shù)組參數(shù)，只需施加每段載荷并且求解該載荷步或者將其寫入一個載荷步文件中 (LSWRITE)。第34頁，共51頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)3

20、分，星期一瞬態(tài)分析步驟施加時間-歷程載荷并求解（接上頁）實(shí)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(jì)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(diǎn)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。*將在后面討論多載荷步法（接上頁）第35頁，共51頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)3分，星期一瞬態(tài)分析步驟施加時間-歷程載荷并求解命令（接上頁）!

21、 Load step 1F， ! 在指定的節(jié)點(diǎn)上定義力22.5TIME，0.5 ! 終點(diǎn)時間DELTIM， ! 積分時間步長KBC，0 ! 斜坡載荷AUTOTS，ONOUTRES，SOLVE ! 或LSWRITE第36頁，共51頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)3分，星期一瞬態(tài)分析步驟施加時間-歷程載荷并求解（接上頁）3.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。第37頁，共51頁，2022

22、年，5月20日，15點(diǎn)3分，星期一瞬態(tài)分析步驟施加時間-歷程載荷并求解命令（接上頁）! 載荷步 2F，! 在指定的節(jié)點(diǎn)上定義力10.0 TIME，1.0! 終點(diǎn)時間SOLVE! 或 LSWRITE! 載荷步 3FDELE，! 刪除力TIME，1.5! 終點(diǎn)時間KBC，1! 階梯載荷SOLVE! 或LSWRITE第38頁，共51頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)3分，星期一瞬態(tài)分析步驟施加時間-歷程載荷并求解（接上頁）自動時間步長采用一種算法自動計(jì)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(xiàng)注意: 在ANSYS 中，總體

23、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)第39頁，共51頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)3分，星期一瞬態(tài)分析步驟施加時間-歷程載荷并求解（接上頁）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 Output Ctrls DB/Results File. 典型的選擇是對每個子步將全部項(xiàng)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第40頁，共51頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)3分，星期一瞬態(tài)分析步驟

24、施加時間-歷程載荷并求解（接上頁）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(jì)算載荷值典型命令:SOLVE! 或 LSSOLVEFINISH第41頁，共51頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)3分，星期一瞬態(tài)分析結(jié)果察看結(jié)果建模選擇分析類型和選項(xiàng)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(diǎn)的結(jié)果-時間曲線確定臨界時間點(diǎn)察看在這些臨界時間點(diǎn)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51頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)3分，星期一瞬態(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