AnsysWorkbench動(dòng)力學(xué)分析課件

AnsysWorkbench

結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析AnsysWorkbench

結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析4.1:動(dòng)力學(xué)緒論第一節(jié)動(dòng)力學(xué)分析概述第二節(jié)動(dòng)力學(xué)研究?jī)?nèi)容第三節(jié)動(dòng)力學(xué)分析的類型4.2:模態(tài)分析第一節(jié)模態(tài)分析的含義第二節(jié)結(jié)構(gòu)動(dòng)力運(yùn)動(dòng)方程第三節(jié)模態(tài)分析步驟4.3:諧分析

第一節(jié)

諧分析目的

第二節(jié)

術(shù)語(yǔ)和概念

第三節(jié)

諧分析步驟主要內(nèi)容4.1:動(dòng)力學(xué)緒論4.3:諧分析主要內(nèi)容4.1:動(dòng)力學(xué)緒論4.1:動(dòng)力學(xué)緒論第一節(jié)動(dòng)力學(xué)分析目的及定義為什么要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析？1940年7月1日通車美國(guó)塔科曼懸索大橋1940年11月7日倒塌—風(fēng)載土木建筑、地質(zhì)工程領(lǐng)域第一節(jié)動(dòng)力學(xué)分析目的及定義為什么要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析？1交通運(yùn)輸、航空航天領(lǐng)域交通運(yùn)輸、航空航天領(lǐng)域機(jī)械、機(jī)電領(lǐng)域機(jī)械、機(jī)電領(lǐng)域什么是結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)？定義：研究結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載作用下的動(dòng)力反應(yīng)。目的：動(dòng)力荷載作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形；確定結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)規(guī)律。安全性：確定結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載作用下可能產(chǎn)生的最大內(nèi)力，作為強(qiáng)度設(shè)計(jì)的依據(jù)；舒適度：滿足舒適度條件（位移、速度和加速度不超過(guò)規(guī)范的許可值)。什么是結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)？定義：研究結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載作用下的動(dòng)力反應(yīng)。結(jié)構(gòu)動(dòng)力體系結(jié)構(gòu)體系靜力響應(yīng)輸入input輸出Output靜荷載位移內(nèi)力應(yīng)力剛度、約束桿件尺寸截面特性大小方向作用點(diǎn)數(shù)值輸入input輸出Output結(jié)構(gòu)體系動(dòng)力響應(yīng)動(dòng)荷載質(zhì)量、剛度阻尼、約束頻率、振型大小方向作用點(diǎn)時(shí)間變化時(shí)間函數(shù)動(dòng)位移加速度速度動(dòng)應(yīng)力動(dòng)力系數(shù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力體系結(jié)構(gòu)體系靜力響應(yīng)輸入輸出靜荷載位移剛度、約束桿件第二節(jié)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究的內(nèi)容第一類問(wèn)題：反應(yīng)分析（結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算）第二類問(wèn)題：參數(shù)（或稱系統(tǒng)）識(shí)別輸入（動(dòng)力荷載）結(jié)構(gòu)（系統(tǒng)）輸入（動(dòng)力荷載）結(jié)構(gòu)（系統(tǒng)）輸出（動(dòng)力反應(yīng)）輸出（動(dòng)力反應(yīng)）第二節(jié)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究的內(nèi)容第一類問(wèn)題：反應(yīng)分析（結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)第三類問(wèn)題：荷載識(shí)別輸入（動(dòng)力荷載）結(jié)構(gòu)（系統(tǒng)）輸出（動(dòng)力反應(yīng)）第四類問(wèn)題：控制問(wèn)題輸入（動(dòng)力荷載）結(jié)構(gòu)（系統(tǒng)）輸出（動(dòng)力反應(yīng)）控制系統(tǒng)（裝置、能量）第三類問(wèn)題：荷載識(shí)別輸入結(jié)構(gòu)輸出第四類問(wèn)題：控制問(wèn)題輸入結(jié)構(gòu)第三節(jié)動(dòng)力學(xué)分析類型1.動(dòng)荷載

大小、方向和作用點(diǎn)不隨時(shí)間變化或變化很緩慢的荷載。如：結(jié)構(gòu)的自重、雪荷載等。靜荷載：

大小、方向或作用點(diǎn)隨時(shí)間變化很快的荷載。是否會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著的加速度?？炻龢?biāo)準(zhǔn)：質(zhì)量運(yùn)動(dòng)加速度所引起的慣性力與荷載相比是否可以忽略顯著標(biāo)準(zhǔn)：動(dòng)荷載：?jiǎn)栴}：你知道有哪些動(dòng)荷載？第三節(jié)動(dòng)力學(xué)分析類型1.動(dòng)荷載大小、方向和作用點(diǎn)不隨第一章：結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)

（1）簡(jiǎn)諧荷載

荷載隨時(shí)間周期性變化，并可以用簡(jiǎn)諧函數(shù)來(lái)表示。

第一章：結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)

（1）簡(jiǎn)諧荷載荷載隨時(shí)間周期性

荷載隨時(shí)間作周期性變化，是時(shí)間t的周期函數(shù)，但不能簡(jiǎn)單地用簡(jiǎn)諧函數(shù)來(lái)表示。FPt（2）一般周期荷載荷載隨時(shí)間作周期性變化，是時(shí)間t的周期函數(shù)，但不能簡(jiǎn)單地用

（3）沖擊荷載

荷載的幅值(大小)在很短時(shí)間內(nèi)急劇增大或急劇減小。沖擊荷載突加荷載（3）沖擊荷載荷載的幅值(大小)在（4）隨機(jī)荷載

荷載的幅值變化復(fù)雜、難以用解析函數(shù)解析表示的荷載。風(fēng)荷載地震作用平均風(fēng)脈動(dòng)風(fēng)（4）隨機(jī)荷載荷載的幅值變化復(fù)雜、難以用解析函數(shù)解析表示的2.動(dòng)力學(xué)分析類型（1）簡(jiǎn)諧荷載（2）一般周期荷載（3）沖擊荷載（4）隨機(jī)荷載諧響應(yīng)分析瞬態(tài)分析譜分析模態(tài)分析諧波分析2.動(dòng)力學(xué)分析類型（1）簡(jiǎn)諧荷載（2）一般周期荷載（3）沖擊3.分析類型的選擇原則（1）如果在相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)載荷是一個(gè)常數(shù)，可選擇靜力分析，否則為動(dòng)態(tài)分析。（2）如果動(dòng)荷載頻率小于結(jié)構(gòu)最低階固有頻率的1/3，可進(jìn)行靜力分析。（3）載荷對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的變化可忽略時(shí)，可進(jìn)行線性分析。（4）載荷引起結(jié)構(gòu)剛度的變化很顯著時(shí)，或應(yīng)變超過(guò)彈性范圍，或兩物體間存在接觸，必須進(jìn)行非線性分析。3.分析類型的選擇原則（1）如果在相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)載荷是一個(gè)常4.2:模態(tài)分析4.2:模態(tài)分析第一節(jié)模態(tài)分析的含義模態(tài)分析是用來(lái)確定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性（固有頻率和振型）的一種技術(shù)。什么是模態(tài)分析?模態(tài)分析的好處：使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)避免共振或以特定頻率進(jìn)行振動(dòng)（例如揚(yáng)聲器）；使工程師可以認(rèn)識(shí)到結(jié)構(gòu)對(duì)于不同類型的動(dòng)力載荷是如何響應(yīng)的。

建議：在準(zhǔn)備進(jìn)行其它動(dòng)力分析之前首先要進(jìn)行第一節(jié)模態(tài)分析的含義模態(tài)分析是用來(lái)確定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性（固有第二節(jié)結(jié)構(gòu)動(dòng)力運(yùn)動(dòng)方程1.單自由度無(wú)阻尼線性系統(tǒng)Newton第二定律系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程令，則方程變?yōu)榈诙?jié)結(jié)構(gòu)動(dòng)力運(yùn)動(dòng)方程1.單自由度無(wú)阻尼線性系統(tǒng)Newto無(wú)阻尼自由振動(dòng)解的形式為：其中A與由初始條件決定A為系統(tǒng)的響應(yīng)的振幅，為系統(tǒng)的初相位為系統(tǒng)的固有頻率，Hz為系統(tǒng)的固有圓頻率，弧度/秒為系統(tǒng)的周期，s無(wú)阻尼自由振動(dòng)解的形式為：其中A與由初始條件決定A2.二自由度無(wú)阻尼線性系統(tǒng)對(duì)質(zhì)量塊m1、

m2受力分析，由Newton第二定律得方程組用矩陣表達(dá)為：2.二自由度無(wú)阻尼線性系統(tǒng)對(duì)質(zhì)量塊m1、m2受力分析，由N通用表示為：其中：表示質(zhì)量矩陣表示剛度矩陣表示加速度向量表示位移向量通用表示為：其中：表示質(zhì)量矩陣表示剛度矩陣表示加速度向量表示設(shè)方程的解為：將上式代入微分方程得：設(shè)方程的解為：將上式代入微分方程得：上述方程可求得兩個(gè)根A1、A2不全為0，則：特征方程

對(duì)于可求得,對(duì)于可求得上述方程可求得兩個(gè)根A1、A2不全為0，則：特征方程系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程：方程解為：代入振動(dòng)方程：特征方程

3.多自由度無(wú)阻尼線性系統(tǒng)即：系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程：方程解為：代入振動(dòng)方程：特征方程3.多自由頻率方程或特征多項(xiàng)式解出n個(gè)值，按升序排列為：：第i

階固有頻率：基頻。僅取決于系統(tǒng)本身的剛度、質(zhì)量等物理參數(shù)。將每一個(gè)代入方程可得到非零向量4.連續(xù)性線性系統(tǒng)可有無(wú)數(shù)個(gè)自由度，對(duì)應(yīng)于無(wú)數(shù)個(gè)模態(tài)頻率與模態(tài)振型。頻率方程或特征多項(xiàng)式解出n個(gè)值，按升序排列為：：第i特征值（模態(tài)頻率）特征向量（模態(tài)向量）振動(dòng)的形狀

n

自由度系統(tǒng)：一一對(duì)應(yīng)系統(tǒng)在各個(gè)坐標(biāo)上都將以第i

階模態(tài)頻率做簡(jiǎn)諧振動(dòng)，并且同時(shí)通過(guò)靜平衡位置。描述了系統(tǒng)做第i

階主振動(dòng)時(shí)具有的振動(dòng)形態(tài)，稱為第i

階主振型，或第

i

階模態(tài)。特征值（模態(tài)頻率）特征向量（模態(tài)向量）振動(dòng)的形狀n自第三節(jié)模態(tài)分析步驟實(shí)例–目標(biāo):在這個(gè)練習(xí)，我們的目標(biāo)是研究在一定的約束條件下如圖所示的機(jī)架的模態(tài)，得到其振動(dòng)特性。–已知條件機(jī)架是用結(jié)構(gòu)鋼制造。機(jī)架為一焊接件，并是一個(gè)連續(xù)體（無(wú)接觸）。機(jī)架被設(shè)計(jì)用于支撐一臺(tái)設(shè)備，該設(shè)備在豎直方向上傳遞400N的力。第三節(jié)模態(tài)分析步驟實(shí)例–目標(biāo):在這個(gè)練習(xí)，我們的目標(biāo)–啟動(dòng)界面在“AnalysisSystems”中選擇“Modal”，導(dǎo)入模型；雙擊“Geometry”打開(kāi)。–啟動(dòng)界面在“AnalysisSystems”中選擇“（1）添加材料庫(kù)：根據(jù)實(shí)際需求選擇或添加所需材料，添加材料時(shí)需定義材料密度、泊松比、楊氏模量等。–前處理（1）添加材料庫(kù)：根據(jù)實(shí)際需求選擇或添加所需材料，添加材料時(shí)（2）添加材料（2）添加材料（3）網(wǎng)格劃分整體單元控制：?jiǎn)卧叽鐬?0mm局部單元控制：兩根角鋼上的四個(gè)圓孔控制劃分邊長(zhǎng)為10單元（3）網(wǎng)格劃分整體單元控制：?jiǎn)卧叽鐬?0mm（4）施加載荷約束選擇8個(gè)圓柱面，添加圓柱約束，徑向固定，軸向固定，切向自由8faces（4）施加載荷約束選擇8個(gè)圓柱面，添加圓柱約束，徑向固定，軸–求解及后處理一階模態(tài)三階模態(tài)二階模態(tài)四階模態(tài)六階模態(tài)五階模態(tài)–求解及后處理一階模態(tài)三階模態(tài)二階模態(tài)四階模態(tài)六階模態(tài)五階實(shí)例–目標(biāo):在這個(gè)練習(xí)，我們的目標(biāo)是研究受拉力的懸臂梁（如下圖所示）的模態(tài)，得到其振動(dòng)特性。有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析單位：mm–已知條件懸臂梁材料為不銹鋼。所受拉力F=108N實(shí)例–目標(biāo):在這個(gè)練習(xí)，我們的目標(biāo)是研究受拉力的懸臂梁–建立項(xiàng)目

雙擊主界面Toolbox中的CustomSystemPre-StressModal（預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析），同時(shí)創(chuàng)建分析項(xiàng)目A(靜力分析)及項(xiàng)目B(模態(tài)分析)，并導(dǎo)入幾何體。–建立項(xiàng)目雙擊主界面Toolbox中的Cust–前處理（1）添加材料庫(kù)，將模型的材料設(shè)置為StainlessSteel(不銹鋼)（2）劃分網(wǎng)格，將ElementSize設(shè)置為100mm–前處理（1）添加材料庫(kù)，將模型的材料設(shè)置為Stain（3）施加載荷與約束為模型的端面添加固定約束，并施加力載荷（Force），大小為108N（3）施加載荷與約束為模型的端面添加固定約束，并施加力載荷（–模態(tài)分析在outline中的Modal選項(xiàng)中右擊，在彈出的快捷菜單中選擇Solve命令，進(jìn)行求解–后處理在outline中的Solution選項(xiàng)中右擊，在彈出的快捷菜單中選擇EquivalentAllResults命令，進(jìn)行求解在outline中的Solution中選擇TotalDeformation(總變形)，會(huì)顯示一階模態(tài)總變形分析云圖，下圖為模型的六階模態(tài)總變形分析云圖–模態(tài)分析在outline中的Modal選項(xiàng)中右擊，在彈出一階預(yù)拉應(yīng)力振型二階預(yù)拉應(yīng)力振型三階預(yù)拉應(yīng)力振型四階預(yù)拉應(yīng)力振型五階預(yù)拉應(yīng)力振型六階預(yù)拉應(yīng)力振型六階模態(tài)總變形分析云圖一階預(yù)拉應(yīng)力振型二階預(yù)拉應(yīng)力振型三階預(yù)拉應(yīng)力振型四階預(yù)拉應(yīng)力沒(méi)有預(yù)應(yīng)力前五階模態(tài)頻率預(yù)應(yīng)力為108N討論：為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的差異？沒(méi)有預(yù)應(yīng)力前五階模態(tài)頻率預(yù)應(yīng)力為108N討論：為什么會(huì)出現(xiàn)這4.3:諧響應(yīng)分析4.3:諧響應(yīng)分析轉(zhuǎn)子機(jī)械損傷污染物堆積軸彎曲軸孔偏離中心風(fēng)扇機(jī)械損傷污染物堆積軸孔偏離中心齒輪機(jī)械損傷軸孔偏離中心第一節(jié)諧響應(yīng)分析的目的簡(jiǎn)諧激勵(lì)轉(zhuǎn)子風(fēng)扇齒輪第輸入：已知大小和頻率的諧波載荷（力、壓力和強(qiáng)迫位移）；同一頻率的多種載荷，可以是同相或不同相的。輸出：每一個(gè)自由度上的諧位移，通常和施加的載荷不同相；其它多種導(dǎo)出量，例如應(yīng)力和應(yīng)變等。什么是諧響應(yīng)分析？確定一個(gè)結(jié)構(gòu)在已知頻率的正弦（簡(jiǎn)諧）載荷作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)的技術(shù)。輸入：什么是諧響應(yīng)分析？確定一個(gè)結(jié)構(gòu)在已知頻率的正弦（簡(jiǎn)諧）第二節(jié)諧響應(yīng)分析術(shù)語(yǔ)諧波激勵(lì)的下強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)其中外力幅值外力的激勵(lì)頻率振動(dòng)微分方程：m受力分析：kcx0m為諧波激勵(lì)力第二節(jié)諧響應(yīng)分析術(shù)語(yǔ)諧波激勵(lì)的下強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)其中外力幅值外力的將上式兩端同除以質(zhì)量：運(yùn)動(dòng)微分方程：令：得：式中：為阻尼比將上式兩端同除以質(zhì)量：運(yùn)動(dòng)微分方程：令：得：式中：設(shè)其解為：代入原方程，可得：分析上式可得出如下的結(jié)論：?jiǎn)巫杂啥染€性系統(tǒng)在諧波激勵(lì)下的響應(yīng)仍然是諧波。響應(yīng)頻率等于激勵(lì)頻率。振幅X與激勵(lì)的幅值A(chǔ)成比例。相位差表示響應(yīng)滯后于激勵(lì)的相位角。設(shè)其解為：代入原方程，可得：分析上式可得出如下的結(jié)論：相位差系統(tǒng)的全解為：有阻尼自由振動(dòng)的解瞬態(tài)解瞬態(tài)響應(yīng)逐漸衰減穩(wěn)態(tài)振動(dòng)的解穩(wěn)態(tài)解穩(wěn)態(tài)響應(yīng)持續(xù)等幅振動(dòng)系統(tǒng)的全解為：有阻尼自由振動(dòng)系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)：系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)：0穩(wěn)態(tài)響應(yīng)全響應(yīng)經(jīng)過(guò)充分長(zhǎng)時(shí)間后，瞬態(tài)響應(yīng)消失，只剩穩(wěn)態(tài)強(qiáng)迫振動(dòng)。系統(tǒng)的全響應(yīng)：系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)：系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響對(duì)連續(xù)體的通用運(yùn)動(dòng)方程諧響應(yīng)分析的運(yùn)動(dòng)方程:[F]矩陣和{x}矩陣是簡(jiǎn)諧的，頻率為

:對(duì)連續(xù)體的通用運(yùn)動(dòng)方程諧響應(yīng)分析的運(yùn)動(dòng)方程:[F]矩陣和機(jī)架被設(shè)計(jì)用于支撐一臺(tái)設(shè)備，該設(shè)備在豎直方向上傳遞400N的力，并以200Hz頻率運(yùn)行。該設(shè)備被連接在與其它相互作用60度相位差的兩個(gè)不同位置上。結(jié)構(gòu)鋼的阻尼比率被認(rèn)為是常數(shù)0.2。第三節(jié)諧分析步驟實(shí)例–目標(biāo):我們的目標(biāo)是研究如圖所示的機(jī)架的諧響應(yīng)。在給定頻率的作用下，確定機(jī)架的頻率響應(yīng)與應(yīng)力、變形狀況。–已知條件機(jī)架被設(shè)計(jì)用于支撐一臺(tái)設(shè)備，該設(shè)備在豎直方向上傳遞400N的–啟動(dòng)諧響應(yīng)分析界面將諧響應(yīng)分析模塊拖入模態(tài)分析實(shí)例1的項(xiàng)目流程圖的模態(tài)分析Model單元格上，共用模態(tài)分析數(shù)據(jù)，雙擊Step進(jìn)入諧響應(yīng)分析環(huán)境。–啟動(dòng)諧響應(yīng)分析界面將諧響應(yīng)分析模塊拖入模態(tài)分析實(shí)例1的項(xiàng)-前處理指定頻率范圍最大值為300Hz，取150個(gè)頻率點(diǎn)結(jié)果，設(shè)置阻尼比為0.02（1）諧響應(yīng)分析設(shè)置-前處理指定頻率范圍最大值為300Hz，取150個(gè)頻率點(diǎn)結(jié)果（2）載荷施加及邊界圓柱約束：復(fù)制模態(tài)分析中的圓柱約束載荷施加：每根角鋼上的兩個(gè)圓柱孔作為一個(gè)對(duì)象，各施加載荷400N，

中間角鋼的相位角為60°（2）載荷施加及邊界圓柱約束：復(fù)制模態(tài)分析中的圓柱約束-求解設(shè)置添加結(jié)果工具條中的頻率響應(yīng)、結(jié)構(gòu)總變形、結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力-求解設(shè)置添加結(jié)果工具條中的頻率響應(yīng)、結(jié)構(gòu)總變形、結(jié)構(gòu)等效應(yīng)-后處理選擇安裝孔頂邊，設(shè)置方向?yàn)閅方向，求解查看頻率響應(yīng)結(jié)果（1）頻率響應(yīng)-后處理選擇安裝孔頂邊，設(shè)置方向?yàn)閅方向，求解查看頻率響應(yīng)結(jié)（2）諧振頻率下的結(jié)構(gòu)總變形從頻率響應(yīng)結(jié)果得到響應(yīng)頻率為148Hz，相位角為58.523°，此時(shí)結(jié)構(gòu)總變形響應(yīng)如下：（2）諧振頻率下的結(jié)構(gòu)總變形從頻率響應(yīng)結(jié)果得到響應(yīng)頻率為14（3）諧振頻率下的結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力響應(yīng)頻率148Hz，相位角59.097°下結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力響應(yīng)如下：（3）諧振頻率下的結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力響應(yīng)頻率148Hz，相位角59（4）指定頻率時(shí)變形的相位響應(yīng)指定頻率為200Hz，可得輸出變形的相位為-50.622°（4）指定頻率時(shí)變形的相位響應(yīng)指定頻率為200Hz，可得輸出（5）指定頻率時(shí)等效應(yīng)力及變形指定頻率為200Hz，相位為-50.622°時(shí)等效應(yīng)力及變形（5）指定頻率時(shí)等效應(yīng)力及變形指定頻率為200Hz，相位為-AnsysWorkbench

結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析AnsysWorkbench

結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析4.1:動(dòng)力學(xué)緒論第一節(jié)動(dòng)力學(xué)分析概述第二節(jié)動(dòng)力學(xué)研究?jī)?nèi)容第三節(jié)動(dòng)力學(xué)分析的類型4.2:模態(tài)分析第一節(jié)模態(tài)分析的含義第二節(jié)結(jié)構(gòu)動(dòng)力運(yùn)動(dòng)方程第三節(jié)模態(tài)分析步驟4.3:諧分析

第一節(jié)

諧分析目的

第二節(jié)

術(shù)語(yǔ)和概念

第三節(jié)

諧分析步驟主要內(nèi)容4.1:動(dòng)力學(xué)緒論4.3:諧分析主要內(nèi)容4.1:動(dòng)力學(xué)緒論4.1:動(dòng)力學(xué)緒論第一節(jié)動(dòng)力學(xué)分析目的及定義為什么要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析？1940年7月1日通車美國(guó)塔科曼懸索大橋1940年11月7日倒塌—風(fēng)載土木建筑、地質(zhì)工程領(lǐng)域第一節(jié)動(dòng)力學(xué)分析目的及定義為什么要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析？1交通運(yùn)輸、航空航天領(lǐng)域交通運(yùn)輸、航空航天領(lǐng)域機(jī)械、機(jī)電領(lǐng)域機(jī)械、機(jī)電領(lǐng)域什么是結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)？定義：研究結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載作用下的動(dòng)力反應(yīng)。目的：動(dòng)力荷載作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形；確定結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)規(guī)律。安全性：確定結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載作用下可能產(chǎn)生的最大內(nèi)力，作為強(qiáng)度設(shè)計(jì)的依據(jù)；舒適度：滿足舒適度條件（位移、速度和加速度不超過(guò)規(guī)范的許可值)。什么是結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)？定義：研究結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載作用下的動(dòng)力反應(yīng)。結(jié)構(gòu)動(dòng)力體系結(jié)構(gòu)體系靜力響應(yīng)輸入input輸出Output靜荷載位移內(nèi)力應(yīng)力剛度、約束桿件尺寸截面特性大小方向作用點(diǎn)數(shù)值輸入input輸出Output結(jié)構(gòu)體系動(dòng)力響應(yīng)動(dòng)荷載質(zhì)量、剛度阻尼、約束頻率、振型大小方向作用點(diǎn)時(shí)間變化時(shí)間函數(shù)動(dòng)位移加速度速度動(dòng)應(yīng)力動(dòng)力系數(shù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力體系結(jié)構(gòu)體系靜力響應(yīng)輸入輸出靜荷載位移剛度、約束桿件第二節(jié)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究的內(nèi)容第一類問(wèn)題：反應(yīng)分析（結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算）第二類問(wèn)題：參數(shù)（或稱系統(tǒng)）識(shí)別輸入（動(dòng)力荷載）結(jié)構(gòu)（系統(tǒng)）輸入（動(dòng)力荷載）結(jié)構(gòu)（系統(tǒng)）輸出（動(dòng)力反應(yīng)）輸出（動(dòng)力反應(yīng)）第二節(jié)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究的內(nèi)容第一類問(wèn)題：反應(yīng)分析（結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)第三類問(wèn)題：荷載識(shí)別輸入（動(dòng)力荷載）結(jié)構(gòu)（系統(tǒng)）輸出（動(dòng)力反應(yīng)）第四類問(wèn)題：控制問(wèn)題輸入（動(dòng)力荷載）結(jié)構(gòu)（系統(tǒng)）輸出（動(dòng)力反應(yīng)）控制系統(tǒng)（裝置、能量）第三類問(wèn)題：荷載識(shí)別輸入結(jié)構(gòu)輸出第四類問(wèn)題：控制問(wèn)題輸入結(jié)構(gòu)第三節(jié)動(dòng)力學(xué)分析類型1.動(dòng)荷載

大小、方向和作用點(diǎn)不隨時(shí)間變化或變化很緩慢的荷載。如：結(jié)構(gòu)的自重、雪荷載等。靜荷載：

大小、方向或作用點(diǎn)隨時(shí)間變化很快的荷載。是否會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著的加速度。快慢標(biāo)準(zhǔn)：質(zhì)量運(yùn)動(dòng)加速度所引起的慣性力與荷載相比是否可以忽略顯著標(biāo)準(zhǔn)：動(dòng)荷載：?jiǎn)栴}：你知道有哪些動(dòng)荷載？第三節(jié)動(dòng)力學(xué)分析類型1.動(dòng)荷載大小、方向和作用點(diǎn)不隨第一章：結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)

（1）簡(jiǎn)諧荷載

荷載隨時(shí)間周期性變化，并可以用簡(jiǎn)諧函數(shù)來(lái)表示。

第一章：結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)

（1）簡(jiǎn)諧荷載荷載隨時(shí)間周期性

荷載隨時(shí)間作周期性變化，是時(shí)間t的周期函數(shù)，但不能簡(jiǎn)單地用簡(jiǎn)諧函數(shù)來(lái)表示。FPt（2）一般周期荷載荷載隨時(shí)間作周期性變化，是時(shí)間t的周期函數(shù)，但不能簡(jiǎn)單地用

（3）沖擊荷載

荷載的幅值(大小)在很短時(shí)間內(nèi)急劇增大或急劇減小。沖擊荷載突加荷載（3）沖擊荷載荷載的幅值(大小)在（4）隨機(jī)荷載

荷載的幅值變化復(fù)雜、難以用解析函數(shù)解析表示的荷載。風(fēng)荷載地震作用平均風(fēng)脈動(dòng)風(fēng)（4）隨機(jī)荷載荷載的幅值變化復(fù)雜、難以用解析函數(shù)解析表示的2.動(dòng)力學(xué)分析類型（1）簡(jiǎn)諧荷載（2）一般周期荷載（3）沖擊荷載（4）隨機(jī)荷載諧響應(yīng)分析瞬態(tài)分析譜分析模態(tài)分析諧波分析2.動(dòng)力學(xué)分析類型（1）簡(jiǎn)諧荷載（2）一般周期荷載（3）沖擊3.分析類型的選擇原則（1）如果在相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)載荷是一個(gè)常數(shù)，可選擇靜力分析，否則為動(dòng)態(tài)分析。（2）如果動(dòng)荷載頻率小于結(jié)構(gòu)最低階固有頻率的1/3，可進(jìn)行靜力分析。（3）載荷對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的變化可忽略時(shí)，可進(jìn)行線性分析。（4）載荷引起結(jié)構(gòu)剛度的變化很顯著時(shí)，或應(yīng)變超過(guò)彈性范圍，或兩物體間存在接觸，必須進(jìn)行非線性分析。3.分析類型的選擇原則（1）如果在相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)載荷是一個(gè)常4.2:模態(tài)分析4.2:模態(tài)分析第一節(jié)模態(tài)分析的含義模態(tài)分析是用來(lái)確定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性（固有頻率和振型）的一種技術(shù)。什么是模態(tài)分析?模態(tài)分析的好處：使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)避免共振或以特定頻率進(jìn)行振動(dòng)（例如揚(yáng)聲器）；使工程師可以認(rèn)識(shí)到結(jié)構(gòu)對(duì)于不同類型的動(dòng)力載荷是如何響應(yīng)的。

建議：在準(zhǔn)備進(jìn)行其它動(dòng)力分析之前首先要進(jìn)行第一節(jié)模態(tài)分析的含義模態(tài)分析是用來(lái)確定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性（固有第二節(jié)結(jié)構(gòu)動(dòng)力運(yùn)動(dòng)方程1.單自由度無(wú)阻尼線性系統(tǒng)Newton第二定律系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程令，則方程變?yōu)榈诙?jié)結(jié)構(gòu)動(dòng)力運(yùn)動(dòng)方程1.單自由度無(wú)阻尼線性系統(tǒng)Newto無(wú)阻尼自由振動(dòng)解的形式為：其中A與由初始條件決定A為系統(tǒng)的響應(yīng)的振幅，為系統(tǒng)的初相位為系統(tǒng)的固有頻率，Hz為系統(tǒng)的固有圓頻率，弧度/秒為系統(tǒng)的周期，s無(wú)阻尼自由振動(dòng)解的形式為：其中A與由初始條件決定A2.二自由度無(wú)阻尼線性系統(tǒng)對(duì)質(zhì)量塊m1、

m2受力分析，由Newton第二定律得方程組用矩陣表達(dá)為：2.二自由度無(wú)阻尼線性系統(tǒng)對(duì)質(zhì)量塊m1、m2受力分析，由N通用表示為：其中：表示質(zhì)量矩陣表示剛度矩陣表示加速度向量表示位移向量通用表示為：其中：表示質(zhì)量矩陣表示剛度矩陣表示加速度向量表示設(shè)方程的解為：將上式代入微分方程得：設(shè)方程的解為：將上式代入微分方程得：上述方程可求得兩個(gè)根A1、A2不全為0，則：特征方程

對(duì)于可求得,對(duì)于可求得上述方程可求得兩個(gè)根A1、A2不全為0，則：特征方程系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程：方程解為：代入振動(dòng)方程：特征方程

3.多自由度無(wú)阻尼線性系統(tǒng)即：系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程：方程解為：代入振動(dòng)方程：特征方程3.多自由頻率方程或特征多項(xiàng)式解出n個(gè)值，按升序排列為：：第i

階固有頻率：基頻。僅取決于系統(tǒng)本身的剛度、質(zhì)量等物理參數(shù)。將每一個(gè)代入方程可得到非零向量4.連續(xù)性線性系統(tǒng)可有無(wú)數(shù)個(gè)自由度，對(duì)應(yīng)于無(wú)數(shù)個(gè)模態(tài)頻率與模態(tài)振型。頻率方程或特征多項(xiàng)式解出n個(gè)值，按升序排列為：：第i特征值（模態(tài)頻率）特征向量（模態(tài)向量）振動(dòng)的形狀

n

自由度系統(tǒng)：一一對(duì)應(yīng)系統(tǒng)在各個(gè)坐標(biāo)上都將以第i

階模態(tài)頻率做簡(jiǎn)諧振動(dòng)，并且同時(shí)通過(guò)靜平衡位置。描述了系統(tǒng)做第i

階主振動(dòng)時(shí)具有的振動(dòng)形態(tài)，稱為第i

階主振型，或第

i

階模態(tài)。特征值（模態(tài)頻率）特征向量（模態(tài)向量）振動(dòng)的形狀n自第三節(jié)模態(tài)分析步驟實(shí)例–目標(biāo):在這個(gè)練習(xí)，我們的目標(biāo)是研究在一定的約束條件下如圖所示的機(jī)架的模態(tài)，得到其振動(dòng)特性。–已知條件機(jī)架是用結(jié)構(gòu)鋼制造。機(jī)架為一焊接件，并是一個(gè)連續(xù)體（無(wú)接觸）。機(jī)架被設(shè)計(jì)用于支撐一臺(tái)設(shè)備，該設(shè)備在豎直方向上傳遞400N的力。第三節(jié)模態(tài)分析步驟實(shí)例–目標(biāo):在這個(gè)練習(xí)，我們的目標(biāo)–啟動(dòng)界面在“AnalysisSystems”中選擇“Modal”，導(dǎo)入模型；雙擊“Geometry”打開(kāi)。–啟動(dòng)界面在“AnalysisSystems”中選擇“（1）添加材料庫(kù)：根據(jù)實(shí)際需求選擇或添加所需材料，添加材料時(shí)需定義材料密度、泊松比、楊氏模量等。–前處理（1）添加材料庫(kù)：根據(jù)實(shí)際需求選擇或添加所需材料，添加材料時(shí)（2）添加材料（2）添加材料（3）網(wǎng)格劃分整體單元控制：?jiǎn)卧叽鐬?0mm局部單元控制：兩根角鋼上的四個(gè)圓孔控制劃分邊長(zhǎng)為10單元（3）網(wǎng)格劃分整體單元控制：?jiǎn)卧叽鐬?0mm（4）施加載荷約束選擇8個(gè)圓柱面，添加圓柱約束，徑向固定，軸向固定，切向自由8faces（4）施加載荷約束選擇8個(gè)圓柱面，添加圓柱約束，徑向固定，軸–求解及后處理一階模態(tài)三階模態(tài)二階模態(tài)四階模態(tài)六階模態(tài)五階模態(tài)–求解及后處理一階模態(tài)三階模態(tài)二階模態(tài)四階模態(tài)六階模態(tài)五階實(shí)例–目標(biāo):在這個(gè)練習(xí)，我們的目標(biāo)是研究受拉力的懸臂梁（如下圖所示）的模態(tài)，得到其振動(dòng)特性。有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析單位：mm–已知條件懸臂梁材料為不銹鋼。所受拉力F=108N實(shí)例–目標(biāo):在這個(gè)練習(xí)，我們的目標(biāo)是研究受拉力的懸臂梁–建立項(xiàng)目

雙擊主界面Toolbox中的CustomSystemPre-StressModal（預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析），同時(shí)創(chuàng)建分析項(xiàng)目A(靜力分析)及項(xiàng)目B(模態(tài)分析)，并導(dǎo)入幾何體。–建立項(xiàng)目雙擊主界面Toolbox中的Cust–前處理（1）添加材料庫(kù)，將模型的材料設(shè)置為StainlessSteel(不銹鋼)（2）劃分網(wǎng)格，將ElementSize設(shè)置為100mm–前處理（1）添加材料庫(kù)，將模型的材料設(shè)置為Stain（3）施加載荷與約束為模型的端面添加固定約束，并施加力載荷（Force），大小為108N（3）施加載荷與約束為模型的端面添加固定約束，并施加力載荷（–模態(tài)分析在outline中的Modal選項(xiàng)中右擊，在彈出的快捷菜單中選擇Solve命令，進(jìn)行求解–后處理在outline中的Solution選項(xiàng)中右擊，在彈出的快捷菜單中選擇EquivalentAllResults命令，進(jìn)行求解在outline中的Solution中選擇TotalDeformation(總變形)，會(huì)顯示一階模態(tài)總變形分析云圖，下圖為模型的六階模態(tài)總變形分析云圖–模態(tài)分析在outline中的Modal選項(xiàng)中右擊，在彈出一階預(yù)拉應(yīng)力振型二階預(yù)拉應(yīng)力振型三階預(yù)拉應(yīng)力振型四階預(yù)拉應(yīng)力振型五階預(yù)拉應(yīng)力振型六階預(yù)拉應(yīng)力振型六階模態(tài)總變形分析云圖一階預(yù)拉應(yīng)力振型二階預(yù)拉應(yīng)力振型三階預(yù)拉應(yīng)力振型四階預(yù)拉應(yīng)力沒(méi)有預(yù)應(yīng)力前五階模態(tài)頻率預(yù)應(yīng)力為108N討論：為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的差異？沒(méi)有預(yù)應(yīng)力前五階模態(tài)頻率預(yù)應(yīng)力為108N討論：為什么會(huì)出現(xiàn)這4.3:諧響應(yīng)分析4.3:諧響應(yīng)分析轉(zhuǎn)子機(jī)械損傷污染物堆積軸彎曲軸孔偏離中心風(fēng)扇機(jī)械損傷污染物堆積軸孔偏離中心齒輪機(jī)械損傷軸孔偏離中心第一節(jié)諧響應(yīng)分析的目的簡(jiǎn)諧激勵(lì)轉(zhuǎn)子風(fēng)扇齒輪第輸入：已知大小和頻率的諧波載荷（力、壓力和強(qiáng)迫位移）；同一頻率的多種載荷，可以是同相或不同相的。輸出：每一個(gè)自由度上的諧位移，通常和施加的載荷不同相；其它多種導(dǎo)出量，例如應(yīng)力和應(yīng)變等。什么是諧響應(yīng)分析？確定一個(gè)結(jié)構(gòu)在已知頻率的正弦（簡(jiǎn)諧）載荷作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)的技術(shù)。輸入：什么是諧響應(yīng)分析？確定一個(gè)結(jié)構(gòu)在已知頻率的正弦（簡(jiǎn)諧）第二節(jié)諧響應(yīng)分析術(shù)語(yǔ)諧波激勵(lì)的下強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)其中外力幅值外力的激勵(lì)頻率振動(dòng)微分方程：m受力分析：kcx0m為諧波激勵(lì)力第二節(jié)諧響應(yīng)分析術(shù)語(yǔ)諧波激勵(lì)的下強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)其中外力幅值外力的將上式兩端同除以質(zhì)量：運(yùn)動(dòng)微分方程：令：得：式中：為阻尼比將上式兩端同除以質(zhì)量：運(yùn)動(dòng)微分方程：令：得：式中：設(shè)其解為：代入原方程，可得：分析上式可得出如下的結(jié)論：?jiǎn)巫杂啥染€性系統(tǒng)在諧波激勵(lì)下的響應(yīng)仍然是諧波。響應(yīng)頻率等于激勵(lì)頻率。振幅X與激勵(lì)的幅值A(chǔ)成比例。相位差表示響應(yīng)滯后于激勵(lì)的相位角。設(shè)其解為：代入原方程，可得：分析上式可得出如下的結(jié)論：相位差系統(tǒng)的全解為：