ANSYS結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析.ppt

1、ANSYS結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析、ANSYS結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析、1結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)分析的必要性、實(shí)際結(jié)構(gòu)經(jīng)常受到各種時間變化的外負(fù)荷作用，慣性力(inertia force )或衰減力(damping force )有所增大， 在力平衡方程中時必須考慮的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的靜力學(xué)平衡方程可以用下式表示：慣性力和阻尼力越大，系統(tǒng)的受力平衡方程為：動力效果什么時候需要考慮到力平衡方程的動力效果被稱為“一盞茶大”？ 最安全的方法之一是始終不忽略動力效應(yīng)，或者每次進(jìn)行一次靜力分析和動力分析，兩次分析的結(jié)果之差在允許范圍內(nèi)(結(jié)果之差在5%以內(nèi))，即表示動力效應(yīng)可以忽略，相反表示不能忽略。 通?？梢允褂媒Y(jié)構(gòu)體系的“主彈性自然頻率

2、”(fundamental natural frequency )，也就是基頻。 當(dāng)結(jié)構(gòu)運(yùn)動時，如果其變形的頻率小于或等于結(jié)構(gòu)的基頻的1/3，則不需要考慮動力效應(yīng)。 結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析的范圍很廣，如路面上行駛的汽車相互碰撞分析、飛機(jī)自振頻率和振動型分析、房屋和橋梁的抗震能力分析等。 作為一種通用的結(jié)構(gòu)分析軟件，ANSYS提供了較全面的結(jié)構(gòu)動力學(xué)功能，包括瞬態(tài)動力分析、模態(tài)分析、諧振響應(yīng)分析和頻譜分析4種動力學(xué)分析類型，而這些個4種分析類型包括各種工程中常見的動力學(xué)問題、5、2結(jié)構(gòu)瞬態(tài)動力分析、 瞬態(tài)動力響應(yīng)分析的一般意義的動力學(xué)方程如方程1-2所示，在求解該方程的直接積分法中可以分為隱式算法和表達(dá)

3、式算法兩種方法implicit可以分為完全法和縮減法。 在模態(tài)疊加法這一大領(lǐng)域中，也可以分為完全法和縮小法。 以下是這些個方法的基本思想和相關(guān)概念。動力學(xué)方程的求解方法、2.1直接積分法、式1-2中包含n (自由度個數(shù))個聯(lián)立二次常微分方程，將其轉(zhuǎn)換為2n個一次常微分方程，然后直接積分求解位移x是直接積分法的基本構(gòu)想。 許多方法可用，但直接積分可集成為兩種方法：隱式算法和顯式算法。 用于ANSYS修正的算法是隱式算法，LS-DYNA使用顯式算法。 比較兩個算法的顯式算法要求積分時間步長的值非常小(否則難以收斂)，并且其適于分析極短的沖擊和高級非線性問題。 隱式算法可允許較大的積分時間步，但在臨

4、時沖擊、高度非線性問題的解析上通常難以收斂。 2.2模式疊加法、模式疊加法基本上假設(shè)一個結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)(例如位移)能夠用相應(yīng)的模式模式線性疊加來表示。模式疊加法只能解線性問題。 無論是模式分析還是式1-3的本質(zhì)都是線性的。 在線性結(jié)構(gòu)條件下，一般來說，模重日式榻榻米法比直接積分法效率更高，特別是進(jìn)行線性重日式榻榻米時，可以選擇利用前幾個(例如前三次)模式模式。 通常，射頻波的模態(tài)形狀所扮演的角色并不重要，而且模態(tài)重日式榻榻米法可以指定模態(tài)阻尼大頭針(阻尼系數(shù)是頻率的函數(shù))，因此很有用。 2.3縮小法是縮小方法的基本構(gòu)想，即把大方程式縮小為比較小的方程式，求解該小方程式。 一般來說，縮小法與完全

5、法相比，需要的修正計算時間和修正計算機(jī)存儲器大幅減少。但其缺點(diǎn)主要有兩個方面： (1)縮減法僅適用于線性分析。 這是為了控制方程式的假定式是線性的，(2)縮小法是針對線性靜力分析問題發(fā)展的，對于線性靜力分析是很好的方法，由于沒有引入任何假定，所以沒有引入額外的誤差。 然而，動力學(xué)的平衡方程需要在靜力解析方程中加上慣性力和阻尼力兩種，求解過程只是近似的修正。 總之，縮小法是動學(xué)力求解的近似方法，這種方法會產(chǎn)生一定的誤差。 2.4非線性動力分析方法不適用于上文介紹的動力學(xué)分析中的非線性問題。 模態(tài)重日式榻榻米法不適用于非線性問題，即使是直接積分法，縮小法也不適用于非線性問題。 因此，僅通過直接積分

6、法中的完整性方法能夠解決非線性問題，例如，隱式算法及顯式算法。 2.5瞬態(tài)動力學(xué)分析的基本步驟，ANSYS瞬態(tài)動力分析的主要步驟有7個： (1)建模和網(wǎng)格分割(預(yù)處理) (2)初始條件的建立ANSYS可以加上初始位移、初始速度和初始加速度3個初始條件。 GUI:mainmenusolutiondefineloadsapplyinitialconditndefine (3)設(shè)置求解器及其殘奧參數(shù)此過程包括求解器和其他殘奧參數(shù)(求解器選項、非線性選項、高級非線性選項GUI:mainmenusolutionanalysistypesolncontrol (4)除了可以設(shè)定應(yīng)力剛化效果、牛頓斜坡選項、

7、蠕變選項、輸出控制等之外，還可以設(shè)定預(yù)應(yīng)力、阻尼大頭針定、質(zhì)量排列。 預(yù)應(yīng)力影響： ANSYS可以包含預(yù)應(yīng)力命令： pstresgui:mainmenusolutionunabridgedmenuanalysistypeanalysisoptions啞大頭針選項：在瞬態(tài)動力學(xué)分析中(MP ) MP.MP.MP.MP.MP.MP.MP.MP.MP.MP.MP.MP.MP.MP.MP.MP.MP . daindalysisoptions )的命令： MP，damp GUI:mainmenusolutionloadstepoptsotherchangmatpropsmaterialmodelsstr

8、ucturaldamping，(5)應(yīng)用載荷或可應(yīng)用于有限元模型(結(jié)節(jié)點(diǎn)和單元)的載荷(6)求解僅求解當(dāng)前載荷步驟指令mainmenusolutionsolvecurrentls多載荷步驟指令lssolvegui mainmenusolutions 在此，POST1用于觀察某時間的模型整體的結(jié)果，POST26用于觀察模型內(nèi)的指定部位(節(jié)點(diǎn)、單元等)的時間歷史的分析結(jié)果。3結(jié)構(gòu)模態(tài)分析(Modal Analysis )表示當(dāng)外力為0時，方程式1-2表示模態(tài)分析的控制方程式：從數(shù)學(xué)觀點(diǎn)來看，式1-3是模態(tài)問題，其特征量表示結(jié)構(gòu)的自然振動頻率和模態(tài)大頭針因此，模態(tài)分析的結(jié)果是自然振動頻率、模態(tài)衰減和

9、相應(yīng)的振動形狀。 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析的目的是得到對象的自然振動頻率、模態(tài)衰減和振動形狀，為什么要修正結(jié)構(gòu)的自然振動頻率和振動形狀，理由是(1)使結(jié)構(gòu)工作時避免共振現(xiàn)象造成的破壞，(2)利用結(jié)構(gòu)共振現(xiàn)象，以最少的能量輸入獲得最大的振動效果， 例如得到共振篩(3)自然振動的頻率能夠表示一個構(gòu)造體的整體剛性，與不同的振動形狀對應(yīng)的頻率通過表示其變形中的剛性值，能夠做評估整體構(gòu)造體所需要的加強(qiáng)部位和可減量部位(4)自然振動頻率能夠進(jìn)行其他的動力分析(例如過渡動力學(xué)分析、調(diào)和響應(yīng)分析許多前述必要參考值，例如在諧振分析中，如果對接近自然振動頻率感興趣，則結(jié)構(gòu)響應(yīng)的倍率必須知道自然振動頻率的值。、4結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析、

10、結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析是指當(dāng)外力受到時變的簡并性力(即sin或cos函數(shù)形式)時結(jié)構(gòu)響應(yīng)，因而1-2是結(jié)構(gòu)位移(結(jié)構(gòu)位移) 可以表示得到的動力響應(yīng)根據(jù)隨頻率變化的規(guī)則來知道結(jié)構(gòu)的動力操作性能，以此作為確定結(jié)構(gòu)是否可避免諧振的參考依據(jù)，并且還可以利用諧振的有利方面來優(yōu)化結(jié)構(gòu)。 4.1調(diào)和響應(yīng)分析方法、調(diào)和響應(yīng)分析有3種方法，分別為完全法、模態(tài)重日式榻榻米法和縮小法。 動態(tài)調(diào)和分析中三種方法的共同點(diǎn)在于：4.2動態(tài)調(diào)和分析的基本步驟，僅考慮線性問題，即所有載荷必須隨時正弦變化，所有載荷必須隨時正弦變化，所有載荷必須處于相同頻率，非線性特性不允許。 ANSYS諧響應(yīng)分析的主要步驟有8個： (1)模型制作和網(wǎng)格

11、分割(預(yù)處理) (2)初始條件制作在此步驟設(shè)定位移邊界條件等。 (3)設(shè)定求解器及其殘奧儀表在此步驟中，可設(shè)定求解器和其他殘奧儀表，例如求解器所使用的方法、預(yù)應(yīng)力效果等。 GUI:mainmenusolutionanalysistypeanalysisoptions (4)施加載荷調(diào)和響應(yīng)分析的載荷隨時間正弦規(guī)律地變化，輸入的信息為Amplitude (載荷的大小)、Phase angle (相位角)的載荷類型包含位移、 對于集中力，可以通過定義虛部來分析不同相位載荷的協(xié)同作用。 (5)指定載荷步驟該步驟的內(nèi)容設(shè)定由諧振響應(yīng)分析求出的載荷子步驟數(shù)，該諧振響應(yīng)分析包括定義求出的頻率范圍即施加諧振

12、載荷的頻率上下界和定義求出的頻率范圍即施加諧振載荷的頻率上下界， 負(fù)荷子步在指定的頻率范圍內(nèi)均勻分布設(shè)定“負(fù)荷變化方式”(Stepped or Ramped )，選擇“ramped”后，負(fù)荷的大小隨著負(fù)荷子步逐漸增加，選擇“Stepped”后，負(fù)荷頻率范圍內(nèi)的每個負(fù)荷子步保持恒定GUI:mainmenusolutionloadstepoptstime/frequencyfreqandsubsteps (6)求出當(dāng)前的載荷步長。 命令： solve GUI:mainmenusolutionsolvecurrentls (7)結(jié)果后處理和分析過渡動力學(xué)分析結(jié)果被保存到結(jié)果文件Jobname.RST

13、中。 POST1和POST26可以觀察和分析。 在此，POST1用于觀察某時間的模型整體的結(jié)果，POST26用于觀察模型中的指定部位(節(jié)點(diǎn)、小區(qū)等)的響應(yīng)隨著頻率而變化的歷史分析結(jié)果。5結(jié)構(gòu)譜分析、譜分析將模態(tài)分析結(jié)果與已知譜相關(guān)聯(lián)以校正結(jié)果的最大響應(yīng)的分析方法，主要用于確定對隨機(jī)載荷或時變載荷的結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)。 ANSYS有三種光譜分析功能：響應(yīng)譜分析、動力設(shè)置修正方法和隨機(jī)振動分析。 單點(diǎn)響應(yīng)譜解析是單點(diǎn)響應(yīng)譜作用于模型上的指定的所有點(diǎn)多點(diǎn)響應(yīng)譜解析是不同的響應(yīng)譜分別作用于模型的不同點(diǎn)的動力學(xué)設(shè)定修正分析方法是用于船舶裝備抗震性能分析的技術(shù)即功率譜密度(PSD )是用于隨機(jī)振動解析的概率方

14、法。5.1結(jié)構(gòu)頻譜分析方法、5.2結(jié)構(gòu)頻譜分析的基本步驟、ANSYS單點(diǎn)和多點(diǎn)響應(yīng)譜分析的主要步驟有6個步驟： (1)建模和網(wǎng)格劃分(預(yù)處理) (2)模型分析結(jié)構(gòu)的固有模式和模式是頻譜分析所需的數(shù)據(jù)， 進(jìn)行頻譜分析前，必要的資料解析時的模態(tài)抽取方法只能使用Block Lanczos法、Subspace法、Reduced法(必須在施加激勵的位置定義主自由度)。 提取的模態(tài)數(shù)必須包含所有感興趣的頻率范圍。模態(tài)分析需要擴(kuò)展操作。 (3)響應(yīng)譜解析其內(nèi)容包括光譜解析的類型設(shè)定、響應(yīng)譜的類型設(shè)定、激發(fā)方向設(shè)定、光譜值與頻率的關(guān)系曲線、衰減的定義與解等。GUI:mainmenusolutionanalys

15、istypenewanalysismainmenusolutionloadstepoptsspectrumsinglepoint (單點(diǎn)響應(yīng)譜) settingsmainmenusolutionloadstepoptsspectrumsinglepoint (單點(diǎn)響應(yīng)譜) freq表或specrvaluesmainmenusolutionloadstepoptstime/(4)擴(kuò)展提示擴(kuò)展模式時，建議只選擇重要的模式進(jìn)行擴(kuò)展。 如果對光譜產(chǎn)生的應(yīng)力感興趣，則需要進(jìn)行應(yīng)力修正。 默認(rèn)情況下，模態(tài)擴(kuò)展工程不包含應(yīng)力校正，譜分析結(jié)果也不包含應(yīng)力校正結(jié)果數(shù)據(jù)。 GUI:mainmenusolution

16、analysistypenewanalysismodalmainmenusolutionanalysistypeexpansionpassgui:mainmenusolutionloadstepoop and m 將模式合并模式合并為獨(dú)立的解決階段，如設(shè)置分析類型、選擇模式合并方法和解決方法。 (6)結(jié)果后處理和解析過渡動力學(xué)解析結(jié)果保存在結(jié)果文件Jobname.PSD中。 POST1和POST26可以觀察和分析。 在此，POST1用于觀察某時間的模型整體的結(jié)果，POST26用于觀察模型中的指定部位(節(jié)點(diǎn)、小區(qū)等)的響應(yīng)隨著頻率而變化的歷史分析結(jié)果。21，6結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析討論了一些問題，衰減是所有能量耗散特性的總稱。 一個結(jié)構(gòu)被外部激發(fā)后，如果沒有消散的能力，則它會一直振動，但如果有阻尼大頭針的存在，則能量逐漸消散，結(jié)構(gòu)的振動越來越小，完全停止。 結(jié)構(gòu)能耗散主要來自于各種摩擦，將各種摩擦分為三類：6.1衰減，(1)結(jié)構(gòu)材料自身分子間的摩擦，稱為延遲衰減或固體衰減。 Hysteresis damping是指材料自身的內(nèi)部分子間的摩擦，通常是結(jié)構(gòu)damping的主要來源。 “Hysteresis damping”的行為很