Ansys中的阻尼.doc

Ansys中的阻尼 ANSYS动力学分析中提供了各种的阻尼形式，这些阻尼在分析中是如何计算，并对分析有什么影响呢？本文将就此做一些说明何介绍.一 首先要清楚，在完全方法和模态叠加法中定义的阻尼是不同。因为前者使用节点坐标，而后者使用总体坐标.1 在完全的模态分析、谐相应分析和瞬态分析中，振动方程为：阻尼矩阵为下面的各阻尼形式之和：为常值质量阻尼（阻尼）（ALPHAD命令）为常值刚度阻尼（阻尼）（BETA命令）为常值阻尼比，f为当前的频率（DMPRAT命令）j为第j种材料的常值刚度矩阵系数（MP,DAMP命令）C为单元阻尼矩阵（支持该形式阻尼的单元）where: C = structure damping matrix = mass matrix multiplier (input on ALPHAD command)M = structure mass matrix = stiffness matrix multiplier (input on BETAD command)c = variable stiffness matrix multiplier (see Equation 1523)K = structure stiffness matrixNm = number of materials with DAMP or DMPR input = stiffness matrix multiplier for material j (input as DAMP on MP command) = constant (frequency-independent) stiffness matrix coefficient for material j (input as DMPR on MP command) = circular excitation frequencyKj = portion of structure stiffness matrix based on material jNe = number of elements with specified dampingCk = element damping matrixC = frequency-dependent damping matrix (see Equation 1521)2 对模态叠加方法进行的谐相应分析、瞬态分析何谱分析，动力学求解方程为：每个模态产生有效阻尼比id而不是创建阻尼矩阵为常值质量阻尼为常值刚度阻尼为常值阻尼比mi为第i个模态的常值阻尼比j为第j个材料的阻尼系数Ejs为第j个材料的应变能，ANSYS由fTKf计算得到。二对谱分析，阻尼仅仅包含在模态组合里，而在计算模态系数的时候并没有考虑。当使用模态叠加法时，材料阻尼被添加到扩展的模态中，因此，用户必须在进行模态分析之前，就包括材料阻尼（MP,DAMP）并进行单元应力的计算（MXPAND命令）。三模态叠加法支持使用QR阻尼，但是用户必须知道尽管是模态组合方法，阻尼在模态分析中已包含了，所以应该使用上面的完全阻尼矩阵C来计算阻尼。如果使用QR阻尼的的模态提取方法（MOPT,QRDAMP），并且在前处理或模态分析中指定了任何形式的阻尼，那么ANSYS将在进行模态叠加时忽略阻尼。四 了解MP,DAMP在不同的情况下有不同的作用非常重要。在完全分析中，材料阻尼代表了该材料的一个刚度矩阵乘子，与粘性阻尼（与频率成线性关系，但针对所有的材料）类似。因此，在这种情况下，对单自由度结构，材料阻尼值等于/f或c/k。如果有多种材料，那么，阻尼矩阵就是简单得将材料的j乘以相应的材料的刚度矩阵：但是，在使用模态叠加法时材料阻尼值类似于结构阻尼（与频率无关），也即材料阻尼值会等于单自由度体系的。如果有多种材料，使用模态应变能方法（MSE）来计算系统的有效阻尼比：也就是说，一个有效的常值材料阻尼将被用于所有模态的计算。五 下面的表格列出了不同分析类型中可以用到的阻尼。3.8.3阻尼大多数系统中存在阻尼，而且在动力学分析中应当指定阻尼。在ANSYS程序可以指定五种形式的阻尼：Aplha和Beta阻尼（Rayleigh阻尼）和材料相关的阻尼恒定的阻尼比振型阻尼单元阻尼在ANSYS/Professional程序中只有恒定阻尼比和振型阻尼可用。可以在模型中指定多种形式的阻尼，程序按所指定的阻尼之和形成阻尼矩阵C。下表列出了在不同结构分析中可用的阻尼类型。不同分析类型可用的阻尼分析类型 , 阻尼ALPHAD,BETAD材料相关阻尼MP,DAMP恒定阻尼比DMPRAT振型阻尼MDAMP单元阻尼 3(COMBIN7等)静力学分析N/AN/AN/AN/AN/A模态分析无阻尼No5No5No5NoNo有阻尼YesYesNoNoYes谐响应分析完全法YesYesYesNoYes缩减法YesYesYesNoYes模态叠加法Yes6Yes4，6Yes7Yes7Yes6瞬态分析完全法YesYesNoNoYes缩减法YesYesNoNoYes模态叠加法Yes6Yes4，6Yes7Yes7Yes6谱分析SPRS,MPRS2Yes1YesYesYesNoDDAM2Yes1YesYesYesNoPSD2YesNoYesYesNo屈曲分析N/AN/AN/AN/AN/A子结构YesYesNoNoYesN/A表示不能使用1表示只可用阻尼，不可用阻尼2表示阻尼只用于模态合并，不用于计算模态系数3表示包括超单元阻尼矩阵4表示如果经模态扩展转换成了振型阻尼5表示如果指定了，程序会计算出一个用于随后的谱分析的有效阻尼比6表示如果使用QR阻尼模态提取方法MODOPT,QRDAMP，在前处理或模态分析过程中指定任何阻尼，但ANSYS在执行模态叠加分析时将忽略任何阻尼。7如果你使用QR阻尼模态提取方法MODOPT,QRDAMP，DMPART和MDAMP不能使用。1. Alpha 阻尼 和 Beta 阻尼Alpha阻尼和Beta阻尼用于定义瑞利（Rayleigh）阻尼常数和。阻尼矩阵是在用这些常数乘以质量矩阵M和刚度矩阵K后计算出来的。命令 ALPHAD 和 BETAD 分别用于确定瑞利（Rayleigh）阻尼常数和。通常和的值不是直接得到的，而是用振型阻尼比 计算出来的。 是某个振型i的实际阻尼和临界阻尼之比。如果 是模态i的固有角频率，则和满足下列关系：在许多实际问题中，Alpha阻尼（或称质量阻尼）可以忽略（=0）。这种情形下，可以由已知的 和 计算出：由于在一个载荷步中只能输入一个值，因此应该选取该载荷步中最主要的被激活频率来计算值。为了确定对应给定阻尼比的和值，通常假定和之和在某个频率范围内近似为恒定值（见图5）。这样，在给定阻尼比和一个频率范围ij后，解两个并列方程组便可求得和。图5瑞利阻尼Alpha阻尼在模型中引入任意大质量时会导致不理想的结果。一个常见的例子是在结构的基础上加一个任意大质量以方便施加加速度谱（用大质量可将加速度谱转化为力谱）。Alpha阻尼系数在乘上质量矩阵后会在这样的系统中产生非常大的阻尼力，这将导致谱输入的不精确，以及系统响应的不精确。Beta阻尼和材料阻尼在非线性分析中会导致不理想的结果。这两种阻尼要和刚度矩阵相乘，而刚度矩阵在非线性分析中是不断变化的。由此所引起的阻尼变化有时会和物理结构的实际阻尼变化相反。例如，存在由塑性响应引起的软化的物理结构通常相应地会呈现出阻尼的增加，而存在Beta阻尼的ANSYS模型在出现塑性软化响应时则会呈现出阻尼的降低。2. 和材料相关的阻尼和材料相关的阻尼允许将Beta阻尼做为材料性质来指定MP,DAMP。但要注意在谱分析ANTYPE,SPECTR中的MP,DAMP是指定和材料相关的阻尼比，而不是。同样要注意对于多材料单元如SOLID46,SOLID65,SHELL91和SHELL99，只能对单元整体指定一个值，而不能对单元中的每一种材料都指定。在这些情形下，是由单元的材料指针（用MAT命令设置）决定的，而不是由单元实常数MAT指向的材料决定的。3. 恒定阻尼比恒定阻尼比是在结构中指定阻尼的最简单的方法。它表示实际阻尼和临界阻尼之比，是用DMPRAT命令指定的小数值。DMPRAT只可用于谱分析、谐响应分析和模态叠加法瞬态动力学分析。4. 振型阻尼振型阻尼可用于对不同的振动模态指定不同的阻尼比。它用MDAMP命令指定且只能用于谱分析和模态叠加法瞬态动力学分析、谐响应分析。5. 单元阻尼单元阻尼在用到有粘性阻尼特征的单元类型时会涉及到，如单元COMBIN7,COMBIN14,COMBIN37,COMBIN40等。关于阻尼的更详细描述参见。阻尼是动力分析的一大特点，也是动力分析中的一个易于引起困惑之处，而且由于它只是影响动力响应的衰减，出了错不容易觉察。阻尼的本质和表现是相当复杂的，相应的模型也很多。ANSYS提供了强大又丰富的阻尼输入，但也正以其强大和丰富使初学者容易发生迷惑这里介绍各种阻尼的数学模型在ANSYS中的实现，与在ANSYS中阻尼功能的使用。 1比例阻尼最常用也是比较简单的阻尼大概是Rayleigh阻尼，又称为比例阻尼。它是多数实用动力分析的首选，对许多实际工程应用也是足够的。在ANSYS里，它就是 阻尼与 阻尼之和，分别用ALPHD与BETAD命令输入。已知结构总阻尼比是 ，则用两个频率点上 阻尼与 阻尼产生的等效阻尼比之和与其相等，就可以求出近似的 阻尼与 阻尼系数来用作输入：（5.1.1）求比例阻尼系数的拟合公式用方程组（5.1.1）可以得到 阻尼与 阻尼系数值，然后用ALPHD与BETAD命令输入，这种阻尼输入既可以做full（完全）法的分析，也可以作减缩法与振型叠加法的分析，都是一样的有效。但是尽管 阻尼与 阻尼概念简单明确，在使用中也要小心一些可能的误区。首先， 阻尼与质量有关，主要影响低阶振型，而 阻尼与刚度有关，主要影响高阶振型；如果要做的是非线性瞬态分析，同时刚度变化很大时，那么使用 阻尼很可能会造成收敛上的困难；一样的理由，有时在使用一些计算技巧时，比如行波效应分析的大质量法，加上了虚假的大人工质量，那么就不可以使用 阻尼。同样，在模型里加上了刚性连接时，也应该检查一下 阻尼会不会造成一些虚假的计算结果。2阻尼阵的计算ANSYS中有多种办法可以输入阻尼特性。先概括几个在结构分析中常用的输入阻尼的命令：ALPHAD： 输入 阻尼参数BETAD： 输入 阻尼参数DMPRAT： 输入全结构的阻尼比 MDAMP： 输入与各频率的振型对应的模态阻尼比MP，DAMP 输入对应于某种材料的材料阻尼?。与以上几种命令的输入对应的ANSYS计算的总阻尼阵C是：（5.1.2）ANSYS计算阻尼矩阵的公式其中m是结构中有阻尼的材料种类数，n是具有特有阻尼的单元类型数。前两项是用 与 定义的Rayleigh阻尼，第三项是与全结构的阻尼比 对应的阻尼阵，第四项是材料阻尼，最后一项是一些单元特有的单元阻尼阵。3粘性阻尼比粘性阻尼表现为类似物体在粘性流体中运动时的阻力，与速度成正比。（5.1.3）粘性阻尼力对单自由度系统，c就是粘性阻尼系数，对多自由度系统，就是阻尼矩阵C。C是定义结构阻尼特性的最基本形式，然而对粘性阻尼，很少有直接定义阻尼阵C的，阻尼比才是定义粘性阻尼最简捷的方法。在ANSYS中，既可以定义在结构坐标系下的全结构阻尼比（DMPRAT命令），也可以在模态坐标下对各个模态定义各自的模态阻尼比（MDAMP命令）。ANSYS最终计算的各模态相应的模态阻尼比是MDAMP定义的模态阻尼比与DMPRAT定义的全结构阻尼比的叠加。DMPRAT与MDAMP都是只对响应谱分析、谐分析及使用模态叠加法的瞬态分析有效，它们所对应的阻尼阵C是随频率不同而变化的阻尼阵。已知模态阻尼比 后，则对应的阻尼阵C用下式求出：（5.1.4）与输入的模态阻尼比对应的阻尼矩阵其中 是第i个振型向量， 是对应的模态频率。值得注意的是上述公式只有理论意义，在振型叠加中是直接使用定义的振型阻尼比与全结构阻尼比，没有哪个程序会用公式（3）去反求出阻尼阵来。（也许某些程序里可以反求出阻尼阵来，但至少ANSYS没有这么做）。所以在做Full（完全）积分法的瞬态分析时，用阻尼比定义的阻尼都被程序忽略掉了，那么许多时候我们需要用一个全结构的阻尼比去做full法的瞬态分析计算时间，（如一些规范上规定某些结构可以用0.0050.05的阻尼比做分析），该怎么办呢？这时候一个简单的办法是用 阻尼与 阻尼来逼近一个常数阻尼比。图5.1 用ALPHD与BETAD来拟合常数阻尼比选定 与 ，就可以用公式（1）计算出做输入用的ALPHD与BETAD值来。4材料阻尼与其它几种阻尼不同的是，材料阻尼是在材料参数里面进行定义的（命令：MP,DAMP），材料阻尼又叫滞回阻尼，其最显著的特点是与结构响应频率无关。图5.2 两种阻尼与频率的关系许多文献上常把它写成复数刚度的形式： 。其中k是结构刚度， ， 称做材料阻尼系数（又叫结构阻尼系数）。在单自由度情况，质量m做简谐振动时， （c是对应的粘性阻尼系数），因此得到 对应的阻尼比为：（5.1.5）材料阻尼系数与粘性阻尼比的关系式（在日本的结构减震规范中，用来定义阻尼的减衰系数就是此材料阻尼系数 。）在ANSYS里，它是刚度矩阵的乘子，产生的阻尼阵是各材料对应刚度的加权和。（5.1.6）ANSYS计算材料阻尼对应阻尼矩阵的公式很明显，它对应的阻尼阵C是可以对角化的，所以既能在full（完全）法瞬态分析中使用，也可以在振型叠加法分析中使用。上一小节里介绍了：ANSYS在做Full积分的瞬态分析时，用阻尼比定义的阻尼都被程序忽略掉，在许多时候，已知的是粘性阻尼的阻尼比，又要做full法的瞬态分析，那怎么办？此时一种办法是把粘性阻尼比换算为材料阻尼系数再用MP，DAMP输入。材料阻尼系数与粘性阻尼比的换算关系是： ，在单自由度情况下： （c是粘性阻尼系数）。表5.1 常见材料的材料阻尼系数纯铝 钢 铅 铸铁0.000020.002 0.0010.008 0.0080.014 0.0030.03天然橡胶 硬橡胶 玻璃 混凝土0.10.3 1.0 0.00060.002 0.010.06以上材料来自：结构振动分析, C.F.比尔茨（作者对其使用不负任何责任）金属的阻尼是比较低的，不知道这算不算是钢结构的一个缺点。一般来说高阻尼的金属其强度延性硬度均低。但是也有例外，如锰铜合金其强度硬度延性阻尼都高，但是相应价格也很高。5模态阻尼比的计算当采用模态叠加法时，ANSYS对模态阻尼比与结构阻尼比是直接使用的，对其它阻尼则是计算多种阻尼产生的模态阻尼比来计算各模态的响应。在各种阻尼输入下，ANSYS程序计算出的第i个模态的总模态阻尼比是（5.1.7）ANSYS计算模态阻尼比的公式其中前两项是 阻尼与 阻尼对应的模态阻尼比，第三项是输入的全结构阻尼比，第四项是输入的模态阻尼比，最后一项是M种材料的材料阻尼系数 产生的模态阻尼比。其中 是第j种材料对应的模态应变能，在日本减震规范中，就是采用此此应变能公式来计算结构阻尼比的。?注意：如前所述，在做Full积分法的瞬态分析时，用阻尼比定义的阻尼都被ANSYS程序忽略掉了，所以同一个模型采用full法和模态叠加法的瞬态分析，ANSYS计算采用的阻尼可能不一样，造成结果也有差别。以下是结构分析中常用的几种阻尼输入的ANSYS命令流演示。1）用MP,damp来输入粘滞阻尼DAMPRATO=0.025 ! 已知粘滞阻尼的阻尼比LOSSMODM=2*DAMPRATO ! 粘滞阻尼的阻尼比乘以2是等价的材料阻尼系数(日!本规范的“减衰系数”)CRITFREQ=2.6 ! 此为粘性阻尼等效为材料阻尼时的换算频率MP_BETAD=DAMPRATO/(acos(-1)*CRITFREQ) ! 粘滞阻尼与频率有关/prep7mp,damp,1,MP_BETAD !定义iscous damping，与频率有关/soluantype,modalmodopt,lanb,1! 要使模态计算考虑阻尼的影响，必须用材料阻尼，材料阻尼必须在求解前指定! mxpand,yes,选项！阻尼比输入只在对求出的振型求反应再叠加中有用,! ansys不会把阻尼比还原计算为阻尼阵C的mxpand,1,yes,sole,2）用MP,Damp输入材料阻尼DAMPRATO=0.025LOSSMODM=2*DAMPRATO ! 材料阻尼系数，书上给的一般是LOSSMODM/prep7mp,damp,1,DAMPRATO !常数，如果已知的是材料阻尼系数LOSSMODM，就要除以2/soluantype,modal ! 使用模态叠加法modopt,lanb,1! importantmxpand,1,yes,sole3）用BETAD输入粘滞阻尼（振型叠加法）! MSUP method with BETAD! BETAD is damping_ratio/pi*f, een for MSUPDAMPRATO=0.025 ! 阻尼比LOSSMODM=2*DAMPRATO !等效的材料阻尼系数/prep7! mp,damp,1,DAMPRATOBETAD,DAMPRATO/(acos(-1)*442) ! 注意此公式！ 442是你给定的频率值/soluantype,modal !模态分析modopt,lanb,1! importantmxpand,1,yeslumpm,on,sole/soluantype,harmic !谐分析hropt, msup hrout, on, offharfrq, FREQBEGN, FREQENDG,sole4）使用DMPRAT定义的整体结构的常数阻尼比，（模态叠加法）! MSUP method with DMPRAT! shows that DMPRAT is damping ratioDAMPRATO=0.025 ！ 全结构阻尼比是0.025LOSSMODM=2*DAMPRATO /prep7!mp,damp,1,DAMPRATO/soluantype,modal ! 先做无阻尼振型分解sole/soluantype,harmichropt,msup hrout,on,offharfrq,FREQBEGN,FREQENDGnsubst,NUM_STEPkbc,1dmprat,DAMPRATO ! 在这里定义此阻尼比，常数,sole5）用MP，DAMP定义粘性阻尼做FULL瞬态分析! 粘性阻尼随频率增加而增加，高频衰减快! Full method with MP,DAMP! shows that MP,DAMP with FULL is damping_ratio/pi*f! As freq increases, damping is hugeDAMPRATO=0.025LOSSMODM=2*DAMPRATOCRITFREQ=480MP_BETAD=DAMPRATO/(acos(-1)*CRITFREQ) ! 注意此公式/prep7mp,damp,1,MP_BETAD6）用DMPRAT定义全结构常数阻尼比! Full method with DMPRATDAMPRATO=0.025LOSSMODM=2*DAMPRATOCRITFREQ=480MP_B