Sec14-冲击响应谱分析PPT课件

1、第14章 冲击响应谱分析,响应谱方法,响应谱描述的是单自由度系统的峰值响应的近似方法，是基础激励和固有频率的函数。,响应谱用于提供结构每阶模态的最大响应。 结构的响应通过最大模态响应的组合得到。组合方法有许多种。因而，响应谱分析求得的是近似值。,响应谱方法(续),对于不同的阻尼值，重复响应谱分析产生一簇曲线。因而提供模态响应的最大值是必须的。 *振荡器阻尼；临界阻尼,响应谱方法(续),从ui(t)计算每个振荡器的最大位移响应uimax 。同样的，计算每个振荡器和其基础(振动结构上的一个点)之间的最大相对位移urimax. 最大相对速度和绝对加速度，与最大相对位移之间有如下近似关系。 设计谱通常

2、用这些变量表示ur , ur , ua.,最大响应和相对响应,.,max,max,4Hz脉冲的单自由度响应,Zeta=.05, 4Hz单循环激励，不同单自由度系统的瞬态响应 (注意: Y轴应实际大小而变化；黑线为强迫加速度激励曲线),1 Hz Model,10 Hz Model,2 Hz Model,4 Hz Model,40 Hz Model,20 Hz Model,.5 Hz Model,4Hz脉冲的单自由度响应(续),响应谱分析分两个步骤 Step 1：创建频谱，即用瞬态分析创建频谱 Step 2：应用频谱，即用第一步创建的频谱来评估结构响应 通过确定大结构和与其连接的结构的响应来创建频

3、谱，如发动机和泵 频谱创建后，应用于一系列单自由度振荡器系统，作用在小结构和大结构的连接位置。每个单自由度振荡器的峰值响应由它的瞬态响应ui(t)计算得到。振荡器的基础运动uB(t)来源于大结构(如建筑物，地球)的载荷或基础激励。 例子：由地震引起的电厂的运动。在机械设备(如机器、管道系统)的安装位置计算频谱，然后用这些频谱来进行响应谱分析以帮助设备设计。,从大结构的瞬态分析中创建频谱,这里存在一个暗含的假设，即振荡器系统的质量相对于大结构(基础结构)质量而言非常小，所以两者之间没有动力学耦合现象。(因而小结构应用频谱来计算响应的过程可以从总体结构的瞬态分析中解耦出来单独进行计算)。 使用模型

4、中选定自由度的瞬态响应作为输入时间历程,生成频谱曲线。 任何一个瞬态求解序列都可以生成频谱 SOL 109直接瞬态分析 SOL 112模态瞬态分析 更多信息参见MSC Nastran Advanced Dynamics Users Guide.,从大结构的瞬态分析中创建频谱(续),从大结构的瞬态分析中创建频谱(续),确定结构(可以包括小结构)的瞬态响应 结构激励可以是力，也可以是强迫运动 求解序列SOL 109, SOL 112 执行控制段 SOL 109 例如：,工况控制段 OUTPUT(XYPLOT) XYPLOT DISP SPECTRAL (计算位移谱) XYPUNCH DISP SP

5、ECTRAL (生成包含谱数据的文件) 例如 XYPUNCH ACCELERATION SPECTRAL 1/1 (T1RM) 该命令使用节点1在X(T1)方向的运动，在DTI,SPSEL卡的记录号1处，创建一个包含绝对(RM)加速度谱数据的.pch文件。 如果是T1IP则代表X方向的相对(IP)响应谱。 例子 必须同时包含位移和速度输出,DISPLACEMENT(plot,SORT2,REAL)=ALL VELOCITY(plot,SORT2,REAL)=ALL OUTPUT (XYPLOT) XYPLOT ACCE SPECTRAL 1/57 (T3RM) XYPUNCH ACCE SPE

6、CTRAL 1/57 (T3RM),从大结构的瞬态分析中创建频谱(续),从大结构的瞬态分析中创建频谱(续),模型数据段 PARAM, RSPECTRA, 0 $要求计算频谱 DTI, SPSEL $确定频率和阻尼表，以及哪些节点输出 FREQ $指定阻尼，比如临界阻尼率-将由DTI,SPSEL卡片引用 FREQ1 $指定频率-将由DTI,SPSEL卡片引用,从大结构的瞬态分析中创建频谱(续),模型数据段(续) 例子,与 XYPLOT/ XYPUNCH 卡片的编号对应,案例分析：Step 1-创建频谱,带附属梁的矩形板 5” x 2”铝板，固支一条边 另一边有一附属梁 在固支边施加Z方向的瞬态强

7、迫运动,RBE2,案例分析：Step 1-创建频谱,矩形板属性 5 in x 2 in 铝板 厚0.1 in 杨氏模量10.0 x 106 psi 泊松比0.3 密度0.102 lbf/in3 = 2.640 x 10-4 lbf*sec2/in4 附属梁属性 0.05 in x 0.05 in方形截面铝梁 长0.5 in 杨氏模量10.0 x 106 psi 泊松比0.3 密度0.102 lbf/in3 = 2.640 x 10-4 lbf*sec2/in4 通过RBE2将梁和自由边上的节点11，22连接,案例分析：Step 1-创建频谱,阻尼 结构阻尼 阻尼系数g为0.06 如不用结构阻尼

8、，则必须在250Hz施加等效粘滞阻尼 SOL 109, 直接瞬态响应,案例分析：Step 1-创建频谱,在固支端Z方向上加载加速度强迫运动，频率为250Hz 即在节点 1, 12, 23, 34, 45上,.,案例分析：Step 1-创建频谱,在Patran中创建模型 几何，面和线 划分面和线的网格 Equivalence重合节点 创建时间历程载荷工况 创建时间场 约束一条短边 创建材料属性 创建单元属性 输出MD Nastran输入文件，如jobname.bdf 编辑MD Nastran输入文件，参加下页 运行分析 查看分析结果,$ Linear Transient Response Ana

9、lysis, Direct Formulation, Database SOL 109 $ Direct Text Input for Executive Control CEND TITLE = MSC.Nastran job created on 27-Aug-08 at 08:51:14 ECHO = NONE LOADSET = 1 $ Direct Text Input for Global Case Control Data SUBCASE 1 SUBTITLE=Transient TSTEP = 1 SPC = 2 DLOAD = 2 $ Must specify both DI

10、SPLACEMENT and VELOCITY for the node that will have the $ enforced motion. This is necessary to obtain the desired response spectra. DISPLACEMENT(plot,SORT2,REAL)=ALL VELOCITY(plot,SORT2,REAL)=ALL ACCELERATION(plot,SORT2,REAL)=ALL STRESS(plot,SORT2,REAL,VONMISES,BILIN)=ALL FORCE(plot,SORT2,REAL,BILI

11、N)=ALL,案例分析：Step 1-创建频谱,编辑MD Nastran输入文件 文件名为casestudy14_create_response_spectra.bdf,如果在Patran中请求，则不需要手动增加这两个卡片,案例分析：Step 1-创建频谱,编辑MD Nastran输入文件(续),OUTPUT (XYPLOT) $ $ use XYPLOT SPECTRAL to compute a response spectra, $ and output to a plot file, .plt $ $ use XYPUNCH SPECTRAL to create a file cont

12、aining the $ response spectra in TABLED1 format, .pch $ RM gives absolute spectra, IP gives relative spectra $ XYPLOT ACCE SPECTRAL 1/57 (T3RM) XYPUNCH ACCE SPECTRAL 1/57 (T3RM) $ $ BEGIN BULK PARAM POST 0 PARAM COUPMASS 1 PARAM G .06 PARAM W3 1570.8 PARAM PRTMAXIM YES TSTEP 1 3000 1.-5,可以在Patran中用S

13、ubcase Direct Text Input来写这三张卡片，代替手动修改bdf文件,案例分析：Step 1-创建频谱,编辑MD Nastran输入文件(续),$= $ Beginning of Response Spectra Generation Input $ PARAM,RSPECTRA,0 $ $ Use DTI to specify the damping fraction and spectra frequency (SDOF oscillator damping and natural frequency) table. $ Also, use this entry to s

14、pecify the GRIDs for which spectra will be calculated. $ RECNO DAMP FREQ G1 G2 G3 G4 DTI SPSEL 0 DTI SPSEL 1 1 2 57 ENDREC $ $ This entry (FREQ) is used to define the damping fraction. For this example, the spectra ordinate values $ will be created for damping fractions of 0%, 2% and 4% of critical.

15、 $ FREQ, 1, 0.0, 0.02, 0.04 $ $ This entry (FREQ1) is used to specify the spectra frequency values. For this example, the first frequency is 50.0 Hz, the $ frequency increment is 25.0 Hz, and the number of frequencies is 400. This will generate a spectra out to 10000 Hz. FREQ1, 2, 50.0, 25.0, 400 $

16、$ End of Response Spectra Generation Input $=,可以在Patran中用Bulk Data Direct Text Input来写这些内容，代替手动修改bdf文件,案例分析：Step 1-创建频谱,编辑MD Nastran输入文件(续),$ Elements and Element Properties for region : plate PSHELL 1 1 .1 1 1 $ Pset: plate will be imported as: pshell.1 CQUAD4 1 1 1 2 13 12 CQUAD4 2 1 2 3 14 13 CQU

17、AD4 3 1 3 4 15 14 . . Rest of elements . $ $ Elements and Element Properties for region : appendage PBARL 2 1 BAR .05 .05 $ Pset: appendage will be imported as: pbarl.2 $CBAR EID PID GA GB X1 X2 X3 $ Pset: appendage will be imported as: pbarl.2 CBAR 42 2 57 58 0. 0. 1. CBAR 44 2 58 59 0. 0. 1.,$ Nod

18、es of the appendage model $GRID ID X1 X2 X3 GRID 57 5.5 0. 0. GRID 58 5.5 0.5 0. GRID 59 6.0 0.5 0. $ $ Material Record : alum $ Description of Material : Date: 27-Aug-08 MAT1 1 1.+7 .3 2.64-4 $ Multipoint Constraints of the Entire Model $ ID conflict : the PATRAN MPC ID was 1 RBE2 42 57 123456 11 2

19、2 $ Nodes of the Entire Model GRID 1 0. 0. 0. GRID 2 .5 0. 0. . . Rest of nodes and LBC . ENDDATA,bdf模型文件包含的有限元模型,案例分析：Step 1-创建频谱,在Patran中显示瞬态分析结果,案例分析：Step 1-创建频谱,.pch文件中得到三条频谱曲线,$SUBCASE 1 1 $ACCE 1 57 5 1 2 $ 0.000000E+00 TABLED1 2 50. 140.013 75. 449.551 100. 1424.27 125. 4666.89 10050. 613.28

20、ENDT $SUBCASE 1 404 $ACCE 1 57 5 1 405 $ 2.000000E-02 TABLED1 3 50. 138.91 75. 435.291 100. 1298.9 125. 3797.37 10050. 612.53 ENDT $SUBCASE 1 807 $ACCE 1 57 5 1 808 $ 4.000000E-02 TABLED1 4 50. 138.973 75. 423.236 100. 1192.78 125. 3139.79 . 10050. 612.487ENDT,案例分析：Step 1-创建频谱,The transient response

21、 at Grid 57 is converted into a spectra at 0%, 2% and 4% critical damping.,频谱的应用,输入的基础激励频谱用于确定每阶模态的峰值响应。 组合这些峰值模态响应得到系统响应。 唯一的问题是这些模态的峰值响应通常不是同时达到的。计算的只是峰值响应的幅值。 组合峰值响应的方法有三种，分别是ABS, SRSS和NRL。,建立待分析的结构模型，将输入点自由度标记为SUPORT自由度。 在SUPORT自由度上附加一个大质量(通常为总体结构质量的103 到 106 倍)。 使用无约束的SUPORT自由度模型得到系统模态(包括0Hz模态)

22、。 这与附属于“激励源”结构的“悬臂梁”模态近似。,频谱的应用(续),0.0 Hz模态近似于当支撑结构“静态”运动时，模型经历的“静态”运动。 “参与因子”(Participation factors，PF)使用如下表达式计算： 这里f是约束的基础“弹性”模态矩阵 M质量阵 Dm包含刚体模态(即频率是0.0 Hz的模态) PF与输入段中描述的计算每阶模态的峰值响应的频谱一起使用。,频谱的应用(续),然后在峰值运动的基础上计算每阶模态的数据恢复(位移、应力、力等)。 然后选用合适的方法(ABS, SRSS, NRL)组合这些恢复数据。 单自由度振荡器基于基础运动uB(t)的相对位移响应uri(t

23、)由下面公式计算： 系统(net)在物理空间的瞬态响应有下面公式精确地计算,频谱的应用(续),ABS选项 这里 k 表示物理自由度 i 表示模态阶数,频谱的应用(续),SRSS选项 这里平均峰值模态幅值： NRL选项 这里,频谱的应用(续),案例分析：Step 2-应用频谱,用前面的模型执行一个响应谱分析。使用前面的案例分析求得的频谱。,附属梁结构用户单独分析，加载在其基础激励位置 (Grid 57).,案例分析：Step 2-应用频谱,编辑MD Nastran输入文件 文件名casestudy14_apply_spectra.bdf 指定其求解序列为SOL 103 指定感兴趣的输出,SOL1

24、03 CEND TITLE = MSC.Nastran job created on 27-Aug-08 at 08:51:14 ECHO = NONE $ Direct Text Input for Global Case Control Data SUBCASE 1 SUBTITLE=Run SOL103 to apply the spectra. METHOD = 1 SPC = 2 VECTOR(SORT1,REAL)=ALL SPCFORCES(SORT1,REAL)=ALL STRESS(SORT1,REAL,VONMISES,BILIN)=ALL FORCE(SORT1,REAL

25、,BILIN)=ALL ACCEL=ALL $ = $ Begin Case Control Portion for applying spectra SDAMP=200 $ turn on the modal damping values DLOAD=500 $ turn on the spectra to use $ End Case Control Portion for applying spectra $ =,可以用Patran子工况中的直接文本输入代替手动修改,案例分析：Step 2-应用频谱,编辑MD Nastran输入文件(续) 必须指定输出格式为.op2文件，因为只有.op2

26、文件支持后处理 附属梁的模型数据集存于单独的文件appendage.bdf中，可以用INCLUDE命令来包含,PARAM COUPMASS 1 $ $ Specify to obtain results in the .op2 file, as response spectra results are only supported in the .op2 PARAM POST -1 $ $ the eigensolution frequency range needs to include the rigid body mode and go to the desired upper freq

27、uency EIGRL 1 10000. 0 MASS $ $ include the appendage model or it could just be listed here INCLUDE appendage.bdf $ $ SPCADD 2 1 $ Displacement Constraints of Load Set : base_spectra SPC1 1 12456 57,案例分析：Step 2-应用频谱,编辑MD Nastran输入文件(续),$ = $ Begin section for defining Spectra application $ $ Use the

28、 following PARAM to cause a response spectrum analysis to be performed PARAM, SCRSPEC, 0 $ $ Specify modal response summing method PARAM, OPTION, ABS $ $ Specify frequency range for calculation of response. including the rigid body mode will result in absolute $ response, while removing it will resu

29、lt in relative response NOTE: the spectra curve MUST encompass the entire modal range PARAM, LFREQ, 0.1 PARAM, HFREQ, 10000.0 $ $ Define SUPORT entry for Node 57 This is to identify excitation DOF SUPORT, 57, 3 $ $ Need to specify a large mass for the excitation DOF, the mass should be 1.e3 to 1.e6

30、larger than the mass of the structure CONM2 42 57 1000.,加载的频谱曲线的频率范围必须不小于感兴趣的频率范围，否则Nastran会自动使用外插值方法来补齐所缺频率,案例分析：Step 2-应用频谱,编辑MD Nastran输入文件(续),$ Specify the modal damping for each normal mode, this $ will indicate which reponse spectra table to use. each table corresponds to a unique value of dam

31、ping. TABDMP1, 200, CRIT, , 0.0, 0.030, 10000.0, 0.03, ENDT $ $ Specify response spectra set to be used for the analysis: DLOAD, SID, S (overall scale factor), S1 (scale factor for R-Set DOF 1), $ L1 (response spectra table for DOF 1), S2 (scale factor for R-Set DOF 2), L2 (response spectra table fo

32、r DOF 2), etc. $ L1 points to the DTI, SPECSEL, RECNO of 1 DLOAD, 500, 1.0, 1.0, 1 $ $ Specification of response spectra tables. $ there need to be tables for at least 2 different damping values if the modal damping specified above needs $interpolation and/or extrapolation. Below has tables specifie

33、d for damping of 0%, 2% and 4% critical, so the modal $ damping of 3% above necessitates interpolation between the 2% and 4% spectra tables. $ DTI, SPECSEL, 0 DTI, SPECSEL, 1, , A, 2, 0.0, 3, 0.02, , 4, 0.04, ENDREC $ RESP= A (acceleration), V (velocity), D (displacement) $ $ include the TABLED1 dat

34、a output from the spectra generation run INCLUDE casestudy14_create_response_spectra-coupmass.pch $ $ End section for defining Spectra application,TABDMP1卡片指定模态阻尼。模态阻尼的每个阻尼值都需要指定响应的频率；或者至少指定两对频率和阻尼值，Nastran对做相应的插值处理。,案例分析：Step 2-应用频谱,编辑MD Nastran输入文件(续) 包含的频谱数据，即.pch文件的内容,$SUBCASE 1 1 $ACCE 1 57 5 1

35、 2 $ 0.000000E+00 TABLED1 2 50. 140.013 75. 449.551 100. 1424.27 125. 4666.89 10050. 613.28 ENDT $SUBCASE 1 404 $ACCE 1 57 5 1 405 $ 2.000000E-02 TABLED1 3 50. 138.91 75. 435.291 100. 1298.9 125. 3797.37 10050. 612.53 ENDT $SUBCASE 1 807 $ACCE 1 57 5 1 808 $ 4.000000E-02 TABLED1 4 50. 138.973 75. 42

36、3.236 100. 1192.78 125. 3139.79 . 10050. 612.487ENDT,右图中表格内容有所省略,附属梁的MD Nastran模型数据 文件名为appendage.bdf,案例分析：Step 2-应用频谱,$ $ Elements and Element Properties for region : appendage PBARL 2 1 BAR .05 .05 $ Pset: appendage will be imported as: pbarl.2 $CBAR EID PID GA GB X1 X2 X3 CBAR 42 2 57 58 0. 0. 1.

37、 CBAR 44 2 58 59 0. 0. 1. $ Nodes of the appendage model $GRID ID X1 X2 X3 GRID 57 5.5 0. 0. GRID 58 5.5 0.5 0. GRID 59 6.0 0.5 0. $ Material Record : alum $ Description of Material : Date: 27-Aug-08 Time: 08:44:58 MAT1 1 1.+7 .3 2.64-4 $,案例分析：Step 2-应用频谱,.f06文件中的响应谱分析结果 文件名为casestudy14_apply_spectr

38、a.f06,R E A L E I G E N V A L U E S MODE EXTRACTIONEIGENVALUERADIANSCYCLESGENERALIZEDGENERALIZED NO. ORDERMASSSTIFFNESS 11 -1.665335E-161.290478E-082.053860E-091.000000E+00-1.665335E-16 22 1.409380E+081.187173E+041.889445E+031.000000E+001.409380E+08 3 31.728821E+081.314847E+042.092643E+031.000000E+0

39、01.728821E+08 441.112102E+093.334820E+045.307530E+031.000000E+001.112102E+09 551.259435E+093.548852E+045.648173E+031.000000E+001.259435E+09,R E A L E I G E N V A L U E S (ACTUAL MODES USED IN THE DYNAMIC ANALYSIS) MODE EXTRACTIONEIGENVALUERADIANSCYCLESGENERALIZEDGENERALIZED NO. ORDERMASSSTIFFNESS 22

40、 1.409380E+081.187173E+041.889445E+031.000000E+001.409380E+08 3 31.728821E+081.314847E+042.092643E+031.000000E+001.728821E+08 441.112102E+093.334820E+045.307530E+031.000000E+001.112102E+09 551.259435E+093.548852E+045.648173E+031.000000E+001.259435E+09,案例分析：Step 2-应用频谱,.f06文件中的响应谱分析结果(续),MATRIX FN (G

41、INO NAME 101 ) IS A DB PREC 1 COLUMN X 4 ROW RECTANG MATRIX. COLUMN 1 ROWS 1 THRU 4 - ROW 1) 1.8894D+03 2.0926D+03 5.3075D+03 5.6482D+03 PSIT POINT VALUE POINT VALUE POINT VALUE POINT VALUE POINT VALUE COLUMN 1 57 T3 -6.14442E-04 COLUMN 2 57 T3 7.98213E-12 COLUMN 3 57 T3 -3.69225E-04 COLUMN 4 57 T3

42、1.77909E-10,矩阵FN列出了用于分析的固有频率 矩阵PSIT 列出了模态参与因子(PF) 每阶模态一栏(column)，栏内一行代表一个激励输入 (通常是1个输入).,案例分析：Step 2-应用频谱,.f06文件中的响应谱分析结果(续),U S E T D E F I N I T I O N T A B L E ( I N T E R N A L S E Q U E N C E , R O W S O R T ) R DISPLACEMENT SET -1- -2- -3- -4- -5- -6- -7- -8- -9- -10- 1= 57-3 SCALED SPECTRAL R

43、ESPONSE, ABS OPTION, DLOAD = 500 CLOSE = 1.00 MATRIX UHVR (GINO NAME 101 ) IS A REAL 3 COLUMN X 4 ROW RECTANG MATRIX. 0COLUMN 1 ROWS 1 THRU 4 - ROW 1) -2.8288E-09 -3.0344E-17 -2.0877E-10 -8.8769E-17 0COLUMN 2 ROWS 1 THRU 4 - ROW 1) -3.3583E-05 -3.9898E-13 -6.9620E-06 -3.1503E-12 0COLUMN 3 ROWS 1 THRU 4 - ROW 1) -3.9869E-01 -5.2459E-09 -2.3217E-01 -1.1180E-07,USET表定义了SUPORT卡片中用到的节点和自由度,矩阵UHVR列出了峰值模态响应矩阵为3列4行，以列形式打印，第一列是位移，第二列是速度，第三列是加速度。每一行表示一阶模态响应。,案例分析：Step 2-应用频谱,.f06文件中的响应谱分析结果