ANSYS中的瞬态动力分析

1、瞬态动力分析瞬态动力分析M4-2第一节：瞬态动力分析的定义和目的第一节：瞬态动力分析的定义和目的第二节：瞬态分析状态的基本术语和概念第二节：瞬态分析状态的基本术语和概念第三节：在第三节：在ANSYS中如何进行瞬态分析中如何进行瞬态分析第四节：瞬态分析实例第四节：瞬态分析实例M4-3什么是瞬态动力分析什么是瞬态动力分析? 它是确定随时间变化载荷（例如爆炸）作用下它是确定随时间变化载荷（例如爆炸）作用下结构响应的技术；结构响应的技术； 输入数据：输入数据： 作为时间函数的载荷作为时间函数的载荷 输出数据：输出数据： 随时间变化的位移和其它的导出量，如：应随时间变化的位移和其它的导出量，如：应力和应

2、变。力和应变。M4-4瞬态动力分析可以应用在以下设计中：瞬态动力分析可以应用在以下设计中： 承受各种冲击载荷的结构，如：汽车中的门和缓承受各种冲击载荷的结构，如：汽车中的门和缓冲器、建筑框架以及悬挂系统等；冲器、建筑框架以及悬挂系统等； 承受各种随时间变化载荷的结构，如：桥梁、地承受各种随时间变化载荷的结构，如：桥梁、地面移动装置以及其它机器部件；面移动装置以及其它机器部件； 承受撞击和颠簸的家庭和办公设备，如：移动电承受撞击和颠簸的家庭和办公设备，如：移动电话、笔记本电脑和真空吸尘器等。话、笔记本电脑和真空吸尘器等。M4-5包括的主题如下：包括的主题如下：运动方程运动方程求解方法求解方法积分

3、时间步长积分时间步长M4-6 用于瞬态动力分析的运动方程和通用运动方程相同；用于瞬态动力分析的运动方程和通用运动方程相同； 这是瞬态分析的最一般形式，载荷可为时间的任意函数；这是瞬态分析的最一般形式，载荷可为时间的任意函数； 按照求解方法，按照求解方法， ANSYS 允许在瞬态动力分析中包括各种类允许在瞬态动力分析中包括各种类型的非线性型的非线性- 大变形、接触、塑性等等。大变形、接触、塑性等等。 tFuKuCuM M4-7求解运动方程求解运动方程直接积分法直接积分法模态叠加法模态叠加法隐式积分隐式积分显式积分显式积分完整矩阵法完整矩阵法缩减矩阵法缩减矩阵法完整矩阵法完整矩阵法缩减矩阵法缩减矩

4、阵法M4-8运动方程的两种求解法：运动方程的两种求解法： 模态叠加法（在第六章中讨论）模态叠加法（在第六章中讨论） 直接积分法：直接积分法： 运动方程可以直接对时间按步积分。在每个时间点，运动方程可以直接对时间按步积分。在每个时间点，需求解一组联立的静态平衡方程（需求解一组联立的静态平衡方程（F=ma）；）； ANSYS 采用采用Newmark 法这种隐式时间积分法；法这种隐式时间积分法； ANSYS/LS-DYNA 则采用显式时间积分法；则采用显式时间积分法； 有关显式法和隐式法的讨论请参见第一章。有关显式法和隐式法的讨论请参见第一章。M4-9求解时即可用缩减结构矩阵，也可用完整结构矩阵；求

5、解时即可用缩减结构矩阵，也可用完整结构矩阵；缩减矩阵：缩减矩阵： 用于快速求解；用于快速求解； 根据主自由度写出根据主自由度写出K， C， M等矩阵，主自由度是完全自由等矩阵，主自由度是完全自由度的子集；度的子集； 缩减的缩减的 K 是精确的，但缩减的是精确的，但缩减的 C 和和 M 是近似的。此外，还是近似的。此外，还有其它的一些缺陷，但不在此讨论。有其它的一些缺陷，但不在此讨论。完整矩阵：完整矩阵： 不进行缩减。不进行缩减。 采用完整的采用完整的K， C， 和和 M矩阵；矩阵； 在本手册中的全部讨论都是基于此种方法。在本手册中的全部讨论都是基于此种方法。M4-10积分时间步长（亦称为积分时

6、间步长（亦称为ITS 或或 D Dt ）是时间积分法中的一个重要概）是时间积分法中的一个重要概念念 ITS = 从一个时间点到另一个时间点的时间增量从一个时间点到另一个时间点的时间增量 D Dt ； 积分时间步长决定求解的精确度，因而其数值应仔细选取。积分时间步长决定求解的精确度，因而其数值应仔细选取。ITS 应足够小以获取下列数据：应足够小以获取下列数据： 响应频率响应频率 载荷突变载荷突变 接触频率（如果存在的话）接触频率（如果存在的话） 波传播效应（若存在）波传播效应（若存在）M4-11响应频率响应频率不同类型载荷会在结构中激发不同不同类型载荷会在结构中激发不同的频率的频率（响应频率响应

7、频率）；ITS应足够小以获取所关心的最高应足够小以获取所关心的最高响应频率响应频率 （最低响应周期最低响应周期）；每个循环中有每个循环中有20个时间点应是足够个时间点应是足够的，即：的，即：D Dt = 1/20f式中式中 ，f 是所关心的最高响应频率是所关心的最高响应频率。响应周期M4-12载荷突变载荷突变 ITS 应足够小以获取载荷应足够小以获取载荷突变突变LoadtLoadtM4-13接触频率接触频率当两个物体发生接触，间隙或接触表面当两个物体发生接触，间隙或接触表面通常用刚度（间隙刚度）来描述；通常用刚度（间隙刚度）来描述；ITS应足够小以获取间隙应足够小以获取间隙“弹簧弹簧”频率频率

8、；建议每个循环三十个点，这才足以获取建议每个循环三十个点，这才足以获取在两物体间的动量传递，比此更小的在两物体间的动量传递，比此更小的ITS 会造成能量损失，并且冲击可能不会造成能量损失，并且冲击可能不是完全弹性的。是完全弹性的。mass effectivestiffness gapfrequencycontact 21301mkfmkffITScccM4-14波传播波传播由冲击引起。在细长结构中更由冲击引起。在细长结构中更为显著（如下落时以一端着地为显著（如下落时以一端着地的细棒）的细棒）需要很小的需要很小的ITS ，并且在沿波并且在沿波传播的方向需要精细的网格划传播的方向需要精细的网格划分

9、分显式积分法（在显式积分法（在ANSYS-LS/DYNA采用）可能对此更为采用）可能对此更为适用适用density massmodulus sYoung speed waveelasticdirection wavealonglength 20/sizeelement 3DDEEcLLxcxITSM4-15 在此节中只讨论完整矩阵在此节中只讨论完整矩阵 五个主要步骤：五个主要步骤： 建模建模 选择分析类型和选项选择分析类型和选项 规定边界条件和初始条件规定边界条件和初始条件 施加时间历程载荷并求解施加时间历程载荷并求解 查看结果查看结果M4-16模型模型允许所有各种非线性允许所有各种非线性记住

10、要输入密度！记住要输入密度！其余参见第一章建模所要考虑的问题其余参见第一章建模所要考虑的问题M4-17/PREP7ET,.MP,EX,.MP,DENS,! 建立几何模型建立几何模型! 划分网格划分网格.M4-183 建模建模选择分析类型和选项：选择分析类型和选项：进入求解器并选择瞬态分析进入求解器并选择瞬态分析求解方法和其它选项求解方法和其它选项- 将在下面讨论将在下面讨论阻尼阻尼 将在下面讨论将在下面讨论典型命令典型命令:/SOLUANTYPE，TRANS，NEWM4-19求解方法求解方法完整矩阵方法为缺省方法。允许下列非完整矩阵方法为缺省方法。允许下列非线性选项：线性选项： 大变形大变形

11、应力硬化应力硬化 Newton-Raphson 解法解法集中质量矩阵集中质量矩阵主要用于细长梁和薄壁壳或波的传播主要用于细长梁和薄壁壳或波的传播公式求解器公式求解器由程序自行选择由程序自行选择M4-20TRNOPT，FULLNLGEOM，SSTIF，NROPT，LUMPM，EQSLV，.M4-21阻尼阻尼 和和b b阻尼均可用；阻尼均可用；在大多数情况下，忽略在大多数情况下，忽略阻尼（粘性阻阻尼（粘性阻尼），仅规定尼），仅规定b b阻尼（由滞后造成的阻阻尼（由滞后造成的阻尼）：尼）：b b = 2 /w w式中式中 为阻尼比，为阻尼比，w w 为主要响应频率为主要响应频率 （rad/sec）。

12、）。典型命令典型命令:ALPHAD，BETAD，M4-223 建模建模3 选择分析类型和选项选择分析类型和选项规定边界条件和初始条件规定边界条件和初始条件在这种情况下边界条件为载荷或在整在这种情况下边界条件为载荷或在整个瞬态过程中一直为常数的条件，例个瞬态过程中一直为常数的条件，例如：如： 固定点（约束）固定点（约束） 对称条件对称条件 重力重力初始条件将在下面讨论初始条件将在下面讨论M4-23DK，! 或或 D或或 DSYMDL，DA，ACEL，OMEGA，.M4-24初始条件初始条件时间时间t = 0时的条件：时的条件：u0， v0， a0 它们的缺省值为它们的缺省值为， u0 = v0

13、= a0 = 0 可能要求非零初始条件的实例：可能要求非零初始条件的实例： 飞机着陆飞机着陆 (v0 0) 高尔夫球棒击球高尔夫球棒击球 (v0 0) 物体跌落试验物体跌落试验 (a0 0)M4-25施加初始条件的两种方法：施加初始条件的两种方法：以静载荷步开始以静载荷步开始 当只需在模型的一部分上施加初始条件时，例如，用强加的位移当只需在模型的一部分上施加初始条件时，例如，用强加的位移将悬臂梁的自由端从平衡位置将悬臂梁的自由端从平衡位置“拨拨”开时，这种方法是有用的；开时，这种方法是有用的； 用于需要施加非零初始加速度时。用于需要施加非零初始加速度时。使用使用IC 命令命令 Solution

14、 Apply Initial Conditn Define + 当需在整个物体上施加非零初始位移或速度时当需在整个物体上施加非零初始位移或速度时IC 命令法是有用命令法是有用的。的。M4-26实例实例 - 物体从静止状态下落物体从静止状态下落这种情况这种情况 a0=g （重力加速度）重力加速度）v0=0采用静载荷步法采用静载荷步法载荷步载荷步1： 关闭瞬态效应。用关闭瞬态效应。用TIMINT，OFF 命令或命令或Solution Time/Frequenc Time Integration. 采用小的时间间隔，例采用小的时间间隔，例， 0.001； 采用采用2 个子步个子步， 分步加载分步加载

15、（如果采用线性载荷或一个子步，如果采用线性载荷或一个子步， v0 就将是非零的）；就将是非零的）； 保持物体静止，例如，固定物体的全部自由度；保持物体静止，例如，固定物体的全部自由度； 施加等于施加等于 g 的加速度；的加速度； 求解。求解。M4-27! 载荷步载荷步 1TIMINT，OFF! 关闭瞬态效应关闭瞬态效应TIME，0.001! 小的时间间隔小的时间间隔NSEL， ! 选择所有小物体的所有节点选择所有小物体的所有节点D，ALL，ALL，0! 并在所有方向上定义固定约束并在所有方向上定义固定约束NSEL，ALLACEL， ! 加速度值加速度值NSUBST，2! 两个子步两个子步KBC

16、，1 ! 阶梯载荷阶梯载荷SOLVEM4-28载荷步载荷步 2： 打开瞬态效应；打开瞬态效应； 释放物体，例如释放物体，例如， 删除物体上的删除物体上的 DOF 自由度约束；自由度约束； 规定终止时间，连续进行瞬态分析。规定终止时间，连续进行瞬态分析。Acelt0.00050.001Load step 1M4-29! 载荷步载荷步 2TIMINT，ON ! 打开瞬态效应开关打开瞬态效应开关TIME， ! 指定载荷步实际的终点时刻指定载荷步实际的终点时刻NSEL， !选择所有小物体的所有节点选择所有小物体的所有节点DDELE，ALL，ALL ! 并删除所有约束并删除所有约束NSEL，ALLSOL

17、VE.M4-30实例实例 将悬臂梁的自由端从平衡位置将悬臂梁的自由端从平衡位置“拨拨”开开“这种情况时，在梁的自由端这种情况时，在梁的自由端 u0 0 ， v0=0；用静载荷步法；用静载荷步法；载荷步载荷步 1： 关闭瞬态效应。用关闭瞬态效应。用 TIMINT，OFF 命令或命令或Solution Time/Frequenc Time Integration. 采用小的时间间隔，例如，采用小的时间间隔，例如， 0.001； 2个子步个子步， 分步加载（如果采用线性载荷或用一个子步，分步加载（如果采用线性载荷或用一个子步，v0 就将就将是非零的）；是非零的）； 在梁的自由端施加所要求的非零位移；

18、在梁的自由端施加所要求的非零位移； 求解。求解。M4-31! 载荷步载荷步 1TIMINT，OFF! 关闭瞬态效应关闭瞬态效应TIME，0.001! 小的时间间隔小的时间间隔D， ! 在指定节点定义强制位移在指定节点定义强制位移NSUBST，2! 两个子步两个子步KBC，1 ! 阶梯载荷步阶梯载荷步SOLVEM4-32载荷步载荷步2： 打开瞬态效应；打开瞬态效应； 删除强加位移；删除强加位移； 指定终止时间，连续进行瞬态分析。指定终止时间，连续进行瞬态分析。M4-33! 载荷步载荷步 2TIMINT，ON ! 打开瞬态效应开关打开瞬态效应开关TIME， ! 指定载荷步实际的终点时刻指定载荷步实

19、际的终点时刻DDELE， ! 删除所有强制位移删除所有强制位移.SOLVE.M4-34实例实例 - 高尔夫球棒端头的初速度高尔夫球棒端头的初速度假定只对高尔夫球棒端头建模，并且整个端头运动假定只对高尔夫球棒端头建模，并且整个端头运动，这时有初始条件，这时有初始条件v0 0。 同时又假定同时又假定 u0 = a0 = 0；在这种情况下使用在这种情况下使用IC 命令法是方便的命令法是方便的1 选择球棒上的全部节点；选择球棒上的全部节点；2 用用 IC 命令施加初始速度或；命令施加初始速度或； 选择选择 Solution Apply Initial Conditn Define + 选用全部节点选用

20、全部节点 选择方向并输入速度值选择方向并输入速度值3 激活全部节点；激活全部节点；4 规定终止时间，施加其它载荷条件（如果存在规定终止时间，施加其它载荷条件（如果存在的话），然后求解。的话），然后求解。M4-35NSEL，IC，NSEL，ALLTIME，SOLVEM4-36实例实例 承受冲击载荷的固定平板承受冲击载荷的固定平板此种情况下此种情况下 u0 = v0 = a0 = 0；这些初始条件都是这些初始条件都是ANSYS中的缺省初始条件值，所以这里不必再规中的缺省初始条件值，所以这里不必再规定它们！定它们！只施加边界条件和冲击载荷，然后求解。只施加边界条件和冲击载荷，然后求解。M4-373

21、建模建模3 选择分析类型和选项选择分析类型和选项3 规定边界条件和初始条件规定边界条件和初始条件施加时间施加时间-历程载荷和求解历程载荷和求解时间时间- 历程载荷是随时间变化的载荷历程载荷是随时间变化的载荷这类载荷有两种施加方法：这类载荷有两种施加方法： 列表输入法列表输入法 多载荷步施加法多载荷步施加法LoadtLoadtLoadtM4-380.5Forcet列表输入法列表输入法允许定义载荷随时间变化的表（用数组参数）并采用此表作为允许定义载荷随时间变化的表（用数组参数）并采用此表作为载荷；载荷；尤其是在同时有几种不同的载荷，而每种载荷又都有它自己的尤其是在同时有几种不同的载荷，而每种载荷又

22、都有它自己的时间历程时很方便；时间历程时很方便；例如，要施加下图所示的力随时间变化曲线：例如，要施加下图所示的力随时间变化曲线：1. 选择选择 Solution Apply Force/Moment On Nodes，然后拾然后拾取所需节点取所需节点22.5101.01.5M4-39! 首先定义载荷首先定义载荷-时间数组时间数组*DIM，FORCE，TABLE，5，1，TIME! 类型表数组类型表数组FORCE(1，0)=0，0.5，1，1.01，1.5! 时间值时间值FORCE(0，1)=0，22.5，10，0，0! 载荷值载荷值! 然后将力数组定义到指定的节点上然后将力数组定义到指定的节点

23、上NSEL， ! 选择指定的节点选择指定的节点F，ALL，FZ，%FORCE% ! 在所有选择节点上定义表载荷在所有选择节点上定义表载荷NSEL，ALL.M4-402. 选择力方向和选择力方向和 “新表新表New table”， 然后确定（然后确定（OK）；）；3. 输入表名和行数（时间点的数输入表名和行数（时间点的数量），然后确定（量），然后确定（OK）；）；4. 填入时间和载荷值，然后填入时间和载荷值，然后File Apply/Quit；M4-415. 规定终止时间和积分时间步长规定终止时间和积分时间步长 Solution Time/Frequenc Time - Time Step 不必

24、指定载荷的分步或线性条件，这已包含在载荷曲线中不必指定载荷的分步或线性条件，这已包含在载荷曲线中6. 激活自动时间步，规定输出控制，然后求解（稍后讨论）。激活自动时间步，规定输出控制，然后求解（稍后讨论）。典型命令典型命令:TIME，! 终点时间终点时间DELTIM，0.002，0.001，0.1! 起始起始,最小和最大最小和最大 ITSAUTOTS，ONOUTRES，SOLVEM4-42多载荷步法多载荷步法 允许在单个的载荷步中施加载荷允许在单个的载荷步中施加载荷时间曲线中时间曲线中的一段载荷；的一段载荷； 不必用数组参数，只需施加每段载荷并且或者不必用数组参数，只需施加每段载荷并且或者求解

25、该载荷步或者将其写入一个载荷步文件中求解该载荷步或者将其写入一个载荷步文件中 (LSWRITE)。M4-43实例实例，施加前面所述的力随时间变化曲线：施加前面所述的力随时间变化曲线：1. 对施加方法作出计划，这种情况需用三个对施加方法作出计划，这种情况需用三个载荷步：一个为递增线性载荷，一个为递载荷步：一个为递增线性载荷，一个为递减线性载荷，另一个为阶梯式的除去载荷减线性载荷，另一个为阶梯式的除去载荷；Forcet22.5100.51.01.52. 定义载荷步定义载荷步 1： 在要求的节点上施加在要求的节点上施加22.5单位的力；单位的力； 规定施加此力的终止时间规定施加此力的终止时间 (0.

26、5)，指出时间步长和线性载荷；指出时间步长和线性载荷； 激活自动时间步功能激活自动时间步功能*，规定输出控制规定输出控制 *， 或者进行求解，或或者进行求解，或将此载荷步写入载荷步文件中。将此载荷步写入载荷步文件中。*将在后面讨论将在后面讨论M4-44! Load step 1F， ! 在指定的节点上定义力在指定的节点上定义力22.5TIME，0.5 ! 终点时间终点时间DELTIM， ! 积分时间步长积分时间步长KBC，0 ! 斜坡载荷斜坡载荷AUTOTS，ONOUTRES，SOLVE ! 或或LSWRITEM4-453. 定义载荷步定义载荷步2： 改变力值为改变力值为10.0； 规定终止时

27、间规定终止时间 (1.0)。不必重新指定积分时间步长或线性载荷不必重新指定积分时间步长或线性载荷条件；条件； 求解或将此载荷步写入载荷步文件中。求解或将此载荷步写入载荷步文件中。4. 定义载荷步定义载荷步3： 删除力或将其值设置为零；删除力或将其值设置为零； 规定终止时间规定终止时间 (1.5) 并分步加载；并分步加载； 求解或将此载荷步写入载荷步文件中。求解或将此载荷步写入载荷步文件中。M4-46! 载荷步载荷步 2F，! 在指定的节点上定义力在指定的节点上定义力10.0 TIME，1.0 ! 终点时间终点时间SOLVE! 或或 LSWRITE! 载荷步载荷步 3FDELE，! 删除力删除力

28、TIME，1.5 ! 终点时间终点时间KBC，1! 阶梯载荷阶梯载荷SOLVE! 或或LSWRITEM4-47积分时间步长积分时间步长(ITS) ，自动时间步长和输入控制为时间，自动时间步长和输入控制为时间-历程加载的重历程加载的重要组成部分；要组成部分；上面已经讨论了如何计算上面已经讨论了如何计算ITS，为了规定为了规定 ITS，采用采用DELTIM 命令或在命令或在主菜单中选择主菜单中选择Solution Time/Frequenc Time - Time StepM4-48自动时间步长自动时间步长采用一种算法自动计算瞬态分析过程中合适的采用一种算法自动计算瞬态分析过程中合适的ITS大小大

29、小建议激活自动时间步长功能，并规定建议激活自动时间步长功能，并规定ITS的最小和最大值的最小和最大值如果存在非线性，采用如果存在非线性，采用“程序选择程序选择”选项选项注意注意: 在在ANSYS 5.5中，总体求解器控制开关中，总体求解器控制开关SOLCONTROL的缺省的缺省状态为开，状态为开， 建议保留这一状态，更为重要的是，不要在载荷步之间建议保留这一状态，更为重要的是，不要在载荷步之间打开或关闭此开关打开或关闭此开关M4-49输出控制输出控制用于确定写入结果文件的内容用于确定写入结果文件的内容用用OUTRES 命令或选择在主菜单中命令或选择在主菜单中Solution Output Ct

30、rls DB/Results File. 典型的选择是对每个子步将全部项目写典型的选择是对每个子步将全部项目写入结果文件中。这样做的结果是：入结果文件中。这样做的结果是： 可以画出结果随时间变化的平滑曲线可以画出结果随时间变化的平滑曲线 可能造成结果文件过大可能造成结果文件过大典型命令典型命令:OUTRES，ALL，ALLM4-50求解求解采用采用 SOLVE 命令（或者，如果已写成了结命令（或者，如果已写成了结果文件，则采用果文件，则采用 LSSOLVE ）在每个时间子步，在每个时间子步，ANSYS 按照载荷按照载荷-时间时间曲线计算载荷值曲线计算载荷值典型命令典型命令:SOLVE! 或或 LSSOLVEFINISHM4-513 建模建模3 选择分析类型和选项选择分析类型和选项3 指定边界和初始条件指定边界和初始条件3 施