ANSY动力学分析（34清楚明了）

目录第一章:动动力学学绪论M1-4第一节动动力学分分析概述M1-6第二节动力学分析析类型M1-9第三节基本概念和和术语M1-14第四节动力学分析析实例M1-33第二章:模模态分分析M2-1第一节模态分析概概述M2-3第二节模态分析术术语和概念念M2-5第三节模态分析步步骤M2-14第四节模态分析实实例M2-33第五节有预应力的的模态分析析M2-34第六节模态的循环环对称性问问题M2-42第三章:谐谐分析析M3-1第一节谐分析概述述M3-3第二节术语语和概念M3-6第三节谐分分析步骤M3-12第四节谐分分析实例M3-331目录（接接上页）第四章:瞬瞬态动动力学分析析M4-1第一节瞬瞬态动力力学分析概概述M4-3第二节瞬瞬态动力力学分析术术语和概念念M4-5第三节瞬瞬态动力力学分析步步骤M4-15第四节瞬瞬态动力力学分析实实例M4-49第五章:谱谱分析析M5-1第一节谱谱分析概概述M5-3第二节响响应谱分分析M5-5第三节随随即震动动分析M5-28第六章:模模态叠叠加M6-1第一节什什么是模模态叠加?M6-3第二节模模态叠加步步骤M6-5第三节模态态叠加实例M6-232第一章动力学绪论3第一章:动动力学绪论论第一节:动动力学分析析的定义和目目的第二节:动动力学分析析的不同类型型第三节:基基本概念和和术语第四节:动动力学分析析的一个实例例4动力学第一节:定定义和目的的什么是动力学学分析?动力学分析是是用来确定惯惯性（质量效效应）和阻尼尼起着重要作作用时结构或或构件动力学学特性的技术术。“动力学特性””可能指的的是下面的一一种或几种类类型:振动特性-（结构振振动方式和振振动频率）随时间变化载载荷的效应（（例如：对结结构位移和应应力的效应））周期（振动））或随机载荷荷的效应5动力学定义和目的（接上页）静力分析也许许能确保一个个结构可以承承受稳定载荷荷的条件，但但这些还远远远不够，尤其其在载荷随时时间变化时更更是如此。著名的美国塔塔科马海峡吊吊桥（GallopingGertie）在1940年11月7日，，也就是在它它刚建成4个个月后，受到到风速为42英里/小时时的平稳载荷荷时发生了倒倒塌。6动力学定义和目的（接上页）动力学分析通通常分析下列列物理现象:振动-如如由于旋转机机械引起的振振动冲击-如如汽车碰撞，，锤击交变作用力-如各种种曲轴以及其其它回转机械械等地震载荷-如地震，，冲击波等随机振动-如火箭发发射，道路运运输等上述每一种情情况都由一个个特定的动力力学分析类型型来处理7动力学第二节:动动力学分析析类型请看下面的一一些例子:在工作中，汽汽车尾气排气气管装配体的的固有频率与与发动机的固固有频率相同同时，就可能能会被震散。。那么，怎样样才能避免这这种结果呢?受应力（或离离心力）作用用的涡轮叶片片会表现出不不同的动力学学特性，如何何解释这种现现象呢?答案：进行模态分析来确定结构的的振动特性8动力学动力学分析类类型（接上页页）汽车防撞挡板板应能承受得得住低速冲击击一个网球排框框架应该设计计得能承受网网球的冲击，，但会稍稍发发生弯曲解决办法：：进行瞬态动力学分分析来计算结构对对随时间变化化载荷的响应应9动力学动力学分析类类型（接上页页）回转机器对轴轴承和支撑结结构施加稳态态的、交变的的作用力，这这些作用力随随着旋转速度度的不同会引引起不同的偏偏转和应力解决办办法：：进进行行谐分析析来确定定结构对稳稳态简简谐载载荷的的响应应10位于地地震多多发区区的房房屋框框架和和桥梁梁应该该设计计应当当能够够承受受地震震载荷荷要求求.解决办办法：：进行行谱分析析来确定定结构构对地地震载载荷的影响响Courtesy:USGeologicalSurvey动力学学动力学学分析析类型型（接接上页页）11太空船船和飞飞机的的部件件必须须能够够承受受持续续一段段时间间的变变频率率随机机载荷荷。解决办办法：：进进行随机振振动分分析来确定定结构构对随随机震震动的的影响响Courtesy:NASA动力学学动力学学分析析类型型（接接上页页）12动力学学第三节节:基基本概概念和和术语语讨论的的问题题:通用运运动方方程求解方方法建模要要考虑虑的因因素质量矩矩阵阻尼13动力学学-基基本概概念和和术语语运动方方程通用运运动方方程如如下：：不同分分析类类型是是对这这个方方程的的不同同形式式进行行求解解模态分分析：：设定定F（t）为零，而矩阵阵[C]通常被被忽略略；谐响应应分析析：假假设F（t）和u（t）都为谐谐函数数，例例如Xsin（wt），，其中，X是振幅幅，w是单位位为弧弧度/秒的的频率率；瞬间动动态分分析：：方程程保持持上述述的形形式。。14动力学学-基基本概概念和和术语语运动方方程(接上上页)其中:[M]=结构质质量矩矩阵[C]=结构阻阻尼矩矩阵[K]=结构刚刚度矩矩阵{F}=随时间间变化化的载载荷函函数{u}=节点位位移矢矢量{ů}=节点速速度矢矢量{ü}=节点加加速度度矢量量15动力学学-基本本概念念和术术语求解方方法如何求求解通通用运运动方方程?两种主主要方方法：：模态叠叠加法法直接积积分法法模态叠叠加法法按自然然频率率和模模态将将完全全耦合合的通通用运运动方方程转转化为为一组组独立立的非非耦合合方程程可以用用来处处理瞬瞬态动动力学学分析析和谐谐响应应分析析详见见第第六六章章16动力力学学-基基本本概概念念和和术术语语求解解方方法法（（接接上上页页））直接接积积分分法法直接接求求解解运运动动方方程程在谐谐响响应应分分析析中中，，因因为为载载荷荷和和响响应应都都假假定定为为谐谐函函数数，，所所以以运运动动方方程程是是以以干干扰扰力力频频率率的的函函数数而而不不是是时时间间的的函函数数的的形形式式写写出出并并求求解解的的对于于瞬瞬态态动动力力学学，，运运动动方方程程保保持持为为时时间间的的函函数数，，并并且且可可以以通通过过显显式式或或隐隐式式的的方方法法求求解解17动力力学学-基基本本概概念念和和术术语语求解解方方法法（（接接上上页页））显式式求求解解方方法法也称称为为闭闭式式求求解解法法或或预预测测求求解解法法积分分时时间间步步Dt必须须很很小小，，但但求求解解速速度度很很快快（（没没有有收收敛敛问问题题）可用用于于波波的的传传播播，，冲冲击击载载荷荷和和高高度度非非线线性性问问题题ANSYS-LS/DYNA就是是使使用用这这种种方方法法，，此此处处不不作作介介绍绍隐式式求求解解法法也可可成成为为开开式式求求解解法法或或修修正正求求解解法法积分分时时间间步步Dt可以以较较大大，，但但方方程程求求解解时时间间较较长长（（因因为为有有收收敛敛问问题题））除了了Dt必须须很很小小的的问问题题以以外外，，对对大大多多数数问问题题都都是是有有效效的的ANSYS使用用Newmark时间间积积分分方方法法18动力力学学-基基本本概概念念和和术术语语求解解方方法法（（接接上上页页））显式式方方法法当前前时时间间点点的的位位移移{u}t由包包含含时时间间点点t-1的方方程程推推导导出出来来有条条件件稳稳定定:如果果Dt超过过结结构构最最小小周周期期的的确确定定百百分分数数,计计算算位位移移和和速速度度将将无无限限增增加加隐式方法法当前时间间点的位位移{u}t由包含时时间点t的方程推推导出来来无条件稳稳定:Dt的大小仅仅仅受精精度条件件控制,无稳稳定性。。19动力学-基基本概念念和术语语建模要考考虑的问问题几何形状状和网格格划分材料性质质各种非线线性几何形状状和网格格划分:一般同于于静态分分析要考考虑的问问题要包括能能充分描描绘模型型几何形形状所必必须的详详细资料料在关心应应力结果果的区域域应进行行详细的的网格划划分，在在仅关心心位移结结果的时时候，粗粗糙的网网格划分分可能就就足够了了20动力学-基基本概念念和术语语建模要考考虑的问问题（接接上页））材料性质质:需要定义义杨氏模模量和密密度请记住要要使用一一致的单单位当使用英英制单位位时，对对于密度度，要定定义质量量密度而而不是重重力密度度：质量密度度=重力密度度（lb/in3）/g（（in/sec2）钢的密度度=0283/386=73x10-4lb-sec2/in421动力学-基基本概念念和术语语建模要考考虑的问问题（接接上页））非线性（（大变变形，接接触，塑塑性等等等）：仅在完全全瞬态动动力学分分析中允允许使用用。在所有其其它动力力学类型型中（如如模态分分析、谐谐波分析析、谱分分析以及及简化的的模态叠叠加瞬态态分析等等），，非线性性问题均均被忽略略，也就就是说最最初的非非线性状状态将在在整个非非线性求求解过程程中一直直保持不不变。2212BEAM3动力学-基基本概念念和术语语质量矩阵阵对于动力力学分析析需要质质量矩阵阵[M]，并且这个个质量矩矩阵是按按每个单单元的密密度以单单元计算算出来的的。有两种类类型的质质量矩阵阵[M]:一致质量量矩阵和集中质量量矩阵，，对于2-D梁单元BEAM3，其质量分分布矩阵阵和集中中质量矩矩阵如下下所示：：23动力学-基基本概念念和术语语质量矩阵阵（接上页））一致质量量矩阵通过单元元形函数数计算出出来；是大多数数单元的的缺省选选项；某些单元元有一种种称为简化质量量矩阵的特殊形形式的质质量矩阵阵，其中中对应于于转动自自由度的的各元素素均被置置零。集中质量量矩阵质量被单单元各节节点所平平分，非非对角线线元素均均为零；；通过分析析选项来来激活。。24动力学-基基本概念念和术语语质量矩阵阵（接上页））应当采用用哪种质质量矩阵阵?对大多数数分析来来说，一一致质量量矩阵为为缺省设设定；若结构在在一个方方向的尺尺寸与另另两个方方向相比比很小时时，可采采用简化化质量矩矩阵（如如果可能能得到的的话）或或集中质质量矩阵阵例如细细长的梁梁或很薄薄的壳；；集中质量量矩阵可可用于波波的传播播问题。。25动力学-基基本概念念和术语语阻尼什么是阻阻尼?阻尼是一一种能量量耗散机机制，它它使振动动随时间间减弱并并最终停停止阻尼的数数值主要要取决于于材料、、运动速速度和振振动频率率阻尼可分分类如下下：粘性阻尼尼滞后或固固体阻尼尼库仑或干干摩擦阻阻尼26动力学-基基本概念念和术语语阻尼（接上页））粘性阻尼尼粘性阻尼尼一般物物体在液液体中运运动时发发生由于阻尼尼力与速速度成正正比，因因此在动动力学分分析中要要考虑粘粘性阻尼尼比例常数数c称作阻尼尼常数通常用阻尼比x（阻尼常数数c对临界阻阻尼常数数cc*的比值））来量化化表示临界阻尼尼定义为为出现振振荡和非非振荡行行为之间间的阻尼尼的极值值,此此处阻尼尼比=10*对一个个质量量为m，，频率为为w的单自自由度度弹簧簧质量量系统统,cc=2mw注意:阻阻尼比比x=对于螺螺栓或或铆钉钉链接接结构构为2%到到15%27动力学学-基基本概概念和和术语语阻尼（接上页页）滞后和和固体体阻尼尼是材料料的固固有特特性在动力力学分分析中中应该该考虑虑认识还还不是是很透透彻，，因此此很难难定量量的确确定库仑或或干摩摩擦阻阻尼物体在在干表表面上上滑动动时产产生的的阻尼尼阻尼力力与垂垂直于于表面面的力力成正正比比例常常数m就是摩摩擦系系数动力学学分析析中一一般不不予考考虑28动力学学-基基本概概念和和术语语阻尼（接上页页）ANSYS允许上上述所所有三三种形形式的的阻尼尼通过规规定阻阻尼比比x,Rayleigh阻尼常常数a（后面将将进行行讨论论），，或定定义带带有阻阻尼矩矩阵的的单元元，可可将粘粘性阻阻尼纳纳入考考虑通过规规定另另一种种Rayleigh阻尼常常数b（后面将将进行行讨论论）可可将滞滞后或或固体体阻尼尼纳入入考虑虑通过规规定带带有摩摩擦性性能的的接触触表面面单元元和间间隙单单元，，可将将库仑仑阻尼尼纳入入考虑虑，（（此处处不进进行讨讨论，，可参参见ANSYS结构分分析指指南））29动力学学-基基本概概念和和术语语阻尼（接上页页）Rayleigh阻尼常常数a和b用作矩矩阵[M]和[K]的乘子子来计计算[C]:[C]=a[M]+b[K]a/2w+bw/2=x此处w是频率率,x是阻尼尼比在不能能定义义阻尼尼比x时，需需使用用这两两个阻阻尼常常数a是粘度度阻尼尼分量量，b是滞后后或固固体或或刚度度阻尼尼分量量30动力学学-基基本概概念和和术语语阻尼（接上页页）a阻尼亦可称称作质质量阻阻尼如果忽忽略b阻尼，，a可通过过只有有当粘粘度阻阻尼是是主要要因素素时才才规定定此值值，如如在进进行各各种水水下物物体、、减震震器或或承受受风阻阻力物物体的的分析析