ansys瞬态分析解析

会计学1ansys瞬态分析解析瞬态动力分析A.瞬态动力分析的定义和目的B.瞬态分析的基本术语和概念C.在ANSYS中如何进行瞬态分析D.瞬态分析实例第1页/共66页瞬态分析

定义和目的什么是瞬态动力分析?分析结构在任意随时间变化载荷作用下的响应的技术输入数据作为时间函数的载荷（稍候详细说明）输出数据随时间变化的位移和其它的导出量，如：应力和应变第2页/共66页瞬态分析

…定义和目的瞬态动力分析用在以下的设计中：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承受撞击和颠簸的家庭和办公设备，如：便携式电话、笔记本电脑和真空吸尘器等第3页/共66页瞬态分析

B.术语和概念包括的主题如下：运动方程求解方法积分时间步长第4页/共66页瞬态分析–术语和概念

运动方程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在瞬态动力分析中，不同的分析方法允许包括各种类型的非线性特性（大变形、接触、塑性等）第5页/共66页瞬态分析-术语和概念

求解方法求解运动方程直接积分法模态叠加法隐式积分显式积分完全法缩减法完全法缩减法第6页/共66页瞬态分析–术语和概念

…求解方法运动方程的两种求解法：模态叠加法（稍候做专题讨论）直接积分法运动方程直接对时间分步积分，并在每个时间点(time=0,Dt,2Dt,3Dt,….)求解一组同时发生的静态平衡方程(F=ma)提供了不同的积分方法：比如Centraldifference,Averageacceleration,Houbolt,WilsonQ,Newmark等第7页/共66页ANSYS用Newmark积分方法：不同的a和d值将导致积分方法的变化（显式/隐式/平均加速度)，ansys可以使用替代参数γ(gamma),只要将γ设置为大于0的数，则方程就是无条件稳定的。通常设置γ为0.005。Newmark是一种隐式方法。ANSYS/LS-DYNA使用显式方法（向前差分时间积分）。见第一章关于隐式和显式的讨论。

瞬态分析-术语和概念

…求解方法第8页/共66页瞬态分析-术语和概念

…求解方法求解时即可用缩减结构矩阵，也可用完整结构矩阵。缩减法用于快速求解不允许非线性(除间隙之外)根据主自由度写出[K]、[C]和[M]等矩阵，主自由度是所有自由度的一个子集缩减的[K]是精确的，但缩减的[C]和[M]是近似的。此外，还有其它的一些缺陷，但不在此讲座讨论完全法不进行缩减。

采用完整的[K]、[C]和[M]矩阵允许非线性特性在本手册中的全部讨论都是基于此种方法第9页/共66页瞬态分析-术语和概念

积分时间步长积分时间步长（亦称为ITS或

Dt）是时间积分法中的一个重要概念ITS是从一个时间点到另一个时间点的时间增量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瞬态分析中，对于缩减法和模态叠加法，ITS是一个常数瞬态分析中，对于完全法,在使用者定义的范围（以后讨论）内，ANSYS能够自动调节时间步长第10页/共66页积分时间步长（ITS）应小到足够获取下列数据：响应频率接触频率（如果存在的话）波传播效应（如果存在的话）非线性响应(塑性、蠕变和接触状态)瞬态分析-术语和概念

…积分时间步长第11页/共66页瞬态分析-术语和概念

…积分时间步长响应频率不同类型载荷会在结构中激发不同的自然频率响应频率是载荷引起全部频率的加权频率ITS应足够小到获取所关心的最高响应频率每个循环中有20个时间点应是足够的，即：

Dt=1/20f

式中f是所关心的响应频率响应周期第12页/共66页响应频率(接上页)求解时，完全法给出响应频率和在每个周期的点数目的是保持每个周期20个点ANSYS自动增加或减少ITS来保证每个周期默认有20个点。需要加速度结果时ITS要更小些瞬态分析-术语和概念

…积分时间步长第13页/共66页瞬态分析-术语和概念

…积分时间步长接触频率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ITS应足够小到获取间隙“弹簧”频率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，比此更大的ITS会造成能量损失，并且冲击可能不是完全弹性的求解过程中，将给出响应频率和接触频率第14页/共66页瞬态分析-术语和概念

…积分时间步长波传播由冲击引起。在细长结构中更为显著（如下落时以一端着地的细棒）需要很小的ITS，并且在沿波传播的方向需要精细的网格划分显式积分法（在ANSY

S-LS/DYNA采用）可能对此更为适用第15页/共66页非线性响应完全法的瞬态分析能够包含各种非线性特性非线性特性可以归纳为3种类型:材料非线性(塑性、,蠕变、

超弹性…)几何非线性(大应力、大转角、屈曲)单元非线性(接触,缆绳)在每个时间点，非线性要求迭代求解这些迭代被称为平衡迭代瞬态分析-术语和概念

…积分时间步长第16页/共66页非线性响应(接上页)一般小的ITS有助于快速收敛塑性、蠕变和摩擦非线性本质上是非保守的。这些非线性要求精确的加载历程。小的ITS有助于精确描述加载历程。捕捉接触状态也要求小的ITS瞬态分析-术语和概念

…积分时间步长第17页/共66页Attime=tAttime=t+Dt非线性响应(接上页)球撞击平板例子在大的Dt时，球穿透平板如果球穿透过多（超过球半径），接触将探测不到瞬态分析-术语和概念

…积分时间步长第18页/共66页怎样选择一个好的ITS呢？ANSYS推荐的办法是激活自动时间步长(AUTOTS)，然后提供Dtinitial、,Dtmin和

Dtmax。ANSYS用自动时间步长算法决定最优的Dt值例如：如果AUTOTS开始时是Dtinitial=1秒,Dtmin=0.01秒,并且

Dtmax=10秒;ANSYS开始计算时ITS=1秒，并且允许ITS的值在0.01和10之间变化瞬态分析-术语和概念

…积分时间步长第19页/共66页完全瞬态分析时，AUTOTS默认为打开。缩减法和模态迭加法时，不允许使用AUTOTSAUTOTS在下列情况下将减少ITS(不小于Dtmin):在响应频率少于20个点时求解不收敛非线性迭代次数增加（收敛缓慢）在一个时间步内塑性应变累积超过15%蠕变率超过0.1如果接触状态将改变(大部分的接触单元的KEYOPT(7)来控制)瞬态分析-术语和概念

…积分时间步长第20页/共66页瞬态分析

C.步骤在此节中只讨论FULL方法五个主要步骤：

建模选择分析类型和选项规定边界条件和初始条件施加时间历程载荷并求解查看结果第21页/共66页瞬态分析步骤

建模模型允许所有各种非线性必须指定系统的杨式模量或某种形式的刚度必须指定密度或某种形式的质量

其余建模要求同其它分析第22页/共66页瞬态分析步骤

选择分析类型和选项建模选择分析类型和选项：进入求解器并选择瞬态分析选择完全瞬态求解

求解选项-将在下面讨论阻尼–将在下面讨论第23页/共66页求解方法选择大位移或小位移分析方法不确定时，选择大位移瞬态分析法瞬态分析步骤

…选择分析类型和选项指定输出控制（后面讨论）指定加载步结束时的时间自动时间步长（后面讨论）指定初始时当前载荷步最小和最大值Dt第24页/共66页自动时间步长在瞬态分析时，自动计算合适的ITS建议选中该选项，并且指定最小和最大的ITS值如果有非线性，选中“ProgramChosen”选项

注意:总体求解控制选项[SOLCONTROL]缺省为打开。建议不要更改。更重要的是，在两个载荷步之间不要改动该选项瞬态分析步骤

…选择分析类型和选项第25页/共66页输出控制用来决定结果文件中写进哪些计算结果。使用OUTRES命令或主菜单选择Solution>Sol’nControl..>Basic典型的选择是将每个子步的所有结果都写入结果文件允许结果相对时间的拟合曲线图可能导致结果文件变大瞬态分析步骤

…选择分析类型和选项第26页/共66页打开/关闭瞬态效果对提供初始条件有作用（后面讨论）斜坡载荷或阶梯加载指定阻尼（后面讨论）时间积分参数使用缺省值

瞬态分析步骤

…选择分析类型和选项第27页/共66页瞬态分析步骤

…选择分析类型和选项阻尼α阻尼和b阻尼两者均可以用在大多数情况下，忽略α阻尼（粘性阻尼），仅规定b阻尼（由滞后造成的阻尼）: b=2/w

式中x

为阻尼比，w

为主要响应频率（rad/sec）材料阻尼(即橡胶)和单元阻尼(即减震器)都可以使用。第28页/共66页瞬态分析步骤

…选择分析类型和选项选择求解器ANSYS默认选择Sparse求解器对大的问题(>100000个自由度)使用PCG求解器可参考谐波分析中对求解器的说明第29页/共66页瞬态分析步骤

规定边界条件和初始条件建模选择分析类型和选项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个瞬态过程中一直为常数的条件，例如：固定点（约束）对称条件重力初始条件将在下面讨论第30页/共66页瞬态分析步骤

…规定边界条件和初始条件初始条件瞬态分析要求指定初始位移(u0)和初始速度(v0)缺省值u0=v0=a0=0可能要求非零初始条件的实例飞机着陆装置(v00)高尔夫球棒击球(v00)物体跌落试验(u0=v0=0,a00).第31页/共66页瞬态分析步骤

…规定边界条件和初始条件施加初始条件的两种方法: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，用强加的位移将悬臂梁的自由端从平衡位置“拨”开时，这种方法是有用的(u0，已知

v0=0)用于需要施加非零初始加速度时使用IC

命令Solution>Loads-Apply>InitialCondit’n>Define+当需在整个物体上施加非零初始位移或速度时IC

命令法是有用的第32页/共66页瞬态分析步骤

…规定边界条件和初始条件实例-物体从静止状态下落这种情况a0=g（重力加速度）u0=v0=0采用静载荷步法载荷步1:关闭瞬态效应。用TIMINT，OFF命令或Solution>Sol’nControl>Transient>TransientEffects采用小的时间间隔，例0.001采用2个子步，分步加载（如果采用线性载荷或一个子步，v0

就将是非零的）保持物体静止，例如，固定物体的全部自由度施加等于g的加速度求解第33页/共66页瞬态分析步骤

…规定边界条件和初始条件载荷步2:打开瞬态效应释放物体，例如，删除物体上的DOF自由度约束规定终止时间，连续进行瞬态分析Acelt0.00050.001Loadstep1ApplicationofTemporalAcceleration第34页/共66页瞬态分析步骤

…规定边界条件和初始条件实例–将悬臂梁的自由端从平衡位置“拨”开这种情况时，在梁的自由端u00，v0=0用静载荷步法。载荷步1:关闭瞬态效应。用TIMINT，OFF命令或Solution>Sol’nControl>Transient>TransientEffects

采用小的时间间隔，例如，0.0012个子步，分步加载（如果采用线性载荷或用一个子步，v0就将是非零的）在梁的自由端施加所要求的非零位移求解第35页/共66页瞬态分析步骤

…规定边界条件和初始条件载荷步2:打开瞬态效应删除强加位移指定终止时间，连续进行瞬态分析第36页/共66页瞬态分析步骤

…规定边界条件和初始条件实例-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，这时初始条件为v00。同时又假定u0=a0=0在这种情况下使用IC命令法是方便的选择球棒上的全部节点用IC命令施加初始速度或选择

Solution>Loads-Apply>InitialCondit’n>Define+选用全部节点选择方向并输入速度值激活全部节点规定终止时间，施加其它载荷条件（如果存在的话），然后求解第37页/共66页瞬态分析步骤

…规定边界条件和初始条件实例–承受冲击载荷的固定平板此种情况下u0=v0=a0=0这些初始条件都是ANSYS中的缺省初始条件值，所以这里不必再规定它们只施加边界条件和冲击载荷，然后求解第38页/共66页瞬态分析步骤

施加时间-历程载荷并求解建模选择分析类型和选项规定边界条件和初始条件施加时间-历程载荷和求解时间-历程载荷是随时间变化的载荷这类载荷有三种施加方法:函数工具表数组输入法多载荷步施加法LoadtLoadtLoadt第39页/共66页瞬态分析步骤

…施加时间-历程载荷并求解函数工具允许施加复杂的边界条件。选择Solution>Loads-Apply>Functions-Define/Edit建议：如果边界条件可以直接用表数组法表示就不要使用函数工具在theBasicAnalysisGuide中的“ApplyingLoadsUsingFunctionBoundaryConditions”可以得到更多的信息。第40页/共66页瞬态分析步骤

…施加时间-历程载荷并求解表数组输入法允许定义载荷随时间变化的表（用数组参数）并采用此表作为载荷很方便，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时间历程时例如，要施加下图所示的力随时间变化曲线:1. 选择Solution>Loads-Apply>Force/Moment>OnNodes,然后拾取所需节点0.5Forcet22.5101.01.5第41页/共66页瞬态分析步骤

…施加时间-历程载荷并求解2. 选择力方向和“Newtable”,然后OK3.输入表名和行数（时间点的数量），然后OK4. 填入时间和载荷值，然后File>Apply/Quit第42页/共66页瞬态分析步骤

…施加时间-历程载荷并求解5. 规定终止时间和积分时间步长Solution>Time/Frequenc>Time-TimeStep…不必指定载荷的阶梯或线性递增条件，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）第43页/共66页瞬态分析步骤

…施加时间-历程载荷并求解表加载关键命令流：

*dim,zaihe,table,5,1,,time,force

zaihe(1,0)=0,0.5,1.0,,1.001,1.5zaihe(1,1)=0,22.5,10,0,0*vplot,zaihe(1,0),zaihe(1,1)……！加载*do,I,0,1.5,0.1time,If,node,fz,zaihe(I)solve*enddo0.5Forcet22.5101.01.5第44页/共66页瞬态分析步骤

…施加时间-历程载荷并求解多载荷步法允许在单个的载荷步中施加载荷—时间曲线中的部分载荷数组参数，只需施加每段载荷并且求解该载荷步或者将其写入一个载荷步文件中(LSWRITE)再一次求解第45页/共66页瞬态分析步骤

…施加时间-历程载荷并求解实例，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，另一个为阶跃式的撤销载荷Forcet22.5100.51.01.5定义载荷步1：在要求的节点上施加22.5单位的力。规定施加此力的终止时间(0.5)，指出时间步长和线性载荷激活自动时间步功能*，规定输出控制*，或进行求解，或将此载荷步写入载荷步文件中

time,0.5

f,node,fz,22.5nsubst,kbc=0outres,lswrite第46页/共66页瞬态分析步骤

…施加时间-历程载荷并求解3. 定义载荷步2:改变力值为10.0。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条件。求解或将此载荷步写入载荷步文件中。4.定义载荷步3:删除力或将其值设置为零。规定终止时间(1.5)并阶梯加载。求解或将此载荷步写入载荷步文件中第47页/共66页瞬态分析步骤

…施加时间-历程载荷并求解求解采用

SOLVE

命令（或者，如果已写成了结果文件，则采用

LSSOLVE）在每个时间子步，ANSYS按照载荷-时间曲线计算载荷值第48页/共66页瞬态分析步骤

察看结果建模选择分析类型和选项指定边界和初始条件施加时间-历程载荷并求解察看结果由三步构成:绘制结构中某些特殊点的结果-时间曲线确定临界时间点(通常是峰值响应)察看在这些临界时间点处整个结构上的结果采用POST26，时间-历程后处理器采用POST1，通用后处理器第49页/共66页瞬态分析步骤

…察看结果-POST26绘制结果-时间曲线:首先定义POST26的变量节点或单元数据列表用一个

2的编号来识别变量1含有各时间点，程序自动定义的第50页/共66页瞬态分析步骤

…察看结果-POST26定义变量（接上页）

拾取那些变形最大的节点，然后选择自由度的方向更新变量定义表第51页/共66页瞬态分析步骤

…察看结果-POST26变量一旦已定义，就可以对它们绘图或列表在时间范围内的响应曲线图变量名画变量第52页/共66页瞬态分析步骤

…察看结果-POST26确定临界点采用各种极值列表（ListExtremes）菜单记下发生最小和最大值时的时间点第53页/共66页瞬态分析步骤

察看结果-POST1察看在各临界时间点处整个结构上的结果进入POST1，“ByTime/Freq...”读出结果，并输入近似时间值绘制变形后的形状和应力等值线图第54页/共66页瞬态分析步骤

…察看结果-POST1第55页/共66页瞬态分析结果

…察看结果-POST1第56页/共66页瞬态分析步骤建模选择分析类型和选项规定边界条件和初始条件施加时间-历程载荷并求解察看结果第57页/共66页D:实例–瞬态分析在此实例中，考察一个物块跌落在横梁上并弹起的瞬态响应。详细情况请参阅动力学实例

(块体反弹，W-25

).第58页/共66页描述:

一个6x6x1-inch尺寸的物块从100inch高处落到一长100inch的梁上。求当此物块在梁上反弹时的运动图。假设碰撞的间隙接触刚度为2000lb/in。梁两端完全固支，唯一的载荷为重力加速度，其大小为386in/sec2。物块与梁由相同的材料制成:杨氏模量=1,000,000psi密度=0.001lb-sec2/in4泊松比=0.3瞬态分析实例

…物块反弹第59页/共66页分析步骤指南：1. 清空数据库，读入bounce.inp文件，以建立其模型2. 定义瞬态分析（完全法）3. 固定梁的两个端点的所有自由度4. 用APDL计算积分时间步长(ITS):kgap=2000

-

间隙接触刚度mgap=6*6*0.001=0.036

-物块质量pi=acos(-1)fgap=

sqrt(kgap/mgap)/(2*pi) -

间隙频率its=1/(fgap*30)

-计算积分时