模态与瞬态动力学分析

第1页，共47页，2023年，2月20日，星期五动力学分析的意义静力分析也许能确保一个结构可以承受稳定载荷的条件，但这些还远远不够，尤其在载荷随时间变化时更是如此。著名的美国塔科马海峡吊桥（GallopingGertie）在1940年11月7日，也就是在它刚建成4个月后，受到风速为42英里/小时的平稳载荷时发生了倒塌。第2页，共47页，2023年，2月20日，星期五动力学分析通常分析下列物理现象:振动–模态分析，如由于旋转机械引起的振动冲击-瞬态动力学分析，如汽车碰撞，锤击交变作用力–谐分析，如各种曲轴以及其它回转机械等地震载荷–谱分析，如地震，冲击波等随机振动-随机振动分析，如火箭发射，太空船和飞机等第3页，共47页，2023年，2月20日，星期五模态分析第4页，共47页，2023年，2月20日，星期五模态分析是用来确定结构的振动特性的一种技术：自然频率振型振型参与系数（即在特定方向上某个振型在多大程度上参与了振动）模态分析是所有动力学分析的基础和前提。模态分析的好处：使结构设计避免共振或以特定频率进行振动（例如扬声器）；使工程师可以认识到结构对于不同类型的动力载荷是如何响应的；有助于在其它动力分析中估算求解控制参数（如时间步长）。第5页，共47页，2023年，2月20日，星期五模态分析步骤模态分析中的四个主要步骤：建模(与静力分析一样)选择分析类型和分析选项施加边界条件并求解评价结果建模：需要杨氏模量和密度,必须定义密度只能使用线性单元和线性材料，非线性性质将被忽略有关建模要考虑的因素与静力分析一致第6页，共47页，2023年，2月20日，星期五选择分析类型和选项选择分析类型和选项：进入求解器并选择模态分析模态提取选项*模态扩展选项*其它选项*典型命令：/SOLUANTYPE，MODAL第7页，共47页，2023年，2月20日，星期五选择分析类型和选项（接上页）模态提取选项：方法：

建议对大多数情况使用BlockLanczos法振型数目：必须指定（缩减法除外）频率范围：缺省为全部，但可以限定于某个范围内（FREQBtoFREQE）第8页，共47页，2023年，2月20日，星期五选择分析类型和选项（接上页）模态扩展：对于缩减法而言，扩展意味着从缩减振型中计算出全部振型；对于其它方法而言，扩展意味着将振型写入结果文件中；如果想进行下面任何一项工作，必须扩展模态：在后处理中观察振型；计算单元应力；进行后继的频谱分析。典型命令：MXPAND，...第9页，共47页，2023年，2月20日，星期五施加边界条件并求解位移约束：施加必需的约束来模拟实际的固定情况；除位移约束之外的其他载荷将被忽略；不允许有非零位移约束。第10页，共47页，2023年，2月20日，星期五施加边界条件并求解（接上页）位移约束（接上页）：对称边界条件只产生对称的振型，所以将会丢失一些振型。对称边界反对称边界完整模型第11页，共47页，2023年，2月20日，星期五观察结果列出自然频率：在通用后处理器菜单中选择“ResultsSummary”；注意，每一个模态都保存在单独的子步中。进入通用后处理器POST1列出各自然频率观察振型观察模态应力第12页，共47页，2023年，2月20日，星期五观察结果（接上页）观察振型：首先采用“

FirstSet”、“

NextSet”

或“ByLoadStep”然后绘制模态变形图：shape：GeneralPostproc>PlotResults>DeformedShape…注意图例中给出了振型序号（SUB=）和频率（FREQ=）。第13页，共47页，2023年，2月20日，星期五观察结果（接上页）观察振型（接上页）：振型可以制作动画：UtilityMenu>PlotCtrls>Animate>ModeShape...第14页，共47页，2023年，2月20日，星期五观察结果（接上页）模态应力：如果在选择分析选项时激活了单元应力计算选项，则可以得到模态应力应力值并没有实际意义，但如果振型是相对于单位矩阵归一的，则可以在给定的振型中比较不同点的应力，从而发现可能存在的应力集中。第15页，共47页，2023年，2月20日，星期五模态分析实例-----飞机机翼的模态分析参数:E=30GPa，v=0.26，DENS=1580kg/m3

A(0,0),B(2,0),C(2.5,0.2),D(1.8,0.45),E(1.1,0.3)第16页，共47页，2023年，2月20日，星期五飞机机翼的有限元模型第17页，共47页，2023年，2月20日，星期五飞机机翼的前5阶固有频率第18页，共47页，2023年，2月20日，星期五飞机机翼的前4阶模态图第19页，共47页，2023年，2月20日，星期五飞机机翼的模态应力第20页，共47页，2023年，2月20日，星期五瞬态动力学分析什么是瞬态动力学分析?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；输入数据：作为时间函数的载荷输出数据：随时间变化的位移和其它的导出量，如：应力和应变。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：移动电话、笔记本电脑和真空吸尘器等。第21页，共47页，2023年，2月20日，星期五运动方程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；按照求解方法，ANSYS允许在瞬态动力分析中包括各种类型的非线性-大变形、接触、塑性等等。第22页，共47页，2023年，2月20日，星期五瞬态分析步骤五个主要步骤：建模---记住要输入密度！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23页，共47页，2023年，2月20日，星期五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求解方法和其它选项-将在下面讨论阻尼–

将在下面讨论求解方法完整矩阵方法为缺省方法。允许下列非线性选项：大变形应力硬化Newton-Raphson解法第24页，共47页，2023年，2月20日，星期五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25页，共47页，2023年，2月20日，星期五规定边界条件和初始条件（接上页）初始条件时间t=0时的条件：u0，v0，a0它们的缺省值为，u0=v0=a0=0可能要求非零初始条件的实例：飞机着陆(v00)高尔夫球棒击球(v00)物体跌落试验(a00)第26页，共47页，2023年，2月20日，星期五规定边界条件和初始条件（接上页）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；用于需要施加非零初始加速度时。使用IC命令Solution>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27页，共47页，2023年，2月20日，星期五规定边界条件和初始条件（接上页）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28页，共47页，2023年，2月20日，星期五施加时间-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两种施加方法：列表输入法多载荷步施加法函数载荷法Ansys命令流程序LoadtLoadtLoadt第29页，共47页，2023年，2月20日，星期五0.5Forcet施加时间-历程载荷并求解（接上页）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：1. 选择Solution>Apply>Force/Moment>OnNodes，然后拾取所需节点22.5101.01.5第30页，共47页，2023年，2月20日，星期五施加时间-历程载荷并求解（接上页）2. 选择力方向和“新表Newtable”，然后确定（OK）；3. 输入表名和行数（时间点的数量），然后确定（OK）；4. 填入时间和载荷值，然后File>Apply/Quit；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。第31页，共47页，2023年，2月20日，星期五实例，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，另一个为阶梯式的除去载荷；Forcet22.5100.51.01.52. 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*，或者进行求解，或将此载荷步写入载荷步文件中。多载荷步法允许在单个的载荷步中施加载荷—时间曲线中的一段载荷；不必用数组参数，只需施加每段载荷并且或者求解该载荷步或者将其写入一个载荷步文件中(LSWRITE)。施加时间-历程载荷并求解（接上页）第32页，共47页，2023年，2月20日，星期五施加时间-历程载荷并求解（接上页）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)并分步加载；求解或将此载荷步写入载荷步文件中。第33页，共47页，2023年，2月20日，星期五施加时间-历程载荷并求解（接上页）输出控制用于确定写入结果文件的内容用OUTRES命令或选择在主菜单中Solution>OutputCtrls>DB/ResultsFile...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：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典型命令:OUTRES，ALL，ALL第34页，共47页，2023年，2月20日，星期五施加时间-历程载荷并求解（接上页）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典型命令:SOLVE !或LSSOLVEFINISH第35页，共47页，2023年，2月20日，星期五瞬态分析结果

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36页，共47页，2023年，2月20日，星期五瞬态分析结果

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，并且是预见定义了的第37页，共47页，2023年，2月20日，星期五瞬态分析结果

察看结果-POST26（接上页）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38页，共47页，2023年，2月20日，星期五瞬态分析结果

察看结果-POST26（接上页）变量一旦已定义，就可以对它们绘图或列表典型命令:/POST26NSOL，…PLVAR，...第39页，共47页，2023年，2月20日，星期五瞬态分析结果

察看结果-POST26（接上页）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典型命令:EXTREM，…FINISH第40页，共47页，2023年，2月20日，星期五瞬态分析结果

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/