瞬态动力分析

瞬态动力分析第1页，共60页，2023年，2月20日，星期六2瞬态动力分析瞬态动力分析的定义和目的瞬态分析状态的基本术语和概念在ANSYS中如何进行瞬态分析瞬态分析实例第2页，共60页，2023年，2月20日，星期六3定义和目的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。求解设计的关键运动方程求解方法积分时间步长第3页，共60页，2023年，2月20日，星期六4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。应用和设计第4页，共60页，2023年，2月20日，星期六5瞬态分析

–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5页，共60页，2023年，2月20日，星期六6瞬态分析-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整矩阵法缩减矩阵法完整矩阵法缩减矩阵法第6页，共60页，2023年，2月20日，星期六7模态叠加法：是将从模态分析中得到各个振型分别乘以系数后叠加起来以计算动力学响应。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，需求解一组联立的静态平衡方程（F=ma）；ANSYS采用Newmark法这种隐式时间积分法；ANSYS/LS-DYNA则采用显式时间积分法；有关显式法和隐式法的讨论瞬态分析-求解方法第7页，共60页，2023年，2月20日，星期六8求解时即可用缩减结构矩阵，也可用完整结构矩阵；缩减矩阵：用于快速求解；根据主自由度写出[K]，[C]，[M]等矩阵，主自由度是完全自由度的子集；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，但不在此讨论。完整矩阵：不进行缩减。

采用完整的[K]，[C]，和[M]矩阵；瞬态分析-求解方法第8页，共60页，2023年，2月20日，星期六9模态叠加法运动方程是去耦的,求解速度很快当仅需少量模态来描述响应时有效需要模态解中的特征向量只用于线性分析,不能有非线性性质决定要使用多少个模态是比较困难的,很少几个模态可能得到良好的位移结果,但只能得到很差的应力结果直接积分法完全耦合的运动方程,求解很费时间对大多数问题都有效不需要特征向量然而大多数动力分析是从模态求解开始的在瞬态分析中允许有非线性性质决定积分时间步长Dt比决定要叠加的模态个数更为容易瞬态分析-求解方法第9页，共60页，2023年，2月20日，星期六10瞬态分析-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=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。ITS应足够小以获取下列数据：响应频率载荷突变接触频率（如果存在的话）波传播效应（若存在）第10页，共60页，2023年，2月20日，星期六11响应频率不同类型载荷会在结构中激发不同的频率（响应频率）；ITS应足够小以获取所关心的最高响应频率（最低响应周期）；每个循环中有20个时间点应是足够的，即：

Dt=1/20f

式中，f是所关心的最高响应频率。响应周期瞬态分析-积分时间步长第11页，共60页，2023年，2月20日，星期六12载荷突变ITS应足够小以获取载荷突变LoadtLoadt瞬态分析-积分时间步长第12页，共60页，2023年，2月20日，星期六13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应足够小以获取间隙“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，比此更小的ITS会造成能量损失，并且冲击可能不是完全弹性的。瞬态分析-积分时间步长第13页，共60页，2023年，2月20日，星期六14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ANSYS-LS/DYNA采用）可能对此更为适用瞬态分析-积分时间步长第14页，共60页，2023年，2月20日，星期六15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查看结果第15页，共60页，2023年，2月20日，星期六16瞬态分析步骤-建模模型允许所有各种非线性记住要输入密度！第16页，共60页，2023年，2月20日，星期六17瞬态分析步骤-选择分析类型和选项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解法集中质量矩阵主要用于细长梁和薄壁壳或波的传播公式求解器由程序自行选择第17页，共60页，2023年，2月20日，星期六18阻尼α和b阻尼均可用；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）。典型命令:ALPHAD，…BETAD，…瞬态分析步骤-选择分析类型和选项第18页，共60页，2023年，2月20日，星期六19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第19页，共60页，2023年，2月20日，星期六20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)分析步骤-规定边界条件和初始条件第20页，共60页，2023年，2月20日，星期六21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。分析步骤-规定边界条件和初始条件第21页，共60页，2023年，2月20日，星期六22实例-物体从静止状态下落这种情况a0=g（重力加速度）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>Time/Frequenc>TimeIntegration...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。分析步骤-规定边界条件和初始条件第22页，共60页，2023年，2月20日，星期六23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。Acelt0.00050.001Loadstep1分析步骤-规定边界条件和初始条件第23页，共60页，2023年，2月20日，星期六24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>Time/Frequenc>TimeIntegration...采用小的时间间隔，例如，0.001；2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。分析步骤-规定边界条件和初始条件第24页，共60页，2023年，2月20日，星期六25!载荷步1TIMINT，OFF !关闭瞬态效应TIME，0.001 !小的时间间隔D，… !在指定节点定义强制位移NSUBST，2 !两个子步KBC，1 !阶梯载荷步SOLVE分析步骤-规定边界条件和初始条件第25页，共60页，2023年，2月20日，星期六26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。分析步骤-规定边界条件和初始条件!载荷步2TIMINT，ON!打开瞬态效应开关TIME，… !指定载荷步实际的终点时刻DDELE，…!删除所有强制位移...SOLVE.第26页，共60页，2023年，2月20日，星期六27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，这时有初始条件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>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。分析步骤-规定边界条件和初始条件第27页，共60页，2023年，2月20日，星期六28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，不必再规定它们！只施加边界条件和冲击载荷，然后求解。分析步骤-规定边界条件和初始条件第28页，共60页，2023年，2月20日，星期六29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两种施加方法：列表输入法多载荷步施加法LoadtLoadtLoadt第29页，共60页，2023年，2月20日，星期六300.5Forcet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分析步骤-施加时间-历程载荷并求解第30页，共60页，2023年，2月20日，星期六31!首先定义载荷-时间数组*DIM，FORCE，TABLE，5，1，，TIME !类型表数组FORCE(1，0)=0，0.5，1，1.01，1.5 !时间值FORCE(0，1)=0，22.5，10，0，0 !载荷值!然后将力数组定义到指定的节点上NSEL，… !选择指定的节点F，ALL，FZ，%FORCE% !在所有选择节点上定义表载荷NSEL，ALL...分析步骤-施加时间-历程载荷并求解第31页，共60页，2023年，2月20日，星期六32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

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:TIME，… !终点时间DELTIM，0.002，0.001，0.1 !起始,最小和最大ITSAUTOTS，ONOUTRES，…SOLVE分析步骤-施加时间-历程载荷并求解第32页，共60页，2023年，2月20日，星期六33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)。分析步骤-施加时间-历程载荷并求解Forcet22.5100.51.01.5第33页，共60页，2023年，2月20日，星期六34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。分析步骤-施加时间-历程载荷并求解第34页，共60页，2023年，2月20日，星期六35!Loadstep1F，… !在指定的节点上定义力22.5TIME，0.5 !终点时间DELTIM，…!积分时间步长KBC，0 !斜坡载荷AUTOTS，ONOUTRES，…SOLVE !或LSWRITE分析步骤-施加时间-历程载荷并求解第35页，共60页，2023年，2月20日，星期六363. 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。分析步骤-施加时间-历程载荷并求解第36页，共60页，2023年，2月20日，星期六37!载荷步2F，… !在指定的节点上定义力10.0TIME，1.0 !终点时间SOLVE !或LSWRITE!载荷步3FDELE，… !删除力TIME，1.5 !终点时间KBC，1 !阶梯载荷SOLVE !或LSWRITE分析步骤-施加时间-历程载荷并求解第37页，共60页，2023年，2月20日，星期六38积分时间步长(ITS)，自动时间步长和输入控制为时间-历程加载的重要组成部分；上面已经讨论了如何计算ITS，为了规定ITS，采用DELTIM

命令或在主菜单中选择Solution>Time/Frequenc>Time-TimeStep…分析步骤-施加时间-历程载荷并求解第38页，共60页，2023年，2月20日，星期六39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ITS大小建议激活自动时间步长功能，并规定ITS的最小和最大值如果存在非线性，采用“程序选择”选项注意:在ANSYS5.5中，总体求解器控制开关[SOLCONTROL]的缺省状态为开，建议保留这一状态，更为重要的是，不要在载荷步之间打开或关闭此开关分析步骤-施加时间-历程载荷并求解第39页，共60页，2023年，2月20日，星期六40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分析步骤-施加时间-历程载荷并求解第40页，共60页，2023年，2月20日，星期六41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分析步骤-施加时间-历程载荷并求解第41页，共60页，2023年，2月20日，星期六42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42页，共60页，2023年，2月20日，星期六43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43页，共60页，2023年，2月20日，星期六44定义变量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瞬态分析结果-察看结果-POST26第44页，共60页，2023年，2月20日，星期六45变量一旦已定义，就可以对它们绘图或列表典型命令:/POST26NSOL，…PLVAR，...瞬态分析结果-察看结果-POST26第45页，共60页，2023年，2月20日，星期六46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瞬态分析结果-察看结果-POST26第46页，共60页，2023年，2月20日，星期六47察看在各临界时间点处整个结构上