有限元动力学分析知识点

复习目录一、模型输入、建模输入几何模型1、两种方法：Nodefeaturing和defeaturingMerge归并选项、Solid实体选项、Small选项）2、产品接口。输入IGES文件的方法固然很好，可是两重变换过程CAD>IGES>ANSYS在好多状况下其实不可以实现100％的变换。ANSYS的产品接口直接读入“原始”的CAD文件，解决了上边提到的问题.3、输入有限元模型。除了实体几何模型外，ANSYS也可输入由某些软件包生成的有限元单元模型数据（节点和单元）。实体建模1、定义实体建模:成立实体模型的过程。（两种门路）1）自上而下建模:第一成立体（或面），对这些体或面按必定规则组合获取最后需要的形状.开始成立的体或面称为图元.工作平面用来定位并帮助生成图元.对原始体组合形成最后形状的过程称为布尔运算整体直角坐标系[csys，0]整体柱坐标系[csys，1］整体球坐标系[csys,2]工作平面[csys，4]2）自下而上建模：依据从点到线,从线到面，从面到体的次序成立模型。网格区分1、网格区分三步骤：定义单元属性、指定网格的控制参数、生成网格第1页2、单元属性（单元种类(TYPE）、实常数（REAL）、资料特征(MAT））3、单元种类单元种类是一个重要选项，它决定以下单元特征:自由度(DOF)设置、单元形状、维数、假定的位移形函数。1）线单元(梁单元、杆单元、弹簧单元)2）壳用来模拟平面或曲面。3）二维实体用于模拟实体截面4）三维实体用于几何属性，资料属性,荷载或剖析要求考虑细节，而没法采纳更简单的单元进行建模的结构。也用于从三维CAD系统转变而来的几何模型，而这些几何模型转变成二维模型或壳领会花销大批的时间和精力4、单元阶次与形函数单元阶次是指单元形函数的多项式阶次。什么是形函数?–形函数是指给出单元内结果形态的数值函数.因为FEA的解答不过节点自由度值,需要经过形函数用节点自由度的值来描述单元内任一点的值。–形函数依据给定的单元特征给出.–每一个单元的形函数反应单元真切特征的程度，直接影响求解精度，这一点将在下面说明。5、网格密度有限单元法的基来源则是:单元数（网格密度)越多,所得的解越迫近真切值。第2页但是,随单元数量增添,求解时间和所需计算机资源急剧增添.6、单元属性种类1)实常数和截面特征。实常数用于描述那些用单元几何形状不可以完好确立的几何参数.2）资料特征每一剖析都需要输入一些资料特征：结构单元所需的杨氏模量，热单元所需的热传导系数KXX等.7、控制网格密度ANSYS供给了多种控制网格密度的工具,既能够是整体控制也能够是局部控制:1）整体控制(智能网格区分、整体单元、尺寸缺省尺寸）2）局部控制（重点点尺寸、线尺寸、面尺寸）8、有两种主要的网格区分方法：自由区分和映照区分.+2自由区分–无单元形状限制.–网格无固定的模式.–合用于复杂形状的面和体.映照区分–面的单元形状限制为四边形,体的单元限制为六面体（方块)。–往常有规则的形式，单元显然成行.–仅合用于“规则的"面和体,如矩形和方块。过渡网格区分第3页这一选择是在六面体单元和四周体单元间的过渡区生成金字塔形单元，（“集两家之长."将四周体和六面体网格很好地联合起来而不损坏网格的整体性)扫掠区分9、网格拖沓当把一个面拖沓成一个体时,您能够将面上的网格伴同它一同拖沓,获取一个已网格化的体.这称为网格拖沓。第4章ANSYS建模基本方法（耿老师)1、ANSYS建模方法直接建模实体建模输入在计算机协助设计系统中创立的实体模型输入在计算机协助设计系统创立的有限元模型2、直接建模直接创立节点和单元，模型中没有实体长处–合用于小型或简单的模型–可实现对每个结点和单元的编号完好控弊端–需要人工办理的数据量大,效率低–不可以使用自适应网格区分功能–不合适进行优化设计–简单犯错第4页3、实体建模–先创立由重点点、线段、面和体构成的几何模型，而后用网格区分，生成节点和单元–长处–合适于复杂模型，特别合适3D实体建模–需要人工办理的数据量小，效率高–同意对节点和单元实行不一样的几何操作–支持布尔操作–支持ANSYS优化设计功能–能够进行自适应网格区分–能够进前进行局部网格细化–便于改正和改良弊端–有时需要大批CPU办理时间–对小型、简单的模型有时比较繁琐–在特定条件下可能会失败4、工作平面工作平面—是一个能够挪动的二维参照平面用于定位和确立体素的方向。5、ANSYS中坐标系分类整体坐标系和局部坐标系（定位几何体作用)节点坐标系第5页定义节点自由度的方向定义节点结果数据方向单元坐标系规定正交资料特征的方向规定所施加面力的方向规定单元结构数据的方向显示坐标系定义几何体被列表后显示结果坐标系用来列表、显示或在通用后办理中节点或许单元结果变换到一个特定坐标系。6、网格区分方法:自由区分、映照区分、延长区分、自适应区分.第5章加载、求解和后办理1、选择命令Selecting功能能够将模型的一部分从整体中分别出来，为下一步工作做准备。操作一般包含3步：选择子集对其所选择的图元履行操作从头激活整个模型2、组元（Components）：作为选择功能的一个延长，经过给选中的一组图元命名,即可创立组元，组元可保留在数据库中。会合(Assembly）：会合能够由一个或许多个会合和一个或多个其余组第6页元构成。3、静力剖析与动力剖析的差别静力剖析假定只有刚度力有效。动力剖析考虑所有三种种类的力。假如施加的荷载随时间迅速变化,则惯性力和阻尼力往常很重要。所以，能够经过判断载荷能否与时间有关,选择静力剖析仍是动力剖析。假如在相对较长的时间内载荷是一个常数，选择静力剖析。不然，选择动力剖析.总之,假如激励频次小于结构最廉价固有频次的1/3,则能够进行静力剖析。4、线性剖析和非线性剖析的差别线性剖析假定忽视荷载对结构刚度变化的影响。典型特点是：–小变形–应力、应变在线性弹性范围内–没有诸如两物体接触或分别时的刚度突变假如加载惹起结构刚度明显变化，一定进行非线性剖析。惹起结构刚度明显变化的典型原由:–应变超出弹性范围（塑性)–大变形，比如承载的垂钓竿–两物体之间的接触5、载荷分类第7页自由度DOF－定义节点的自由度(DOF值)(结构剖析_位移）集中载荷－点载荷(结构剖析_力)?面载荷－作用在表面的散布载荷（结构剖析_压力)?体积载荷－作用在体积或场域内（热剖析_体积膨胀）惯性载荷－结构质量或惯性惹起的载荷(重力、角速度等）6、载荷的施加直接在实体模型加载的长处:几何模型加载独立于有限元网格。从头区分网格或局部网格改正不影响载荷。加载的操作更为简单，特别是在图形中直接拾取时。＊不论采纳何种加载方式，ANSYS求解前都将载荷转变到有限元模型.所以,加载到实体的载荷将自动转变到其所属的节点或单元上。7、载荷步实时间选项一个载荷步是指界限条件和载荷选项的一次设置，用户可对此进行一次或多次求解.一个剖析过程能够包含:–单调载荷步（经常这是足够的）–多重载荷步有三种方法能够用来定义并求解多载荷步–多次求解方法–载荷步文件方法–向量参数方法第8页8、求解器选择及求解求解器的功能是求解对于结构自由度的联立线性方程组。三种求解器：波前求解器、power求解器和稀少矩阵求解器9、求解前的模型检查一致的单位单元种类和选项资料性质参数–考虑惯性时应输入资料密度–热应力剖析时应输入资料的热膨胀系数实常数（单元特征)单元实常数和资料种类的设置实体模型的质量特征(Preprocessor>Operate>CalcGeomItems）模型中不该存在的空隙壳单元的法向节点坐标系集中、体积载荷面力方向求解失败原由:拘束不够!（往常出现的问题)。当模型中有非线性单元，整体或部分结构出现崩溃或“松脱”.资料性质参数有负值第9页屈曲—当应力刚化效应为负(压）时，在载荷作用下整个结构刚度弱化.假如刚度减小到零或更小时，求解存在奇怪性，因为整个结构已发生屈曲。10、ANSYS的两个后办理器通用后办理器(即“POST1")只好观看整个模型在某一时刻的结果。时间历程后办理器（即“POST26”可)观看模型在不一样时间的结果。但今后办理器只好用于办理瞬态和/或动力剖析结果。11、结构剖析常有的单元性能单元选择的基本准则：在结构剖析中,结构的应力状态决定单元种类的选择。选择维数最低的单元去获取预期的结果(尽量做到能选择点而不选择线，能选择线而不选择平面,能选择平面而不选择壳，能选择壳而不选择三维实体）.对于复杂结构,应该考虑成立两个或许更多的不一样复杂程度的模型。你能够成立简单模型,对结构承载状态或采纳不一样剖析选项作实验性商讨。1）线单元–Beam（梁)单元是用于螺栓（杆），薄壁管件，C形截面构件，角钢或许狭长薄膜构件（只有膜应力和弯应力的状况）等模型.–Spar(杆)单元是用于弹簧，螺杆,预应力螺杆和薄膜桁架等模型。–Spring单元是用于弹簧，螺杆，或修长构件，或经过刚度等效代替复杂结构等模型。2)平面单元–X—Y平面单元:第10页单元定义在整体笛卡尔X-Y平面内（有限元模型一定建在此面内),分平面应力、平面应变或轴对称几种受力状态。3）板壳单元–Shell(壳）单元用于薄面板或曲面模型.壳单元剖析应用的基来源则是每块面板的主尺寸不低于其厚度的5～10倍。4）实体单元三维实体单元:–用于那些因为几何、资料、载荷或剖析结果要求考虑的细节等原由造成没法采纳更简单单元进行建模的结构.–四周体模型使用CAD建模常常比使用专业的FEA剖析建模更简单,也有时获取使用.第6章动力学剖析1①动力学绪论1、动力学剖析定义动力学剖析是用来确立惯性（质量效应）和阻尼起侧重要作用时结构或构件动力学特征的技术。2、动力学特征：振动特征、随时间变化载荷的效应、周期或许随机载荷的效应3、动力学剖析的种类1）模态剖析来确立结构的振动特征2)瞬态动力学剖析来计算结构对随时间变化载荷的响应3）谐剖析来确立结构对稳态简谐载荷的响应(4）进行谱剖析来确立结构对地震载荷的影响（5)随机振动剖析来确立结构对随机震动的影响4、运动方程第11页此中:[M］=结构质量矩阵［C］=结构阻尼矩阵[K］=结构刚度矩阵｛F}=随时间变化的载荷函数{u｝=节点位移矢量｛｝=节点速度矢量｛ü｝=节点加快度矢量5、不一样剖析种类是对这个方程的不一样形式进行求解–模态剖析:设定F(t）为零,而矩阵［C］往常被忽视；–谐响应剖析:假定F（t)和u（t）都为谐函数，比如Xsin（wt），此中，X是振幅,w是单位为弧度/秒的频次；–瞬时动向剖析：方程保持上述的形式。6、求解通用运动方程的主要方法：1）模态叠加法2）直接积分法（显式求解法和隐式求解法)7、动力学剖析建模时要考虑的问题几何形状和网格区分：一般同于静态剖析要考虑的问题要包含能充分描述模型几何形状所一定的详尽资料在关怀应力结果的地区应进行详尽的网格区分，在仅关怀位移结果的时候,粗拙的网格区分可能就足够了需要资料性质:第12页定义杨氏模量和密度请记着要使用一致的单位当使用英制单位时，对于密度,要定义质量密度而不是重力密度非线性(大变形，接触，塑性等等）：仅在完好瞬态动力学剖析中同意使用。在所有其余动力学种类中（如模态剖析、谐波剖析、谱剖析以及简化的模态叠加瞬态剖析等），非线性问题均被忽视，也就是说最先的非线性状态将在整个非线性求解过程中向来保持不变。8、质量矩阵分为一致质量矩阵和集中质量矩阵对于动力学剖析需要质量矩阵［M］，而且这个质量矩阵是按每个单元的密度以单元计算出来的所谓一致质量矩阵（consistentmassmatrix）是指推导质量矩阵时与推导刚度矩阵时所使用的形状函数矩阵相“一致”将该二节点杆单元的质量直接对半均分，集中到二个节点上，就能够获取集中质量矩阵（lumpedmassmatrix）为。9、用于动力学识题剖析的单元结构与前面静力问题时同样,不一样之处是所有鉴于节点的基本力学变量也都是时间的函数。10、简谐振动形式：这就是特点方程（eigenequation)，ω为自然圆频次(naturalcircularfrequency)(rad/sec），也叫圆频次，对应的频次为f=ω/2π（Hz）。求得自然圆频次ω后，再将其代入方程（7-26）中，可求出对应的特点向量(eigenvector)?q，这就是对应于振动频次ω的振型（mode)。第13页11、阻尼阻尼是一种能量耗散体制,它使振动随时间减弱并最后停止阻尼的数值主要取决于资料、运动速度和振动频次阻尼可分类以下：–粘性阻尼–滞后或固体阻尼–库仑或干摩擦阻尼（动力学剖析不考虑)Rayleigh阻尼常数a和b用作矩阵[M]和［K］的乘子来计算[C]：[C］=a[M］+b［K］a/2w+bw/2=此处w是频次,是阻尼比?在不可以定义阻尼比时，需使用这两个阻尼常数?a是粘度阻尼重量，b是滞后或固体或刚度阻尼重量模态剖析第一节模态剖析概括第二节模态剖析术语和观点第三节模态剖析步骤1、模态剖析定义模态剖析是用来确立结构的振动特征的一种技术：–自然频次第14页–振型–振型参加系数（即在特定方向上某个振型在多大程度上参加了振动）模态剖析是所有动力学剖析种类的最基础的内容。2、模态剖析的目的使结构设计防止共振或以特定频次进行振动（比如扬声器）；使工程师能够认识到结构对于不一样种类的动力载荷是怎样响应的；有助于在其余动力剖析中估量求解控制参数(如时间步长）3、假定为自由振动并忽视阻尼:假定为谐运动：3、模态提取的方法模态提取是用来描述特点值和特点向量计算的术语–BlockLanczos法–子空间法–PowerDynamics法–减少法（速度最快)–不对称法–阻尼法4、减少法第15页–它是所有方法中最快的；–需要较少的内存和硬盘空间；–使用矩阵减少法，即选择一组主自由度来减小［K]和［M］的大小；–减少的刚度矩阵［K］是精准的，但减少的质量矩阵[M]是近似的,近似程度取决于主自由度的数量和地点；–在结构抵挡曲折能力较弱时不介绍使用此方法，如修长的梁和薄壳。5、模态剖析的四个主要步骤1）建模一定定义密度只好使用线性单元和线性资料，非线性性质将被忽视2)选择剖析种类和剖析选项进入求解器并选择模态剖析模态提取选项＊模态扩展选项*其余选项*3)施加界限条件并求解位移拘束外面载荷：因为振动被假定为自由振动,所以忽视外面载荷求解往常采纳一个载荷步4）评论结果进入通用后办理器POST1第16页列出各自然频次观察振型观察模态应力6、模态扩展假如想进行下面任何一项工作，一定扩展模态:–在后办理中观察振型；–计算单元应力；–进行后继的频谱剖析。谐剖析第一节谐剖析概括第二节术语和观点第三节谐剖析步骤1、什么是谐响应剖析？确立一个结构在已知频次的正弦（简谐)载荷作用下结构响应的技术.输入:–已知大小和频次的谐波载荷(力、压力和逼迫位移）;–同一频次的多种载荷，能够是同相或不一样相的。输出：–每一个自由度上的谐位移，往常和施加的载荷不一样相；–其余多种导出量，比如应力和应变等.2、谐响应剖析的目的保证一个给定的结构能经受住不一样频次的各样正弦载荷第17页探测共振响应，并在必需时防止其发生。3、运动方程4、谐波载荷的天性在已知频次下正弦变化；?相角y同意不一样相的多个载荷同时作用，y缺省值为零；施加的所有载荷都假定是简谐的，包含温度和重力。5、求解简谐运动方程的三种方法完好法–为缺省方法,是最简单的方法;–使用完好的结构矩阵，且同意非对称矩阵(比如：声学矩阵)。减少法＊–使用减少矩阵，比完好法更快；–需要选择主自由度,据主自由度获取近似的[M］矩阵和［C]矩阵。模态叠加法**第18页–以前面的模态剖析中获取各模态；再求乘以系数的各模态之和；–所有求解方法中最快的。性能比较：6、谐响应剖析的四个主要步骤建模–只好用于线性单元和资料，忽视各样非线性；–记着要输入密度；选择剖析种类和选项–输入求解器，选择谐响应剖析；–主要剖析选项是求解方法；–规定阻尼-施加谐波载荷并求解“载荷”包含：–位移拘束-零或非零的–作使劲–压强第19页观看结果7、规定谐波载荷时要包含:振幅和相角频次阶梯载荷对线性变化载荷的说明第7章动力学剖析2④瞬态动力学剖析第一节瞬态动力学剖析概括第二节瞬态动力学剖析术语和观点第三节瞬态动力学剖析步骤1、瞬态动力剖析的定义它是确立随时间变化载荷（比如爆炸)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余的导出量,如：应力和应变.2、瞬态动力剖析的应用承受各样冲击载荷的结构第20页承受各样随时间变化载荷的结构承受撞击和颠簸的家庭和办公设施3、运动方程4、求解方法5、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观点?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准度，因此其数值应认真选用.ITS应足够小以获取以下数据：响应频次第21页载荷突变接触频次（假如存在的话）波流传效应（若存在）6、瞬态剖析五步骤建模–同意所有各样非线性–记着要输入密度！选择剖析种类和选项–进入求解器并选择瞬态剖析–求解方法和其余选项-将在下面议论–阻尼–将在下面议论规定界限条件和初始条件施加时间历程载荷并求解时间历程载荷施加方法:列表输入法和多载荷步施加法。查察结果7、积分时间步长(ITS），自动时间步长和输入控制为时间—历程加载的重要构成部分；8、规定界限条件的两种方法：以静载荷步开始、使用IC命令.⑤谱剖析第22页第一节谱剖析概括第二节响应谱剖析第三节随机振动剖析一、1、谱剖析定义用来计算结构在包含多种频次的瞬态激励下的响应。激励可能来自地震、飞机噪声、发射起动谱是在频次域中的载荷历程.+是模态剖析延长，用于计算结构对地震及其余随机激励的响应;+计算在每个固有频次处的给定谱值的结构最大响应.这个最大响应作为模态的比率因子。+将这些最大响应进行组合来给出结构的总的响应。2、谱剖析VS瞬态剖析谱剖析的代替方法是瞬态剖析,两者差别为：瞬态剖析很难应用于地震等随时间无规律变化载荷的剖析；–在瞬态剖析中，为了捕获载荷，时间步长一定获得很小，因此费时且昂贵.但是，瞬态剖析更为精准.在谱剖析中，重点是迅速获取最大响应以及其余挂失期息.3、谱剖析的分类单点响应谱–给模型中一个点集指定一条响