Sec14-冲击响应谱分析

第14章冲击响应谱分析响应谱方法响应谱描述的是单自由度系统的峰值响应的近似方法，是根底鼓舞和固有频率的函数。uB(t)t=>u3(t)tu3max响应谱用于供给构造每阶模态的最大响应。构造的响应通过最大模态响应的组合得到。组合方法有很多种。因而，响应谱分析求得的是近似值。响应谱方法(续)对于不同的阻尼值，重复响应谱分析产生一簇曲线。因而供给模态响应的最大值是必需的。*振荡器阻尼；临界阻尼CurveDamping(*)10%23%35%响应谱方法(续)从ui(t)计算每个振荡器的最大位移响应uimax。同样的，计算每个振荡器和其根底(振动构造上的一个点)之间的最大相对位移urimax.最大相对速度和确定加速度，与最大相对位移之间有如下近似关系。设计谱通常用这些变量表示ur,ur,ua. 最大响应和相对响应.maxmax..max4Hz脉冲的单自由度响应Zeta=.05,4Hz单循环鼓舞，不同单自由度系统的瞬态响应(留意:Y轴应实际大小而变化；黑线为强迫加速度鼓舞曲线)1HzModel10HzModel2HzModel4HzModel40HzModel20HzModel.5HzModel4Hz脉冲的单自由度响应(续)Frequency(Hz)Acceleration(in/sec**2)Zeta=0%Zeta=2%Zeta=5%0.351.152.701.571.051.052.004.0020.040.0响应谱分析分两个步骤Step1：创立频谱，即用瞬态分析创立频谱Step2：应用频谱，即用第一步创立的频谱来评估构造响应通过确定大构造和与其连接的构造的响应来创立频谱，如发动机和泵频谱创立后，应用于一系列单自由度振荡器系统，作用在小构造和大构造的连接位置。每个单自由度振荡器的峰值响应由它的瞬态响应ui(t)计算得到。振荡器的根底运动uB(t)来源于大构造(如建筑物，地球)的载荷或根底鼓舞。例子：由地震引起的电厂的运动。在机械设备(如机器、管道系统)的安装位置计算频谱，然后用这些频谱来进展响应谱分析以帮助设备设计。从大构造的瞬态分析中创立频谱这里存在一个暗含的假设，即振荡器系统的质量相对于大构造(根底构造)质量而言特殊小，所以两者之间没有动力学耦合现象。(因而小构造应用频谱来计算响应的过程可以从总体构造的瞬态分析中解耦出来单独进展计算)。使用模型中选定自由度的瞬态响应作为输入时间历程,生成频谱曲线。任何一个瞬态求解序列都可以生成频谱SOL109直接瞬态分析SOL112模态瞬态分析更多信息参见MSCNastranAdvancedDynamicsUser’sGuide.从大构造的瞬态分析中创立频谱(续)从大构造的瞬态分析中创立频谱(续)确定构造(可以包括小构造)的瞬态响应构造鼓舞可以是力，也可以是强迫运动求解序列SOL109,SOL112执行把握段SOL109例如：工况把握段OUTPUT(XYPLOT)XYPLOTDISPSPECTRAL(计算位移谱)XYPUNCHDISPSPECTRAL(生成包含谱数据的文件)例如XYPUNCHACCELERATIONSPECTRAL1/1(T1RM) 该命令使用节点1在X(T1)方向的运动，在DTI,SPSEL卡的记录号1处，创立一个包含确定(RM)加速度谱数据的.pch文件。假设是T1IP则代表X方向的相对(IP)响应谱。例子必需同时包含位移和速度输出

DISPLACEMENT(plot,SORT2,REAL)=ALLVELOCITY(plot,SORT2,REAL)=ALLOUTPUT(XYPLOT)XYPLOTACCESPECTRAL1/57(T3RM)XYPUNCHACCESPECTRAL1/57(T3RM)从大构造的瞬态分析中创立频谱(续)从大构造的瞬态分析中创立频谱(续)模型数据段PARAM,RSPECTRA,0$要求计算频谱DTI,SPSEL$确定频率和阻尼表，以及哪些节点输出FREQ$指定阻尼，比方临界阻尼率-将由DTI,SPSEL卡片引用FREQ1$指定频率-将由DTI,SPSEL卡片引用从大构造的瞬态分析中创立频谱(续)模型数据段(续)例子与XYPLOT/XYPUNCH卡片的编号对应PARAM,RSPECTRA,0$$UseDTItospecifythedampingfractionandspectrafrequency(SDOFoscillatordampingandnaturalfrequency)table.$Also,usethisentrytospecifytheGRID'sforwhichspectrawillbecalculated.$RECNODAMPFREQG1G2G3G4DTISPSEL0DTISPSEL11257ENDREC$$Thisentry(FREQ)isusedtodefinethedampingfraction.Forthisexample,thespectraordinatevalues$willbecreatedfordampingfractionsof0%,2%and4%ofcritical.$FREQ,1,0.0,0.02,0.04$$Thisentry(FREQ1)isusedtospecifythespectrafrequencyvalues.Forthisexample,thefirstfrequencyis50.0Hz,the$frequencyincrementis25.0Hz,andthenumberoffrequenciesis400.Thiswillgenerateaspectraoutto10000Hz.FREQ1,2,50.0,25.0,400案例分析：Step1-创立频谱带附属梁的矩形板5”x2”铝板，固支一条边另一边有一附属梁在固支边施加Z方向的瞬态强迫运动RBE2案例分析：Step1-创立频谱矩形板属性5inx2in铝板厚0.1in杨氏模量10.0x106psi泊松比0.3密度0.102lbf/in3=2.640x10-4lbf*sec2/in4附属梁属性0.05inx0.05in方形截面铝梁长0.5in杨氏模量10.0x106psi泊松比0.3密度0.102lbf/in3=2.640x10-4lbf*sec2/in4通过RBE2将梁和自由边上的节点11，22连接案例分析：Step1-创立频谱阻尼构造阻尼阻尼系数g为0.06如不用构造阻尼，则必需在250Hz施加等效粘滞阻尼SOL109,直接瞬态响应案例分析：Step1-创立频谱在固支端Z方向上加载加速度强迫运动，频率为250Hz即在节点1,12,23,34,45上..案例分析：Step1-创立频谱在Patran中创立模型几何，面和线划分面和线的网格Equivalence重合节点创立时间历程载荷工况创立时间场约束一条短边创立材料属性创立单元属性输出MDNastran输入文件，如jobname.bdf编辑MDNastran输入文件，参与下页运行分析查看分析结果$LinearTransientResponseAnalysis,DirectFormulation,DatabaseSOL109$DirectTextInputforExecutiveControlCENDTITLE=MSC.Nastranjobcreatedon27-Aug-08at08:51:14ECHO=NONELOADSET=1$DirectTextInputforGlobalCaseControlDataSUBCASE1SUBTITLE=TransientTSTEP=1SPC=2DLOAD=2$MustspecifybothDISPLACEMENTandVELOCITYforthenodethatwillhavethe$enforcedmotion.Thisisnecessarytoobtainthedesiredresponsespectra.DISPLACEMENT(plot,SORT2,REAL)=ALLVELOCITY(plot,SORT2,REAL)=ALLACCELERATION(plot,SORT2,REAL)=ALLSTRESS(plot,SORT2,REAL,VONMISES,BILIN)=ALLFORCE(plot,SORT2,REAL,BILIN)=ALL案例分析：Step1-创立频谱编辑MDNastran输入文件文件名为casestudy14_create_response_spectra.bdf假设在Patran中恳求，则不需要手动增加这两个卡片案例分析：Step1-创立频谱编辑MDNastran输入文件(续)OUTPUT(XYPLOT)$$useXYPLOTSPECTRALtocomputearesponsespectra,$andoutputtoaplotfile,.plt$$useXYPUNCHSPECTRALtocreateafilecontainingthe$responsespectrainTABLED1format,.pch$RMgivesabsolutespectra,IPgivesrelativespectra$XYPLOTACCESPECTRAL1/57(T3RM)XYPUNCHACCESPECTRAL1/57(T3RM)$$BEGINBULKPARAMPOST0PARAMCOUPMASS1PARAMG.06PARAMW31570.8PARAMPRTMAXIMYESTSTEP130001.-5可以在Patran中用SubcaseDirectTextInput来写这三张卡片，代替手动修改bdf文件案例分析：Step1-创立频谱编辑MDNastran输入文件(续)$=============================================$BeginningofResponseSpectraGenerationInput$PARAM,RSPECTRA,0$$UseDTItospecifythedampingfractionandspectrafrequency(SDOFoscillatordampingandnaturalfrequency)table.$Also,usethisentrytospecifytheGRID”sforwhichspectrawillbecalculated.$RECNODAMPFREQG1G2G3G4DTISPSEL0DTISPSEL11257ENDREC$$Thisentry(FREQ)isusedtodefinethedampingfraction.Forthisexample,thespectraordinatevalues$willbecreatedfordampingfractionsof0%,2%and4%ofcritical.$FREQ,1,0.0,0.02,0.04$$Thisentry(FREQ1)isusedtospecifythespectrafrequencyvalues.Forthisexample,thefirstfrequencyis50.0Hz,the$frequencyincrementis25.0Hz,andthenumberoffrequenciesis400.Thiswillgenerateaspectraoutto10000Hz.FREQ1,2,50.0,25.0,400$$EndofResponseSpectraGenerationInput$=============================================可以在Patran中用BulkDataDirectTextInput来写这些内容，代替手动修改bdf文件案例分析：Step1-创立频谱编辑MDNastran输入文件(续)$

$ElementsandElementPropertiesforregion:platePSHELL11.111$Pset:“plate“willbeimportedas:“pshell.1“CQUAD411121312CQUAD421231413CQUAD431341514..Restofelements.$$ElementsandElementPropertiesforregion:appendagePBARL21BAR.05.05$Pset:“appendage“willbeimportedas:“pbarl.2“$CBAREIDPIDGAGBX1X2X3$Pset:“appendage“willbeimportedas:“pbarl.2“CBAR42257580.0.1.CBAR44258590.0.1.$Nodesoftheappendagemodel$GRIDIDX1X2X3GRID575.50.0.GRID585.50.50.GRID596.00.50.$$MaterialRecord:alum$DescriptionofMaterial:Date:27-Aug-08MAT111.+7.32.64-4$MultipointConstraintsoftheEntireModel$IDconflict:thePATRANMPCIDwas1RBE242571234561122$NodesoftheEntireModelGRID10.0.0.GRID2.50.0...RestofnodesandLBC.ENDDATAbdf模型文件包含的有限元模型案例分析：Step1-创立频谱在Patran中显示瞬态分析结果案例分析：Step1-创立频谱.pch文件中得到三条频谱曲线$SUBCASE11$ACCE157512$0.000000E+00TABLED1250.140.01375.449.551100.1424.27125.4666.89…

10050.613.28ENDT$SUBCASE1404$ACCE15751405$2.000000E-02TABLED1350.138.9175.435.291100.1298.9125.3797.37…10050.612.53ENDT$SUBCASE1807$ACCE15751808$4.000000E-02TABLED1450.138.97375.423.236100.1192.78125.3139.79….10050.612.487ENDT

案例分析：Step1-创立频谱ThetransientresponseatGrid57isconvertedintoaspectraat0%,2%and4%criticaldamping.频谱的应用输入的根底鼓舞频谱用于确定每阶模态的峰值响应。组合这些峰值模态响应得到系统响应。唯一的问题是这些模态的峰值响应通常不是同时到达的。计算的只是峰值响应的幅值。组合峰值响应的方法有三种，分别是ABS,SRSS和NRL。建立待分析的构造模型，将输入点自由度标记为SUPORT自由度。在SUPORT自由度上附加一个大质量(通常为总体构造质量的103到106倍)。使用无约束的SUPORT自由度模型得到系统模态(包括0Hz模态)。这与附属于“鼓舞源”构造的“悬臂梁”模态近似。频谱的应用(续)0.0Hz模态近似于当支撑构造“静态”运动时，模型经受的“静态”运动。“参与因子”(Participationfactors，PF)使用如下表达式计算：这里[f]是约束的根底“弹性”模态矩阵[M]质量阵[Dm]包含刚体模态(即频率是0.0Hz的模态)PF与输入段中描述的计算每阶模态的峰值响应的频谱一起使用。频谱的应用(续)然后在峰值运动的根底上计算每阶模态的数据恢复(位移、应力、力等)。然后选用适宜的方法(ABS,SRSS,NRL)组合这些恢复数据。单自由度振荡器基于根底运动uB(t)的相对位移响应uri(t)由下面公式计算：系统(net)在物理空间的瞬态响应有下面公式准确地计算频谱的应用(续)ABS选项这里k表示物理自由度i表示模态阶数频谱的应用(续)SRSS选项这里平均峰值模态幅值：NRL选项这里

频谱的应用(续)案例分析：Step2-应用频谱用前面的模型执行一个响应谱分析。使用前面的案例分析求得的频谱。附属梁构造用户单独分析，加载在其根底鼓舞位置(Grid57).案例分析：Step2-应用频谱编辑MDNastran输入文件文件名casestudy14_apply_spectra.bdf指定其求解序列为SOL103指定感兴趣的输出SOL103CENDTITLE=MSC.Nastranjobcreatedon27-Aug-08at08:51:14ECHO=NONE$DirectTextInputforGlobalCaseControlDataSUBCASE1SUBTITLE=RunSOL103toapplythespectra.METHOD=1SPC=2VECTOR(SORT1,REAL)=ALLSPCFORCES(SORT1,REAL)=ALLSTRESS(SORT1,REAL,VONMISES,BILIN)=ALLFORCE(SORT1,REAL,BILIN)=ALLACCEL=ALL$====================================$BeginCaseControlPortionforapplyingspectraSDAMP=200$turnonthemodaldampingvaluesDLOAD=500$turnonthespectratouse$EndCaseControlPortionforapplyingspectra$====================================可以用Patran子工况中的直接文本输入代替手动修改案例分析：Step2-应用频谱编辑MDNastran输入文件(续)必需指定输出格式为.op2文件，由于只有.op2文件支持后处理附属梁的模型数据集存于单独的文件‘appendage.bdf’中，可以用INCLUDE命令来包含PARAMCOUPMASS1$$Specifytoobtainresultsinthe.op2file,asresponsespectraresultsareonlysupportedinthe.op2PARAMPOST-1$$theeigensolutionfrequencyrangeneedstoincludetherigidbodymodeandgotothedesiredupperfrequencyEIGRL110000.0MASS$$includetheappendagemodel…oritcouldjustbelistedhereINCLUDE‘appendage.bdf’$$SPCADD21$DisplacementConstraintsofLoadSet:base_spectraSPC111245657案例分析：Step2-应用频谱编辑MDNastran输入文件(续)$=======================================$BeginsectionfordefiningSpectraapplication$$UsethefollowingPARAMtocausearesponsespectrumanalysistobeperformedPARAM,SCRSPEC,0$$SpecifymodalresponsesummingmethodPARAM,OPTION,ABS$$Specifyfrequencyrangeforcalculationofresponse...includingtherigidbodymodewillresultinabsolute$response,whileremovingitwillresultinrelativeresponseNOTE:thespectracurveMUSTencompasstheentiremodalrangePARAM,LFREQ,0.1PARAM,HFREQ,10000.0$$DefineSUPORTentryforNode57…ThisistoidentifyexcitationDOFSUPORT,57,3$$NeedtospecifyalargemassfortheexcitationDOF,themassshouldbe1.e3to1.e6largerthanthemassofthestructureCONM242571000.加载的频谱曲线的频率范围必需不小于感兴趣的频率范围，否则Nastran会自动使用外插值方法来补齐所缺频率案例分析：Step2-应用频谱编辑MDNastran输入文件(续)$Specifythemodaldampingforeachnormalmode,this$willindicatewhichreponsespectratabletouse...eachtablecorrespondstoauniquevalueofdamping.TABDMP1,200,CRIT,,0.0,0.030,10000.0,0.03,ENDT$$Specifyresponsespectrasettobeusedfortheanalysis:DLOAD,SID,S(overallscalefactor),S1(scalefactorforR-SetDOF1),$L1(responsespectratableforDOF1),S2(scalefactorforR-SetDOF2),L2(responsespectratableforDOF2),etc.$L1pointstotheDTI,SPECSEL,RECNOof1DLOAD,500,1.0,1.0,1$$Specificationofresponsespectratables...$thereneedtobetablesforatleast2differentdampingvaluesifthemodaldampingspecifiedaboveneeds$interpolationand/orextrapolation.Belowhastablesspecifiedfordampingof0%,2%and4%critical,sothemodal$dampingof3%abovenecessitatesinterpolationbetweenthe2%and4%spectratables.$DTI,SPECSEL,0DTI,SPECSEL,1,,A,2,0.0,3,0.02,,4,0.04,ENDREC$RESP=A(acceleration),V(velocity),D(displacement)$$includetheTABLED1dataoutputfromthespectragenerationrunINCLUDE”casestudy14_create_response_spectra-coupmass.pch”$$EndsectionfordefiningSpectraapplicationTABDMP1卡片指定模态阻尼。模态阻尼的每个阻尼值都需要指定响应的频率；或者至少指定两对频率和阻尼值，Nastran对做相应的插值处理。案例分析：Step2-应用频谱编辑MDNastran输入文件(续)包含的频谱数据，即.pch文件的内容$SUBCASE11$ACCE157512$0.000000E+00TABLED1250.140.01375.449.551100.1424.27125.4666.89…

10050.613.28ENDT$SUBCASE1404$ACCE15751405$2.000000E-02TABLED1350.138.9175.435.291100.1298.9125.3797.37…10050.612.53ENDT$SUBCASE1807$ACCE15751808$4.000000E-02TABLED1450.138.97375.423.236100.1192.78125.3139.79….10050.612.487ENDT右图中表格内容有所省略附属梁的MDNastran模型数据文件名为appendage.bdf案例分析：Step2-应用频谱$$ElementsandElementPropertiesforregion:appendagePBARL21BAR.05.05$Pset:“appendage“willbeimportedas:“pbarl.2“$CBAREIDPIDGAGBX1X2X3CBAR42257580.0.1.CBAR44258590.0.1.$Nodesoftheappendagemodel$GRIDIDX1X2X3GRID575.50.0.GRID585.50.50.GRID596.00.50.$MaterialRecord:alum$DescriptionofMaterial:Date:27-Aug-08Time:08:44:58MAT111.+7.32.64-4$案例分析：Step2-应用频谱.f06文件中的响应谱分析结果文件名为casestudy14_apply_spectra.f06 REALEIGENVALUESMODEEXTRACTION EIGENVALUE RADIANS CYCLES GENERALIZED GENERALIZEDNO.ORDER MASS STIFFNESS1 1 -1.665335E-16 1.290478E-08 2.053860E-09 1.000000E+00 -1.665335E-162 2 1.409380E+08 1.187173E+04 1.889445E+03 1.000000E+00 1.409380E+083 3 1.728821E+08 1.314847E+04 2.092643E+03 1.000000E+00 1.728821E+084 4 1.112102E+09 3.334820E+04 5.307530E+03 1.000000E+00 1.112102E+095 5 1.259435E+09 3.548852E+04 5.648173E+03 1.000000E+00 1.259435E+09 REALEIGENVALUES (ACTUALMODESUSEDINTHEDYNAMICANALYSIS)MODEEXTRACTION EIGENVALUE RADIANS CYCLES GENERALIZED GENERALIZEDNO.ORDER MASS STIFFNESS2 2 1.409380E+08 1.187173E+04 1.889445E+03 1.000000E+00 1.409380E+083 3 1.728821E+08 1.314847E+04 2.092643E+03 1.000000E+00 1.728821E+084 4 1.112102E+09 3.334820E+04 5.307530E+03 1.000000E+00 1.112102E+095 5 1.259435E+09 3.548852E+04 5.648173E+03 1.000000E+00 1.259435E+09案例分析：Step2-应用频谱.f06文件中的响应谱分析结果(续)MATRIXFN(GINONAME101)ISADBPREC1COLUMNX4ROWRECTANGMATRIX.COLUMN1ROWS1THRU4--------------------------------------------------ROW1)1.8894D+032.0926D+035.3075D+035.6482D+03

PSITPOINTVALUEPOINTVALUEPOINTVALUEPOINTVALUEPOINTVALUECOLUMN157T3-6.14442E-04COLUMN257T37.98213E-12COLUMN357T3-3.69225E-04COLUMN457T31.77909E-10矩阵FN列出了用于分析的固有频率矩阵PSIT列出了模态参与因子(PF)…每阶模态一栏(column)，栏内一行代表一个鼓舞输入(通常是1个输入).案例分析：Step2-应用频谱.f06文件中的响应谱分析结果(续)USETDEFINITIONTABLE(INTERNALSEQUENCE,ROWSORT)RDISPLACEMENTSET-1--2--3--4--5--6--7--8--9--10-1=57-3SCALEDSPECTRALRESPONSE,ABSOPTION,DLOAD=500CLOSE=1.00MATRIXUHVR(GINONAME101)ISAREAL3COLUMNX4ROWRECTANGMATRIX.0COLUMN1ROWS1THRU4--------------------------------------------------ROW1)-2.8288E-09-3.0344E-17-2.0877E-10-8.8769E-170COLUMN2ROWS1THRU4--------------------------------------------------ROW1)-3.3583E-05-3.9898E-13-6.9620E-06-3.1503E-120