瞬态分析

null第四章第四章瞬态动力分析第四章：瞬态动力分析第四章：瞬态动力分析 第一节：瞬态动力分析的定义和目的 第二节：瞬态分析状态的基本术语和概念 第三节：在ANSYS中如何进行瞬态分析 第四节：瞬态分析实例瞬态分析 第一节：定义和目的瞬态分析 第一节：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。瞬态分析 定义和目的（接上页）瞬态分析 定义和目的（接上页）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。瞬态分析 第二节：术语和概念瞬态分析 第二节：术语和概念包括的主题如下： 运动方程 求解方法 积分时间步长瞬态分析 – 术语和概念 运动方程瞬态分析 – 术语和概念 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。瞬态分析- 术语和概念 求解方法瞬态分析- 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整矩阵法缩减矩阵法完整矩阵法缩减矩阵法瞬态分析 – 术语和概念 求解方法 （接上页）瞬态分析 – 术语和概念 求解方法 （接上页）运动方程的两种求解法： 模态叠加法（在第六章中讨论） 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请参见第一章。 瞬态分析- 术语和概念 求解方法（接上页）瞬态分析- 术语和概念 求解方法（接上页）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； 在本手册中的全部讨论都是基于此种方法。瞬态分析- 术语和概念 积分时间步长瞬态分析- 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 = 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）瞬态分析 - 术语和概念 积分时间步长（接上页）瞬态分析 - 术语和概念 积分时间步长（接上页）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 - 术语和概念 积分时间步长（接上页）瞬态分析 - 术语和概念 积分时间步长（接上页）载荷突变 ITS 应足够小以获取载荷突变瞬态分析 - 术语和概念 积分时间步长（接上页）瞬态分析 - 术语和概念 积分时间步长（接上页）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 - 术语和概念 积分时间步长（接上页）瞬态分析 - 术语和概念 积分时间步长（接上页）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 第三节：步骤瞬态分析 第三节：步骤在此节中只讨论完整矩阵 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 查看结果瞬态分析步骤 建 模瞬态分析步骤 建 模模型 允许所有各种非线性 记住要输入密度！ 其余参见第一章建模所要考虑的问题null瞬态分析步骤 建模命令(接上页)/PREP7 ET,... MP,EX,... MP,DENS,… ! 建立几何模型 … ! 划分网格 ... 瞬态分析步骤 选择分析类型和选项瞬态分析步骤 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 求解方法和其它选项- 将在下面讨论 阻尼 – 将在下面讨论典型命令: /SOLU ANTYPE，TRANS，NEW瞬态分析步骤 选择分析类型和选项（接上页）瞬态分析步骤 选择分析类型和选项（接上页）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 由程序自行选择瞬态分析步骤 选择分析类型和选项命令（接上页）瞬态分析步骤 选择分析类型和选项命令（接上页）TRNOPT，FULL NLGEOM，… SSTIF，… NROPT，… LUMPM，… EQSLV，... 瞬态分析步骤 选择分析类型和选项（接上页）瞬态分析步骤 选择分析类型和选项（接上页）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 规定边界条件和初始条件瞬态分析步骤 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瞬态分析步骤 规定边界条件和初始条件命令(接上页)瞬态分析步骤 规定边界条件和初始条件命令(接上页)DK，… ! 或 D或 DSYM DL，… DA，… ACEL，… OMEGA，... 瞬态分析步骤 规定边界条件和初始条件（接上页）瞬态分析步骤 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 (v00) 高尔夫球棒击球 (v00) 物体跌落试验 (a00)瞬态分析步骤 规定边界条件和初始条件（接上页）瞬态分析步骤 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 > Initial Condit’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。瞬态分析步骤 规定边界条件和初始条件（接上页）瞬态分析步骤 规定边界条件和初始条件（接上页）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 > Time Integration... 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。瞬态分析步骤 规定边界条件和初始条件命令（接上页）瞬态分析步骤 规定边界条件和初始条件命令（接上页）! 载荷步 1 TIMINT，OFF ! 关闭瞬态效应 TIME，0.001 ! 小的时间间隔 NSEL，… ! 选择所有小物体的所有节点 D，ALL，ALL，0 ! 并在所有方向上定义固定约束 NSEL，ALL ACEL，… ! 加速度值 NSUBST，2 ! 两个子步 KBC，1 ! 阶梯载荷 SOLVE 瞬态分析步骤 规定边界条件和初始条件（接上页）瞬态分析步骤 规定边界条件和初始条件（接上页）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。AceltLoad step 1瞬态分析步骤 规定边界条件和初始条件命令（接上页）瞬态分析步骤 规定边界条件和初始条件命令（接上页）! 载荷步 2 TIMINT，ON ! 打开瞬态效应开关 TIME，… ! 指定载荷步实际的终点时刻 NSEL，… !选择所有小物体的所有节点 DDELE，ALL，ALL ! 并删除所有约束 NSEL，ALL SOLVE ... 瞬态分析步骤 规定边界条件和初始条件（接上页）瞬态分析步骤 规定边界条件和初始条件（接上页）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 u00 ， 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 > Time Integration... 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。瞬态分析步骤 规定边界条件和初始条件命令（接上页）瞬态分析步骤 规定边界条件和初始条件命令（接上页）! 载荷步 1 TIMINT，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 瞬态分析步骤 规定边界条件和初始条件（接上页）瞬态分析步骤 规定边界条件和初始条件（接上页）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。瞬态分析步骤 规定边界条件和初始条件命令（接上页）瞬态分析步骤 规定边界条件和初始条件命令（接上页）! 载荷步 2 TIMINT，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 ... 瞬态分析步骤 规定边界条件和初始条件（接上页）瞬态分析步骤 规定边界条件和初始条件（接上页）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v00。 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 > Initial Condit’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。瞬态分析步骤 规定边界条件和初始条件命令（接上页）瞬态分析步骤 规定边界条件和初始条件命令（接上页）NSEL，… IC，… NSEL，ALL TIME，… … SOLVE 瞬态分析步骤 规定边界条件和初始条件（接上页）瞬态分析步骤 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。瞬态分析步骤 施加时间-历程载荷并求解瞬态分析步骤 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 这类载荷有两种施加方法： 列表输入法 多载荷步施加法瞬态分析步骤 施加时间-历程载荷并求解（接上页）瞬态分析步骤 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 > On Nodes，然后拾取所需节点0.522.5101.01.5瞬态分析步骤 施加时间-历程载荷并求解命令（接上页）瞬态分析步骤 施加时间-历程载荷并求解命令（接上页）! 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 ... 瞬态分析步骤 施加时间-历程载荷并求解（接上页）瞬态分析步骤 施加时间-历程载荷并求解（接上页）2. 选择力方向和 “新表New table”， 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；瞬态分析步骤 施加时间-历程载荷并求解（接上页）瞬态分析步骤 施加时间-历程载荷并求解（接上页）5. 规定终止时间和积分时间步长 Solution > Time/Frequenc > Time - Time Step… 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（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 ITS AUTOTS，ON OUTRES，… SOLVE瞬态分析步骤 施加时间-历程载荷并求解（接上页）瞬态分析步骤 施加时间-历程载荷并求解（接上页）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)。瞬态分析步骤 施加时间-历程载荷并求解（接上页）瞬态分析步骤 施加时间-历程载荷并求解（接上页）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；22.5100.51.01.52. 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。 *将在后面讨论瞬态分析步骤 施加时间-历程载荷并求解命令（接上页）瞬态分析步骤 施加时间-历程载荷并求解命令（接上页）! Load step 1 F，… ! 在指定的节点上定义力22.5 TIME，0.5 ! 终点时间 DELTIM，… ! 积分时间步长 KBC，0 ! 斜坡载荷 AUTOTS，ON OUTRES，… SOLVE ! 或LSWRITE 瞬态分析步骤 施加时间-历程载荷并求解（接上页）瞬态分析步骤 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。瞬态分析步骤 施加时间-历程载荷并求解命令（接上页）瞬态分析步骤 施加时间-历程载荷并求解命令（接上页）! 载荷步 2 F，… ! 在指定的节点上定义力10.0 TIME，1.0 ! 终点时间 SOLVE ! 或 LSWRITE ! 载荷步 3 FDELE，… ! 删除力 TIME，1.5 ! 终点时间 KBC，1 ! 阶梯载荷 SOLVE ! 或LSWRITE 瞬态分析步骤 施加时间-历程载荷并求解（接上页）瞬态分析步骤 施加时间-历程载荷并求解（接上页）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 - Time Step…瞬态分析步骤 施加时间-历程载荷并求解（接上页）瞬态分析步骤 施加时间-历程载荷并求解（接上页）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ANSYS 5.5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瞬态分析步骤 施加时间-历程载荷并求解（接上页）瞬态分析步骤 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 > Output Ctrls > DB/Results File... 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瞬态分析步骤 施加时间-历程载荷并求解（接上页）瞬态分析步骤 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 LSSOLVE FINISH瞬态分析结果 察看结果瞬态分析结果 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，通用后处理器瞬态分析结果 察看结果- POST26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瞬态分析结果 察看结果- POST26（接上页）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 更新变量定义表瞬态分析结果 察看结果- POST26（接上页）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: /POST26 NSOL，… PLVAR，...瞬态分析结果 察看结果- POST26（接上页）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（List Extremes）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- POST1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，“By Time/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典型命令: /POST1 SET，，， ，，0.02915 ! 读出结果对应的时刻 = 0.02915瞬态分析结果 察看结果- POST1（接上页）瞬态分析结果 察看结果- POST1（接上页）典型命令: PLDISP，… ! 变形形状 PLNSOL，… ! 画等值图瞬态分析结果 察看结果- POST1（接上页）瞬态分析结果 察看结果- POST1（接上页）典型命令: /DSCALE，，1 ! 真是位移比例 PLDISP，…瞬态分析步骤瞬态分析步骤建模 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 察看结果第四节：实例 – 瞬态分析第四节：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分析补充资料