ansys动力学瞬态分析详解复习过程.doc
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1、如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流ansys动力学瞬态分析详解【精品文档】第 71 页3.1瞬态动力学分析的定义 瞬态动力学分析(亦称时间历程分析)是用于确定承受任意的随时间变化载荷结构的动力学响应的一种方法。可以用瞬态动力学分析确定结构在稳态载荷、瞬态载荷和简谐载荷的随意组合作用下的随时间变化的位移、应变、应力及力。载荷和时间的相关性使得惯性力和阻尼作用比较重要。如果惯性力和阻尼作用不重要,就可以用静力学分析代替瞬态分析。瞬态动力学的基本运动方程是:其中:M=质量矩阵C=阻尼矩阵K=刚度矩阵 =节点加速度向量 =节点速度向量u=节点位移向量在任意给定的时间 ,这些方程可看作是一系列考虑
2、了惯性力(M )和阻尼力(C )的静力学平衡方程。ANSYS程序使用Newmark时间积分方法在离散的时间点上求解这些方程。两个连续时间点间的时间增量称为积分时间步长(integrationtimestep)。3.2学习瞬态动力学的预备工作 瞬态动力学分析比静力学分析更复杂,因为按“工程”时间计算,瞬态动力学分析通常要占用更多的计算机资源和更多的人力。可以先做一些预备工作以理解问题的物理意义,从而节省大量资源。例如,可以做以下预备工作:1.首先分析一个较简单模型。创建梁、质量体和弹簧组成的模型,以最小的代价深入的理解动力学认识,简单模型更有利于全面了解所有的动力学响应所需要的。2.如果分析包括
3、非线性特性,建议首先利用静力学分析掌握非线性特性对结构响应的影响规律。在某些场合,动力学分析中是没必要包括非线性特性的。3.掌握结构动力学特性。通过做模态分析计算结构的固有频率和振型,了解这些模态被激活时结构的响应状态。同时,固有频率对计算正确的积分时间步长十分有用。4.对于非线性问题,考虑将模型的线性部分子结构化以降低分析代价。中将讲述子结构。3.3三种求解方法 瞬态动力学分析可采用三种方法:完全(Full)法、缩减(Reduced)法及模态叠加法。ANSYS/Professional产品中只允许用模态叠加法。在研究如何实现这些方法之前,让我们先探讨一下各种方法的优点和缺点。3.3.1完全法
4、 完全法采用完整的系统矩阵计算瞬态响应(没有矩阵缩减)。它是三种方法中功能最强的,允许包括各类非线性特性(塑性、大变形、大应变等)。注如果并不想包括任何非线性,应当考虑使用另外两种方法中的一种。这是因为完全法是三种方法中开销最大的一种。 完全法的 优点 是:容易使用,不必关心选择主自由度或振型。允许各种类型的非线性特性。采用完整矩阵,不涉及质量矩阵近似。在一次分析就能得到所有的位移和应力。允许施加所有类型的载荷:节点力、外加的(非零)位移(不建议采用)和单元载荷(压力和温度),还允许通过TABLE数组参数指定表边界条件。允许在实体模型上施加的载荷。完全法的 主要缺点 是它比其它方法开销大。3.
5、3.2模态叠加法 模态叠加法通过对模态分析得到的振型(特征值)乘上因子并求和来计算结构的响应。此法是ANSYS/Professional程序中唯一可用的瞬态动力学分析法。模态叠加法的 优点 是:对于许多问题,它比缩减法或完全法更快开销更小;只要模态分析不采用PowerDynamics方法,通过 LVSCALE 命令将模态分析中施加的单元载荷引入到瞬态分析中;允许考虑模态阻尼(阻尼比作为振型号的函数)。模态叠加法的 缺点 是:整个瞬态分析过程中时间步长必须保持恒定,不允许采用自动时间步长;唯一允许的非线性是简单的点点接触(间隙条件);不能施加强制位移(非零)位移。3.3.3缩减法 缩减法通过采用
6、主自由度及缩减矩阵压缩问题规模。在主自由度处的位移被计算出来后,ANSYS可将解扩展到原有的完整自由度集上。(参见“模态分析”中的“矩阵缩减”部分对缩减过程的详细讨论。)缩减法的 优点 是:比完全法快且开销小。缩减法的 缺点 是:初始解只计算主自由度的位移,第二步进行扩展计算,得到完整空间上的位移、应力和力;不能施加单元载荷(压力,温度等),但允许施加加速度。所有载荷必须加在用户定义的主自由度上(限制在实体模型上施加载荷)。整个瞬态分析过程中时间步长必须保持恒定,不允许用自动时间步长。唯一允许的非线性是简单的点点接触(间隙条件)。3.4 完全法瞬态动力学分析首先,讲述完全法瞬态动力学分析过程,
7、然后分别介绍模态叠加法和缩减法与完全法不相同的计算步骤。完全法瞬态动力分析(在ANSYS/Multiphsics、ANSYS/Mechauioal及ANSYS/Structural中可用)由以下步骤组成:1.建造模型2.建立初始条件3.设置求解控制4.设置其他求解选项5.施加载荷6.存储当前载荷步的载荷设置7.重复步骤3-6定义其他每个载荷步8.备份数据库9.开始瞬态分析10.退出求解器11.观察结果3.4.1建造模 型在这一步中,首先要指定文件名和分析标题,然后用PREP7定义单元类型,单元实常数,材料性质及几何模型。这些工作在大多数分析中是相似的。详细地说明了如何进行这些工作。对于完全法瞬
8、态动力学分析,注意下面两点:可以用线性和非线性单元;必须指定杨氏模量EX(或某种形式的刚度)和密度DENS(或某种形式的质量)。材料特性可以是线性的或非线性的、各向同性的或各向异性的、恒定的或和温度有关的。划分合理的网格密度:网格密度应当密到足以确定感兴趣的最高阶振型;对应力或应变感兴趣的区域比只考察位移的区域的网格密度要细一些;如果要包含非线性特性,网格密度应当密到足以捕捉到非线性效应。例如,塑性分析要求在较大塑性变形梯度的区域有合理的积分点密度(即要求较密的网格);如果对波传播效果感兴趣(例如,一根棒的末端准确落地),网格密度应当密到足以解算出波动效应。基本准则是沿波的传播方向每一波长至少
9、有20个单元。3.4.2建立初始条件 在执行完全法瞬态动力学分析之前,用户需要正确理解建立初始条件和正确使用载荷步。瞬态动力学分析顾名思义包含时间函数的载荷。为了定义这样的载荷,用户需要将载荷时间关系曲线划分成合适的载荷步。载荷时间曲线上的每个“拐角”对应一个载荷步,如图3.1所示。图3.1载荷时间关系曲线第一个载荷步通常被用来建立初始条件,然后为第二和后继瞬态载荷步施加载荷并设置载步选项。对于每个载荷步,都要指定载荷值和时间值,同时指定其它的载荷步选项,如采用阶梯加载还是斜坡加载方式施加载荷以及是否使用自动时间步长等。然后,将每个载荷步写入载荷步文件,最后一次性求解所有载荷步。施加瞬态载荷的
10、第一步是建立初始条件(即零时刻时的情况)。瞬态动力学分析要求给定两种初始条件(因为要求解的方程是两阶的):初始位移( )和初始速度( )。如果没有进行特意设置, 和 都被假定为0。初始加速度( )一般假定为0,但可以通过在一个小的时间间隔内施加合适的加速度载荷来指定非零的初始加速度。下面的段落描述了如何施加不同组合形式的初始条件。3.4.2.1零初始位移和零初始速度 这是缺省的初始条件,即如果 = =0,则不需要指定任何条件。在第一个载荷步中可以加上对应于载荷/时间关系曲线的第一个拐角处的载荷。3.4.2.2非零初始位移及/或非零初始速度 可以用IC命令设置这些初始条件。命令:ICGUI:Ma
11、inMenuSolution-Loads-ApplyInitialConditnDefine注意:不要定义矛盾的初始条件。例如,在某单一自由度处定义了初始速度,则在所有其它自由度处的初始速度将为0.0 ,潜在地会产生冲突的初始条件。在大多数情形下要在模型的每个未约束自由度处定义初始条件。如果这些条件对各自由度是不同的,那么就可以较容易地明确指定初始条件,如下所述。 关于TIMINT和IC命令的说明参见。3.4.2.3零初始位移和非零初始速度 非零速度是通过对结构中需指定速度的部分加上小时间间隔上的小位移来实现的。比如如果 =0.25,可以通过在时间间隔0.004内加上0.001的位移来实现,命
12、令流如下:TIMINT,OFF!TimeintegrationeffectsoffD,ALL,UY,.001!SmallUYdispl.(assumingY-directionvelocity)TIME,.004!Initialvelocity=0.001/0.004=0.25LSWRITE!Writeloaddatatoloadstepfile(Jobname.S01)DDEL,ALL,UY!RemoveimposeddisplacementsTIMINT,ON!Timeintegrationeffectson3.4.2.4非零初始位移和非零初始速度 和上面的情形相似,不过施加的位移是真实数
13、值而非“小”数值。比如,若 =1.0且 =2.5,则应当在时间间隔0.4内施加一个值为1.0的位移:TIMINT,OFF!TimeintegrationeffectsoffD,ALL,UY,1.0!Initialdisplacement=1.0TIME,.4!Initialvelocity=1.0/0.4=2.5LSWRITE!Writeloaddatatoloadstepfile(Jobname.S01)DDELE,ALL,UY!RemoveimposeddisplacementsTIMINT,ON!Timeintegrationeffectson3.4.2.5非零初始位移和零初始速度 需要
14、用两个子步NSUBST,2来实现,所加位移在两个子步间是阶跃变化的KBC,1。如果位移不是阶跃变化的(或只用一个子步),所加位移将随时间变化,从而产生非零初速度。下面的例子演示了如何施加初始条件 =1.0, =0.0:TIMINT,OFF!TimeintegrationeffectsoffforstaticsolutionD,ALL,UY,1.0!Initialdisplacement=1.0TIME,.001!SmalltimeintervalNSUBST,2!TwosubstepsKBC,1!SteppedloadsLSWRITE!Writeloaddatatoloadstepfile(J
15、obname.S01)!transientsolutionTIMINT,ON!Time-integrationeffectsonfortransientsolutionTIME,.!RealistictimeintervalDDELE,ALL,UY!RemovedisplacementconstraintsKBC,0!Rampedloads(ifappropriate)!Continuewithnormaltransientsolutionprocedures3.4.2.6非零初始加速度 可以近似地通过在小的时间间隔内指定要加的加速度ACEL实现。例如,施加初始加速度为9.81的命令如下:AC
16、EL,9.81!InitialY-directionaccelerationTIME,.001!SmalltimeintervalNSUBST,2!TwosubstepsKBC,1!SteppedloadsLSWRITE!Writeloaddatatoloadstepfile(Jobname.S01)!transientsolutionTIME,.!RealistictimeintervalDDELE,.!Removedisplacementconstraints(ifappropriate)KBC,0!Rampedloads(ifappropriate)!Continuewithnormal
17、transientsolutionprocedures参见中关于命令ACEL、TIME、NSUBST、KBC、LSWRITE、DDELE和KBC的论述。3.4.3设置求解控制 设置求解控制涉及定义分析类型、分析选项以及载荷步设置。执行完全法瞬态动力学分析,可以使用最新型的求解界面(称为求解控制对话框)进行这些选项的设置。求解控制对话框提供大多数结构完全法瞬态动力分析所需要的缺省设置,即用户只需要设置少量的必要选项。完全法瞬态动力分析建议采用求解控制对话框,本章将详细进行介绍。如果完全瞬态动力分析需要初始条件,必须在分析的第一个载荷步进行,然后反复利用求解控制对话框为后续荷步设置载载荷步选项(即
18、重复求解的3-6步)。如果不喜欢使用求解控制对话框(MainMenuSolution-AnalysisType-SolnControl),仍然可以沿用标准ANSYS求解命令及其对应的菜单路径(MainMenuSolutionUnabridgedMenuoption)。求解控制对话框一般形式参见ANSYS基本分析指南的针对确定的结构分析类型选用特定的求解控制。3.4.3.1使用求解控制对话框 选择菜单路径MainMenuSolution-AnalysisType-SolnControl,就弹出求解控制对话框。下面将详细讲述求解控制对话框各页片夹中的选项。想要知道设置各选项的细节,选择感兴趣的页片
19、夹,然后单击Help按钮。本章还会讲述相关非线性结构分析的一些细节问题。3.4.3.2使用页片夹 求解控制对话框包含5各页片夹,各页片夹中分组设置控制选项,并将大多数基本控制选项设置在第一个页片夹中,其他页片夹提供更高级的控制选项。通过各页片夹,轻松达到控制求解过程。打开求解控制对话框,基本页片夹总是处于激活状态,只包含ANSYS分析所需要设置的最少选项。如果基本页片夹已经满足控制要求,其他高级选项只有缺省状态不符合求解控制才需要进一步进行调整。一旦单击任何页片夹中的OK按钮,所有求解控制对话框中选项设置都定义到ANSYS数据库中,同时关闭求解控制对话框。可以是用基本页片夹设置下表中的选项。打
20、开求解控制对话框,选择Basic页片夹,进行设置。基本页片夹选项 选项 更多信息参见: 指定分析类型 ANTYPE , NLGEOM ANSYS基本分析指南中的定义分析类型和分析设置ANSYS结构分析指南中的非线性结构分析ANSYS基本分析指南中的重启动分析控制时间设置,包括:载荷步终点时间 TIME ,自动时间步长 AUTOTS 以及载荷步内的子步数 NSUBST 或 DELTIM ANSYS基本分析指南中的跟踪中的时间作用ANSYS基本分析指南中的一般选项指定写入数据库的求解(结果)数据 OUTRES ANSYS基本分析指南中的输出控制在瞬态动力学中,这些选项的 特殊考虑 有:1)当设置
21、ANTYPE 和 NLGEOM 时,如果执行一个新分析希望忽略大位移效应,如大变形、大转角和大应变,就选择小位移瞬态。如果希望考虑大变形(如弯曲的长细杆件)或大应变(如金属成型),就选择大位移瞬态。如果希望重启动一个失败的非线性分析,或者前面完成一个静态预应力分析或完全法瞬态动力分析,而后希望继续下面的时间历程计算,就可以选择重启动当前分析。2)当设置 AUTOTS 时,记住该载荷步选项(瞬态动力学分析中也称为时间步长优化)基于结构的响应增大或减小积分时间步长。对于多数问题,建议打开自动时间步长与积分时间步长的上下限。通过 DELTIM 和 NSUBST 指定积分步长上下限,有助于限制时间步长
22、的波动范围;更多信息参见 AutomaticTimeStepping 。缺省值为不打开自动时间步长。3) NSUBST 和 DELTIM 是载荷步选项,用于指定瞬态分析积分时间步长。积分时间步长是运动方程时间积分中的时间增量。时间积分增量可以直接或间接指定(即通过子步数目)。时间步长的大小决定求解的精度:它的值越小,精度就越高。使用时应当考虑多种因素,以便计算出一个好的积分时间步长,详情参见积分时间步长章节。4)当设置 OUTRES 时,记住下面注意事项:在完全法瞬态动力分析,缺省时只有最后子步(时间点)写入结果文件( Jobname.RST )为了将所有子步写入,需要设置所有子步的写入频率。
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