瞬态动力学分析.docx

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瞬态动力学分析

瞬态动力学分析

Transient

§瞬态动力学分析的概念

瞬态动力学分析（亦称时刻-历程分析）是用于确信经受任意的随时刻转变载荷结构的动力学响应的一种方式。

能够用瞬态动力学分析确信结构在稳态载荷、瞬态载荷和简谐载荷的随意组合作用下的随时刻转变的位移、应变、应力及力。

载荷和时刻的相关性使得惯性力和阻尼作用比较重要。

若是惯性力和阻尼作用不重要，就能够够用静力学分析代替瞬态分析。

瞬态动力学的大体运动方程是：

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

在任意给定的时刻

，这些方程可看做是一系列考虑了惯性力（[M]{

}）和阻尼力（[C]{

}）的静力学平稳方程。

ANSYS程序利用Newmark时刻积分方式在离散的时刻点上求解这些方程。

两个持续时刻点间的时刻增量称为积分时刻步长（integration　timestep）。

§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”时刻计算，瞬态动力学分析通常要占用更多的运算机资源和更多的人力。

能够先做一些预备工作以明白得问题的物理意义，从而节省大量资源。

例如，能够做以下预备工作：

1.第一分析一个较简单模型。

创建梁、质量体和弹簧组成的模型，以最小的代价深切的明白得动力学熟悉，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.若是分析包括非线性特性，建议第一利用静力学分析把握非线性特性对结构响应的阻碍规律。

在某些场合，动力学分析中是没必要包括非线性特性的。

3.把握结构动力学特性。

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刻步长十分有效。

4.关于非线性问题，考虑将模型的线性部份子结构化以降低分析代价。

<<高级技术分指南>>中将讲述子结构。

§三种求解方式

瞬态动力学分析可采纳三种方式：

完全（Full）法、缩减（Reduced）法及模态叠加法（ModeSuperpo’s）。

ANSYS/Professional产品中只许诺用模态叠加法。

在研究如何实现这些方式之前，让咱们先探讨一下各类方式的优势和缺点。

§3.3.1完全法

完全法采纳完整的系统矩阵计算瞬态响应（没有矩阵缩减）。

它是三种方式中功能最强的，许诺包括各类非线性特性（塑性、大变形、大应变等）。

注:

若是并非想包括任何非线性，应当考虑利用另外两种方式中的一种。

这是因为完全法是三种方式中开销最大的一种。

完全法的优势是：

·容易利用，没必要关切选择主自由度或振型。

·许诺各类类型的非线性特性。

·采纳完整矩阵，不涉及质量矩阵近似。

·在一次分析就能够取得所有的位移和应力。

·许诺施加所有类型的载荷：

节点力、外加的（非零）位移（不建议采纳）和单元载荷（压力和温度），还许诺通过TABLE数组参数指定表边界条件。

·许诺在实体模型上施加的载荷。

完全法的要紧缺点是:

它比其它方式开销大。

§3.3.2模态叠加法

模态叠加法通过对模态分析取得的振型（特点值）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。

优势是：

·关于许多问题，它比缩减法或完全法更快开销更小；

·只要模态分析不采纳PowerDynamics方式，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；

·许诺考虑模态阻尼（阻尼比作为振型号的函数）。

缺点是：

·整个瞬态分析进程中时刻步长必需维持恒定，不许诺采纳自动时刻步长；

·唯一许诺的非线性是简单的点点接触（间隙条件）；

·不能施增强制位移（非零）位移。

§3.3.3缩减法

缩减法通过采纳主自由度及缩减矩阵紧缩问题规模。

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”部份对缩减进程的详细讨论。

）

优势是：

比完全法快且开销小。

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，取得完整空间上的位移、应力和力；

·不能施加单元载荷（压力，温度等），但许诺施加加速度。

·所有载荷必需加在用户概念的主自由度上（限制在实体模型上施加载荷）。

·整个瞬态分析进程中时刻步长必需维持恒定，不许诺用自动时刻步长。

·唯一许诺的非线性是简单的点—点接触（间隙条件）。

§完全法瞬态动力学分析

第一，讲述完全法瞬态动力学分析进程，然后别离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.成立初始条件

3.设置求解操纵

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概念其他每一个载荷步

8.备份数据库

9.开始瞬态分析

10.退出求解器

11.观看结果

§3.4.1建造模型

在这一步中，第一要指定文件名和分析题目，然后用PREP7概念单元类型，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。

关于完全法瞬态动力学分析，注意下面两点：

·能够用线性和非线性单元；

·必需指定杨氏模量EX（或某种形式的刚度）和密度DENS（或某种形式的质量）。

材料特性能够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信感爱好的最高阶振型；

·对应力或应变感爱好的区域比只考察位移的区域的网格密度要细一些；

·若是要包括非线性特性，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）；

·若是对波传播成效感爱好（例如，一根棒的结尾准确落地），网格密度应当密到足以解算出波动效应。

大体准那么是沿波的传播方向每一波长至少有20个单元。

§3.4.2成立初始条件

在执行完全法瞬态动力学分析之前，用户需要正确明白得成立初始条件和正确利用载荷步。

瞬态动力学分析顾名思义包括时刻函数的载荷。

为了概念如此的载荷，用户需要将载荷—时刻关系曲线划分成适合的载荷步。

载荷—时刻曲线上的每一个“拐角”对应一个载荷步，如下图。

图载荷—时刻关系曲线

第一个载荷步通常被用来成立初始条件，然后为第二和后继瞬态载荷步施加载荷并设置载步选项。

关于每一个载荷步，都要指定载荷值和时刻值，同时指定其它的载荷步选项，如采纳阶梯加载（KBC,1）仍是斜坡加载（KBC,0）方式施加载荷和是不是利用自动时刻步长等。

然后，将每一个载荷步写入载荷步文件，最后一次性求解所有载荷步。

施加瞬态载荷的第一步是成立初始条件（即零时刻时的情形）。

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（

）。

若是没有进行特意设置，

和

都被假定为0。

初始加速度（

）一样假定为0，但能够通过在一个小的时刻距离内施加适合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，即若是

，那么不需要指定任何条件。

在第一个载荷步中能够加上对应于载荷/时刻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

能够用IC命令设置这些初始条件。

命令：

IC

GUI：

MainMenu>Solution>Loads>Apply>InitialCondit’n>Define

注意：

不要概念矛盾的初始条件。

例如，在某单一自由度处概念了初始速度，那么在所有其它自由度处的初始速度将为，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一个未约束自由度处概念初始条件。

若是这些条件对各自由度是不同的，那么就能够够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份加上小时刻距离上的小位移来实现的。

比如，若是

=，能够通过在时刻距离内加上的位移来实现，命令流如下：

...

TIMINT,OFF!

　Time　integration　effects　off

D,ALL,UY,.001!

　Small　UY　displ.　（assuming　Y-direction　velocity）

TIME,.004!

　Initial　velocity　=　　=　

LSWRITE!

　Write　load　data　to　load　step　file　

DDEL,ALL,UY!

　Remove　imposed　displacements

TIMINT,ON!

　Time　integration　effects　on

...

§3.4.2.4非零初始位移和非零初始速度

和上面的情形相似，只是施加的位移是真实数值而非“小”数值。

比如，假设

=且

=，那么应当在时刻距离内施加一个值为的位移：

...

TIMINT,OFF!

　Time　integration　effects　off

D,ALL,UY,!

　Initial　displacement　=　

TIME,.4!

　Initial　velocity　=　　=　

LSWRITE!

　Write　load　data　to　load　step　file　

DDELE,ALL,UY!

　Remove　imposed　displacements

TIMINT,ON!

　Time　integration　effects　on

...

§3.4.2.5非零初始位移和零初始速度

需要用两个子步[NSUBST,2]来实现，所加位移在两个子步间是阶跃转变的[KBC,1]。

若是位移不是阶跃转变的（或只用一个子步），所加位移将随时刻转变，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

=，

=：

...说明：

总共分两步，第一步时刻无位移载荷，恰好到时加位移阶跃转变（纯属个人意见）

TIMINT,OFF!

　Time　integration　effects　off　for　static　solution

D,ALL,UY,!

　Initial　displacement　=　

TIME,.001!

　Small　time　interval

NSUBST,2!

　Two　substeps

KBC,1!

　Stepped　loads

LSWRITE!

　Write　load　data　to　load　step　file　

!

transient　solution

TIMINT,ON!

　Time-integration　effects　on　for　transient　solution

TIME,...!

　Realistic　time　interval

DDELE,ALL,UY!

　Remove　displacement　constraints

KBC,0!

　Ramped　loads　（if　appropriate）

!

Continue　with　normal　transient　solution　procedures

...

§3.4.2.6非零初始加速度

能够近似地通过在小的时刻距离内指定要加的加速度[ACEL]实现。

例如，施加初始加速度为的命令如下：

...

ACEL,,!

　Initial　Y-direction　acceleration

TIME,.001!

　Small　time　interval

NSUBST,2!

　Two　substeps

KBC,1!

　Stepped　loads

LSWRITE!

　Write　load　data　to　load　step　file　

!

transient　solution

TIME,...!

　Realistic　time　interval

DDELE,...!

　Remove　displacement　constraints　（if　appropriate）

KBC,0!

　Ramped　loads　（if　appropriate）

!

Continue　with　normal　transient　solution　procedures

...

参见<>中关于命令ACEL、TIME、NSUBST、KBC、LSWRITE、DDELE和KBC的论述。

§3.4.3设置求解操纵

设置求解操纵涉及概念分析类型、分析选项和载荷步设置。

执行完全法瞬态动力学分析，能够利用最新型的求解界面（称为求解操纵对话框）进行这些选项的设置。

求解操纵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纳求解操纵对话框，本章将详细进行介绍。

若是完全瞬态动力分析需要初始条件，必需在分析的第一个载荷步进行，然后反复利用求解操纵对话框为后续荷步设置载载荷步选项（即重复求解的3-6步）。

若是不喜爱利用求解操纵对话框（MainMenu>Solution>AnalysisType-Sol"n　Control），仍然能够沿用标准ANSYS求解命令及其对应的菜单途径（MainMenu>Solution>UnabridgedMenu>option）。

求解操纵对话框一样形式参见ANSYS大体分析指南的针对确信的结构分析类型选用特定的求解操纵。

§3.4.3.1利用求解操纵对话框

选择菜单途径MainMenu>Solution>-AnalysisType>Sol"nControl，就弹出求解操纵对话框。

下面将详细讲述求解操纵对话框各页片夹中的选项。

想要明白设置各选项的细节，选择感爱好的页片夹，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利用大体页片夹（Basic）

求解操纵对话框包括5各页片夹，各页片夹中分组设置操纵选项，并将大多数大体操纵选项设置在第一个页片夹中,其他页片夹提供更高级的操纵选项。

通过各页片夹，轻松达到操纵求解进程。

打开求解操纵对话框，大体页片夹（Basic）老是处于激活状态，只包括ANSYS分析所需要设置的最少选项。

若是大体页片夹已经知足操纵要求，其他高级选项只有缺省状态不符合求解操纵才需要进一步进行调整。

一旦单击任何页片夹中的OK按钮，所有求解操纵对话框当选项设置都概念到ANSYS数据库中，同时关闭求解操纵对话框。

能够是用大体页片夹设置下表中的选项。

打开求解操纵对话框，选择Basic页片夹，进行设置。

Basic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ANTYPE和NLGEOM时，若是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。

若是希望考虑大变形（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。

若是希望重启动一个失败的非线性分析，或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刻历程计算，就能够够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刻步长优化）基于结构的响应增大或减小积分时刻步长。

关于多数问题，建议打开自动时刻步长与积分时刻步长的上下限。

通过DELTIM和NSUBST指定积分步长上下限，有助于限制时刻步长的波动范围；更多信息参见AutomaticTime　Stepping。

缺省值为不打开自动时刻步长。

3）NSUBST和DELTIM是载荷步选项，用于指定瞬态分析积分时刻步长。

积分时刻步长是运动方程时刻积分中的时刻增量。

时刻积分增量能够直接或间接指定（即通过子步数量）。

时刻步长的大小决定求解的精度：

它的值越小，精度就越高。

利历时应当考虑多种因素，以便计算出一个好的积分时刻步长，详情参见积分时刻步长章节。

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（时刻点）写入结果文件（）为了将所有子步写入，需要设置所有子步的写入频率。

同时，缺省时只有1000个结果序列能够写入结果文件。

若是超过那个数量（基于用户的OUTRES概念），程序将以为犯错终止。

利用命令/CONFIG,NRES能够增大限制数（参见ANSYS大体分析指南中的内存和配置章节）。

§3.4.3.3利用瞬态页片夹（Transient）

利用瞬态页片夹设置其中的瞬态动力选项。

有关设置这些选项的具体信息，打开求解操纵对话框，选择瞬态页片夹，然后单击Help按钮。

选项

更多信息参见：

指定是否考虑时间积分效应[TIMINT]

ANSYS结构分析指南中“执行非线性瞬态分析”

指定采用渐变加载还是突变加载方式[KBC]

ANSYS基本分析指南中“突变—渐变载荷”

ANSYS基本分析指南中“突变或渐变载荷”

指定质量和刚度阻尼　[ALPHAD,BETAD]

ANSYS结构分析指南中“阻尼”

定义积分参数[TINTP]

ANSYS,　Inc.　Theory　Reference

在完全法瞬态动力学中，这些选项的特殊考虑有：

1）TIMINT是动力载荷步选项，用于指定是不是打开时刻积分效应[TIMINT]。

关于需要考虑惯性和阻尼效应的分析，必需打开时刻积分效应（不然看成静力进行求解），因此缺省值为打开时刻积分效应。

进行完静力分析以后接着进行瞬态分析时，该选项十分有效；也确实是说，前面的载荷步必需关闭时刻积分效应。

2）ALPHAD（alpha或mass，damping）和BETAD（beta或stiffness，damping）是动力载荷步选项，用于指定阻尼。

大多数结构中都存在某种形式的阻尼，必需在分析中考虑进来。

3）TINTP是动力载荷步选项，用于指定瞬态积分参数。

瞬态积分参数操纵Newmark时刻积分技术，缺省值为采纳恒定的平均值加速度积分算法。

§3.4.3.4利用求解选项页片夹（Sol’nOptions）

求解选项页片夹选项用于完全法瞬态分析的具体设置完全与结构分析指南静力分析中一致。

详情参见结构分析中利用求解选项页片夹。

§3.4.3.5利用非线性页片夹

非线性页片夹选项用于完全法瞬态分析的具体设置完全与结构分析指南静力分析中一致。

详情参见结构分析中利用非线性页片夹。

§3.4.3.6利用高级非线性页片夹

除弧长法选项外，其他高级非线性页片夹选项均能够用于完全法瞬态分析，设置方式与静力分析完全一致。

详情参见结构分析中高级非线性页片夹。

§3.4.4设置其他求解选项

还有一些选项并非出此刻求解操纵对话框中，因为他们很少被利用，而且缺省值很少需要进行调整。

ANSYS提供有相应的菜单途径用于设置它们。

那个地址提到的许多项选择项是非线性选项，详情参见非线性结构分析。

§3.4.4.1应力刚化效应

利用SSTIF命令能够让包括18X家族单元在内的一些单元包括应力刚化效应。

要确信单元是不是具有应力刚化效应算法，请参阅《ANSYS单元参考手册》中单元说明。

缺省时，若是NLGEOM（几何大变形）设置为ON那么应力刚化效应为打开。

在一些特殊条件下，应当关闭应力刚化效应：

·应力刚化仅仅用于非线性分析。

若是执行线性分析[NLGEOM,OFF]，应当关闭应力刚化效应；

·在分析之前，应当估量机构可不能因为屈曲（分岔，突然穿过）破坏。

一样情形下，包括应力刚化效应能够加速非线性收敛特性。

记住上述要点，在某些特殊计算中显现收敛困难时，能够关闭应力刚化效应，例如局部失效。

命令：

SSTIF

GUI：

MainMenu>Solution>UnabridgedMenu>AnalysisOptions

§3.4.4.2　Newton-Raphson选项

该选项只用于非线性分析，指定求解进程中切线矩阵修正的频率，许诺以下取值：

·Program-chosen　（default）

·Full

·Modified

·Initial　stiffness

·Full　with　unsymmetric　matrix

命令：

NROPT

GUI：

MainMenu>Solution>UnabridgedMenu>AnalysisOptions

§3.4.4.3预应力效应

在分析中能够包括预应力效应，需要上一次静力或瞬态分析的单元文件，详情参见有预应力的瞬态动力分析。

命令：

PSTRES

GUI：

MainMenu>Solution>UnabridgedMenu>AnalysisOptions

§3.4.4.4阻尼选项

利用该载荷步选项概念阻尼。

大多数结构中都存在某种形式的阻尼，必需在分析中考虑进来。

除在求解操纵对话框中设置ALPHAD和BETAD阻尼外，还能够瞬态完全法瞬态动力分析设置以下阻尼：

·材料相关beta阻尼[MP,DAMP]

·单元阻尼（COMBIN7等）

利用下面方式概念MP阻尼：

命令：

MP,DAMP

GUI：

MainMenu>Solution>UnabridgedMenu>-LoadStepOpts>Other>Change　MatProps>Temp-Dependent-Polynomial

§3.4.4.5质量矩阵模式

该分析选项用于指定集中质量矩阵（LumpedMass）模式。

关于大多数应用，建议采纳缺省模式。

可是，某些薄壁结构如纤细梁或薄壳等，集中质量近似模式能够提供更好的结果。

而且，集中质量近似模式耗机时最短，内存要求最少。

利用方式如下：

命令：

LUMPM

GUI：

Main　Menu>Solution>Unabridged　Menu>Analysis　Options

§3.4.4.6蠕变准那么

该非线性载荷步选项对自动时刻步长指定蠕变准那么：

命令：

CRPLIM

GUI：

MainMenu>Solution>UnabridgedMenu>-LoadStepOpts-Nonlinear>CreepCriterion

§3.4.4.7打印输出

利用该载荷步选项以便让所有结果数据写进输出文件。

命令：

OUTPR

GUI：

Main　Menu>Solution>UnabridgedMenu>-LoadStepOpts-OutputCtrls>SoluPrintout

注意：

多次执行OUTPR命令的适当利用是比较严谨做法。

详情参见ANSYS大体分析指南中“输出操纵”。

§3.4.4.8结果外推

利用该载荷步选项能够将单元积分点结果复制到节点，而不是将它们的结果外推到节点（缺省