ANSYS结构动力学分析-1

动力学培训手册DYNAMICS6.0培训手册TOC-2内容目录第一章–导言A.定义和目的M1-3B.动力学分析类型M1-6C.基本术语和概念M1-11D.实例和练习(WS-4)M1-33第二章–模态分析A.定义和目的M2-3B.基本术语和概念M2-5C.过程M2-18D1.实例–模态分析(WS-14)M2-39D2.实例–模态分析(WS-19)M2-39第三章–谐响应分析A.定义和目的M3-3B.基本术语和概念M3-6C.过程M3-12D.实例–谐响应分析(WS-23)M3-34第四章–瞬态动力学分析A.定义和目的M4-3B.基本术语和概念M4-5C.过程M4-22D.实例–瞬态动力学分析(WS-28)M4-58第五章–重启动分析A.定义和目的M5-3B.过程M5-7C.其它重启动选项M5-16D.关于重启动文件M5-18E.实例–瞬态动力学分析(WS-35)M5-21第六章–谱分析A.定义和目的M6-3B.基本术语和概念M6-9C.过程M6-20D.谱分析指南M6-33E.实例(WS-40)M6-36F.随机振动分析M6-37G.实例(WS-43)M6-82第七章–模态叠加A.定义和目的M7-3B.过程M7-8C.实例-模态叠加(再运行WS-4)M7-26第八章–模态分析(高级主题)A.有预应力模态分析M8-3B.实例(WS-49)M8-10C.循环对称模态M8-11D.实例(WS-54)M8-37E.大变形模态分析M8-38第1章动力学分析简介DYNAMICS6.0培训手册TOC-4介绍教程目标培训（教程）结束后，您将能够利用ANSYS做以下工作：•模态、谐波、瞬态和谱分析的前处理、求解和后处理•重启动允许从已存在载荷历程的时间点或恢复不收敛的求解继续求解•使用模态叠加方法可以减少瞬态或谐响应分析的求解时间•使用ANSYS高级模态分析的能力，包括预应力模态、循环对称模态和大变形模态分析DYNAMICS6.0培训手册TOC-5介绍教材•你手中的培训手册是该幻灯片的拷贝•实例描述和说明在实例分析增刊中•关于实例分析文件的拷贝可从指导老师处获得DYNAMICS6.0培训手册TOC-6第1章动力学简介A.动力学分析定义与目的B.讨论动力学分析类型C.基本概念和术语D.简单动力学分析练习DYNAMICS6.0培训手册TOC-7动力学A.定义和目的什么是动力学分析？•用来确定惯量（质量/转动惯量）和阻尼起重要作用时结构或构件动力学行为的技术•“动力学行为”，如：–振动特性——结构如何振动及其振动频率–载荷随时间变化的效应（如对结构的位移和应力的影响）–周期载荷激励（振荡或随机）DYNAMICS6.0培训手册TOC-8动力学…定义和目的•静力分析用于确保一个结构能够承受稳定载荷的条件，但这些还远远不够，尤其当载荷随时间变化时更是如此。•著名的美国塔科马海峡吊桥(GallopingGertie)在1940年11月7日，也就是在它刚建成4个月后，在受到风速为42英里/小时的平稳的风载荷时发生了倒塌。DYNAMICS6.0培训手册TOC-9动力学…定义和目的•动力学分析用于下列物理现象：–振动——如由于旋转机械引起的–冲击——汽车碰撞、锤击–变化载荷——曲轴和其他旋转机械–地震载荷——如地震、冲击波等–随机振动——如火箭发射、道路交通等•每种物理现象将按照一定类型的动力学分析来解决DYNAMICS6.0培训手册TOC-10动力学B.动力学分析类型请看下面例子：–汽车尾气排放管装配体，如果其固有频率与发动机的频率相同就会发生共振，可能导致其脱离，该如何避免这种危险呢？–涡轮叶片在受力（离心力）时表现出不同的动力学特性，你将如何计算？答案：作一个模态分析决定结构振动特性。DYNAMICS6.0培训手册TOC-11动力学…动力学分析类型–汽车保险杠可以承受低速撞击，但在较高速下撞击就可能变形。–网球拍框架设计上应使其能够抵挡网球的冲击并且允许发生轻微弯曲。解决办法：作一个瞬态动力学分析，计算出结构对随时间变化的载荷的响应。DYNAMICS6.0培训手册TOC-12动力学…动力学分析类型–对旋转机械的轴承和支撑结构施加稳定的交变载荷，这些作用力随着旋转速度的不同引起不同的偏转和应力。解决办法——做一个谐响应分析决确定结构对稳态简谐载荷的响应。DYNAMICS6.0培训手册TOC-13–在地震多发区的房屋框架和桥梁设计应使其能够承受地震载荷。解决办法——作一个频谱分析以决定结构对地震载荷的响应。Courtesy:U.S.GeologicalSurvey动力学…动力学分析类型DYNAMICS6.0培训手册TOC-14–太空船和飞行器部件必须承受持续一定时间的变频载荷。解决办法——作随机振动分析以决定部件对随机震动的响应。Courtesy:NASA动力学…动力学分析类型DYNAMICS6.0培训手册TOC-15动力学C.基本定义和术语讨论的问题：•运动通用方程•求解方法•建模考虑的因素•质量矩阵•阻尼DYNAMICS6.0培训手册TOC-16动力学-基本定义和术语运动方程•通用运动方程如下：tFuKuCuM•不同分析类型对应求解不同形式的方程：–模态分析：F(t)=0，[C]一般忽略。–谐响应分析：F(t)和u(t)都假设为谐函数，例如Xsin(wt)，X是振幅，w是频率，单位是rad/s.–瞬态动力学分析：方程保持上述形式。DYNAMICS6.0培训手册TOC-17动力学-基本定义和术语求解方法如何求解通用运动方程？•两种主要方法：–模态叠架法–直接积分法模态叠架法•确定结构的固有频率和模态，乘以正则化坐标，然后加起来用以计算位移解。•可用来进行瞬态和谐响应分析。•详见第六章。DYNAMICS6.0培训手册TOC-18动力学-基本定义和术语…求解方法直接积分法•直接求解运动方程•对于谐响应分析，由于载荷与响应都假设是谐函数，所以运动方程是以力的频率函数而不是以时间函数的形式来写出并求解的。•对于瞬态分析，运动方程保持为时间的函数，可通过显式或隐式方法进行求解。DYNAMICS6.0培训手册TOC-19动力学-基本定义和术语…求解方法显示求解方法•不要求矩阵求逆•可轻松处理非线性问题（无收敛问题）•积分时间步Dt必须很小(1e-6秒较典型）•对于短时间的瞬态分析有效，如波的传播、冲击载荷以及高度非线性问题（如金属成型）•这种方法不是我们主要讨论的。它将在ANSYS-LS/DYNA中详细讲解。隐式求解方法•要求矩阵求逆•非线性要求平衡叠代（收敛问题）•积分时间步Dt可以很大，但由于收敛问题而受到限制。•除了Dt要求很小的情况外，隐式积分法对多数问题都有效。•这种方法是我们主要讨论的。DYNAMICS6.0培训手册TOC-20动力学-基本定义和术语建模注意事项几何形状和网格划分•几何形状与静态分析要求注意的事项相同。•要包括充分描绘模型质量分布所必须的详细资料。•在注重应力结果时需要精细的网格，如果只对位移感兴趣时较粗糙网格就足够了。DYNAMICS6.0培训手册TOC-21动力学-基本定义和术语…建模注意事项材料特性•杨氏模量和密度是必须的。•记住使用一致的单位制。•对于密度，当使用英制单位时，定义质量密度而不是重量密度:–[质量密度]=[重量密度]/[g]=[lbf/in3]/[in/sec2]=[lbf-sec2/in4]–钢的密度=0.283/386=7.3x10-4lbf-sec2/in4DYNAMICS6.0培训手册TOC-22动力学-基本定义和术语…建模注意事项非线性（大变形，接触，塑性等等）•仅在完全瞬态动力学分析中允许使用。•在其他动力学类型中（如模态、谐波分析、频谱分析以及简化的模态叠加瞬态分析等），非线性问题均被忽略掉，也就是说，在整个求解过程中一直保持最初的非线性状态。DYNAMICS6.0培训手册TOC-23[M]Consistentxx0xx0xx0xx000x00xxx0xx0xx0xx000x00xROTZUYUXROTZUYUX222111[M]Lumped000000000000000000000000000000xxxxxx动力学-基本定义和术语质量矩阵•动力学分析中必须有质量矩阵[M]，是通过单元密度对每个单元计算出来的。•两种类型质量矩阵[M]：分布质量矩阵和集中质量矩阵。对于2-DEAM3,梁单元，其质量分布矩阵和集中质量矩阵如下所示：12BEAM3BEAM3DYNAMICS6.0培训手册TOC-24动力学-基本定义和术语…质量矩阵分布质量矩阵•从单元形函数计算得来。•是大多数单元的缺省选项。•一些单元具有特殊形式的质量矩阵叫做简化质量矩阵，它是把对应于转动的元素置为零。集中质量矩阵•质量被单元的各节点所平分，非对角线元素均为零。•通过分析选项来激活(LUMPM命令).DYNAMICS6.0培训手册TOC-25动力学-基本定义和术语…质量矩阵应当采用哪种质量矩阵?•对大多数分析来说，分布质量矩阵为缺省设定。•对于在一个方向上的尺寸比其他两个方向的尺寸都小的结构，如细长梁或很薄的壳，可采用简化质量矩阵（如果能够得到的话）或集中质量矩阵。•集中质量矩阵可用于波的传播问题。DYNAMICS6.0培训手册TOC-26动力学-基本定义和术语阻尼什么是阻尼？•是振动能量耗散机制，使振动最终停止下来。•阻尼大小主要取决于材料、运动速度和振动频率。•分类如下：–粘性阻尼–滞后或固体阻尼–库仑或干摩擦阻尼阻尼响应DYNAMICS6.0培训手册TOC-27动力学-基本定义和术语…阻尼粘性阻尼•物体在流体中运动时发生•在动力学分析中应该考虑，该阻尼力与运动速度成比例。–比例常数c称作阻尼常数。•通常用阻尼比x（阻尼常数c与临界阻尼常数cc*)来量化表示。•临界阻尼定义为出现振荡和非振荡行为之间的阻尼的极值,此时阻尼比x=1.0。*对于单自由度弹簧质量m和频率w的质量系统cc=2mwDYNAMICS6.0培训手册TOC-28动力学-基本定义和术语…阻尼滞后或固体阻尼•是材料的固有特性。•在动力学分析中应该考虑。•认识尚不透彻，因此很难量化。库仑或干摩擦阻尼•当一个物体在一个干表面上滑动时产生的。•阻尼力与作用在表面的法向力成比例。–比例常数m是摩擦系数。•动力学分析中通常不考虑。DYNAMICS6.0培训手册TOC-29动力学-基本定义和术语…阻尼ANSYS允许所有三种形式的阻尼。•可通过阻尼比x，Rayleigh阻尼常数a（后面将进行讨论），或者定义带有阻尼矩阵的单元，将粘性阻尼纳入考虑。•通过规定另一种Rayleigh阻尼常数b（后面将进行讨论）可将滞后或固体阻尼纳入考虑。•通过规定带有摩擦性能的接触表面单元和间隙单元，可将库仑阻尼纳入考虑，（此处不进行讨论，可参见ANSYS结构分析指南）。DYNAMICS6.0培训手册TOC-30•在ANSYS中阻尼定义如下：动力学-基本定义和术语…阻尼]C[C]K[]K)[(]M[]C[NEL1kkNMAT1jjjcxbbba[C]aMbbcKbj[Ck]Cx结构的阻尼矩阵恒定质量矩阵系数(ALPHAD)结构的质量矩阵恒定刚度矩阵系数(BETAD)可变刚度矩阵系数(DMPRAT)结构刚度矩阵材料j的恒定刚度矩阵系数（MP,DAMP)单元阻尼矩阵（单元实常数）依赖频率的阻尼矩阵(DMPRAT和MP,DAMP)DYNAMICS6.0培训手册TOC-31•阻尼有多种定义形式：–粘性阻尼系数或阻尼比x。–品质因子或简化Q–消耗系数或结构阻尼系数h。–衰减量D–光阻尼系数D.•多数与ANSYS中使用的阻尼比x有关。•转化系数下面介绍。动力学-基本定义和术语…阻尼DYNAMICS6.0培训手册TOC-32•不同阻尼定义间的转换：动力学-基本定义和术语…阻尼MeasureDampingratioLossFactorLogDecrementQualityFac