ANSYS动力学分析

第三章谐响应分析M3-2第三章：谐响应分析第一节：谐响应分析的定义和目的第二节：关于谐响应分析的基本术语和概念第三节：谐响应分析在ANSYS中的应用第四节：谐响应分析的实例练习M3-3谐响应分析第一节：定义和目的什么是谐响应分析？•确定一个结构在已知频率的正弦（简谐）载荷作用下结构响应的技术。•输入：–已知大小和频率的谐波载荷（力、压力和强迫位移）；–同一频率的多种载荷，可以是同相或不同相的。•输出：–每一个自由度上的谐位移，通常和施加的载荷不同相；–其它多种导出量，例如应力和应变等。M3-4谐响应分析第一节：定义和目的（接上页）谐响应分析用于设计：•旋转设备（如压缩机、发动机、泵、涡轮机械等）的支座、固定装置和部件；•受涡流（流体的漩涡运动）影响的结构，例如涡轮叶片、飞机机翼、桥和塔等。M3-5谐响应分析第一节：定义和目的（接上页）为什么要作谐响应分析？•确保一个给定的结构能经受住不同频率的各种正弦载荷（例如：以不同速度运行的发动机）；•探测共振响应，并在必要时避免其发生（例如：借助于阻尼器来避免共振）。M3-6谐响应分析第二节：术语和概念包含的主题：•运动方程•谐波载荷的本性•复位移•求解方法M3-7•通用运动方程：•[F]矩阵和{u}矩阵是简谐的，频率为w:•谐响应分析的运动方程：谐响应分析-术语和概念运动方程FuKuCuMtitiititiieuiueeuueFiFeeFFwwww)()(21max21max)())((21212FiFuiuKCiMwwM3-8谐响应分析-术语和概念运动方程(接上页)Fmax=载荷幅值I=-1=载荷函数的相位角F1=实部,FmaxcosF2=虚部,Fmaxsinumax=位移幅值f=载荷函数的相位角u1=实部,umaxcosfu2=虚部,umaxsinfM3-9谐响应分析-术语和概念谐波载荷的本性•在已知频率下正弦变化；•相角允许不同相的多个载荷同时作用，缺省值为零；•施加的全部载荷都假设是简谐的，包括温度和重力。实部虚部M3-10谐响应分析-术语和概念复位移•在下列情况下计算出的位移将是复数–具有阻尼–施加载荷是复数载荷（例如：虚部为非零的载荷）•复位移滞后一个相位角（相对于某一个基准而言）•可以用实部和虚部或振幅和相角的形式来查看M3-11谐响应分析-术语和概念求解方法求解简谐运动方程的三种方法：•完整法–为缺省方法，是最容易的方法；–使用完整的结构矩阵，且允许非对称矩阵（例如：声学矩阵）。•缩减法*–使用缩减矩阵，比完整法更快；–需要选择主自由度，据主自由度得到近似的[M]矩阵和[C]矩阵。•模态叠加法**–从前面的模态分析中得到各模态；再求乘以系数的各模态之和；–所有求解方法中最快的。M3-12谐响应分析-术语和概念求解方法（接上页）完整法缩减法模态叠加法相对求解时间慢较快最快相对的使用容易程度最容易较容易难允许元素载荷（例如压强）吗？允许不允许允许(一个载荷向量)允许非零位移载荷吗？允许允许不允许允许模态阻尼吗？不允许不允许允许能处理预应力吗？不能能能能进行“Restart“吗？能能不能允许非对称矩阵吗？允许不允许不允许需要为了求解而选择模态吗？不需要不需要需要需要选择主自由度吗？不需要需要需要(如果选用缩减法)M3-13谐响应分析第三节：步骤四个主要步骤：•建模•选择分析类型和选项•施加谐波载荷并求解•观看结果M3-14谐响应分析-步骤建模模型•只能用于线性单元和材料，忽略各种非线性；•记住要输入密度；•注意：如果ALPX（热膨胀系数）和T均不为零，就有可能不经意地包含了简谐热载荷。为了避免这种事情发生，请将ALPX设置为零.如果参考温度[TREF]与均匀节点温度[TUNIF]不一致,那么T为非零值；•请参阅第一章中的建模需要考虑的问题。M3-15谐响应分析-步骤建模命令(接上页)/PREP7ET,...MP,EX,...MP,DENS,…!建立几何模型…!划分网格...M3-16谐响应分析-步骤选择分析类型和选项建模选择分析类型和选项•输入求解器，选择谐响应分析；•主要分析选项是求解方法-在后面讨论；•规定阻尼-在后面讨论。典型命令:/SOLUANTYPE,HARMIC,NEWM3-17谐响应分析-步骤选择分析类型和选项（接上页）分析选项•求解方法-完整法、缩减法和模态叠加法。缺省为完整法；•自由度输出格式-主要用于批处理方式中；•集中质量矩阵。–推荐用于如果结构的一个方向的尺寸远小于另两个方向的尺寸的情况中。例如：细长梁与薄壳。典型命令:HROPT,...HROUT,…LUMPM,...M3-18谐响应分析-步骤选择分析类型和选项（接上页）阻尼•从-阻尼、-阻尼和阻尼率中选取•阻尼率最常用典型命令:ALPHAD,…BETAD,…DMPRAT,...M3-19谐响应分析-步骤施加谐波载荷并求解建模选择分析类型和选项施加谐波载荷并求解•所有施加的载荷以规定的频率（或频率范围）简谐地变化•“载荷”包括：–位移约束-零或非零的–作用力–压强•注意：如果要施加重力和热载荷，它们也被当作简谐变化的载荷来考虑！典型命令:DK,…!或D或DSYMDA,...DL,…M3-20谐响应分析-步骤施加谐波载荷并求解（接上页）规定谐波载荷时要包括：•振幅和相角•频率•阶梯载荷对线性变化载荷的说明振幅和相角•载荷值（大小）代表振幅Fmax•相角f是在两个或两个以上谐波载荷间的相位差，单一载荷不需要相角f实部虚部fF1maxF2maxM3-21谐响应分析-步骤施加谐波载荷并求解（接上页）振幅和相角（接上页）•ANSYS不能直接输入振幅和相角，而是规定实部和虚部分量；•例如，施加两个简谐力F1和F2，其相角相差f:F1real=F1max(F1的振幅)F1imag=0F2real=F2maxcosfF2imag=F2maxsinf•可以使用APDL语言计算，但要确保角度单位为度（缺省为弧度）。实部虚部fF1maxF2maxM3-22谐响应分析-步骤施加谐波载荷并求解命令（接上页）*AFUN,DEGFK,…F,…SFA,…SFL,…SFE,…SF,…M3-23谐响应分析-步骤施加谐波载荷并求解（接上页）M3-24谐响应分析-步骤施加谐波载荷并求解（接上页）谐波载荷的频率：•通过频率范围和在频率范围内的子步数量来规定每秒的循环次数（赫兹）；•例如，在0-50频率范围内有10个子步时将给出在5，10，15...45和50Hz等频率上的解；而同一频率范围只有一个子步时，则只给出50Hz频率上的解。典型命令:HARFRQ,…NSUBST,…KBC,1M3-25谐响应分析-步骤施加谐波载荷并求解（接上页）阶梯载荷对线性变化载荷：•采用若干子步，可以逐渐地施加载荷（线性变化载荷），或者在第一个子步立刻施加载荷（阶梯载荷）；•谐波载荷通常是阶梯加载，因为载荷值代表的是最大振幅。M3-26谐响应分析-步骤施加谐波载荷并求解（接上页）•在施加谐波载荷后，下一步就是开始求解•通常采用一个载荷步，但是可以采用若干子步，且每个子步具有不同的频率范围典型命令:HARFRQ,…NSUBST,…KBC,1M3-27谐响应分析-步骤观看结果健摸选择分析类型和选项施加谐波载荷并求解观看结果•分三步–绘制结构上的特殊点处的位移-频率曲线–确定各临界频率和相应的相角–观看整个结构在各临界频率和相角时的位移和应力采用POST26，时程后处理器采用POST1，通用后处理器M3-28谐响应分析-步骤观看结果-POST26位移-频率关系曲线•首先定义POST26变量–节点和单元数据表–用大于等于二的数据识别–变量1包含各频率，并是预先定义了的M3-29谐响应分析-步骤观看结果-POST26（接上页）•定义变量（接上页）–挑选可能发生最大变形的节点，然后选择自由度的方向；–定义变量的列表被更新。M3-30谐响应分析-步骤观看结果-POST26（接上页）•定义变量•画变量关系曲线典型命令:/POST26NSOL,…PLVAR,...M3-31谐响应分析-步骤观看结果-POST26（接上页）确定各临界频率和相角•用图形显示最高振幅发生时的频率；•由于位移与施加的载荷不同步（如果存在阻尼的话），需要确定出现最大振幅时的相角；–要进行上述工作，首先要选择振幅+相位选项。M3-32谐响应分析-步骤观看结果-POST26（接上页）–然后用表列出变量。•注意：最大振幅=3.7出现在48Hz,85.7º时•下一步就是观看整个模型在该频率和相角下的位移和应力（使用POST1)典型命令:PRCPLX,1PRVAR,…FINISHM3-33谐响应分析-步骤观看结果-POST1观看整个结构的结果•进入POST1，且列出结果综述表，确定临界频率的载荷步和子步序号；典型命令:/POST1SET,LISTM3-34谐响应分析-步骤观看结果-POST1（接上页）•使用HRCPLX命令读入在期望频率和相角时的结果：–HRCPLX,LOADSTEP,SUBSTEP,PHASE,...–例如：HRCPLX,2,4,85.7•绘制变形图，应力等值线图和其它期望的结果。典型命令:HRCPLX,…PLDISP,2PLNSOL,…FINISHM3-35谐响应分析步骤建立模型选择分析类型和选项施加谐波载荷和求解观看结果M3-36第四节：实例-谐响应分析•在这个实例分析中，结果考察由安装在两端固支梁上的旋转机械产生的简谐力在该梁上引起的谐响应；•详细内容请参阅动力学实例分析补充资料。第四章瞬态动力分析M3-38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M3-39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。M3-40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。M3-41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M3-42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。tFuKuCuMM3-43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M3-44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。M3-45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。M3-46瞬态分析-术语和概念积分时间步长