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10:39:05ANSYS-CHINA北京办事处许明财Workbench简介－ANSYS协同仿真环境2ANSYS协同仿真环境•建立一个围绕仿真工作的统一平台•独一无二的CAD/CAE协同环境协同管理所有与仿真工作有关的技术及数据分析数据的协同管理(CAE)设计数据的协同管理(CAD)设计分析协同WorkBenchANSYS全新先进的CAE概念3CAD/CAE协同环境：协同流程模式CAD设计—CAE仿真协同流程FEA求解器ANSYSNASTRANABAQUSLS-DYNACFXFluent...........Workbench分析数据管理设计数据管理Pro/EUnigraphicsCatiaSolidWKSolidEGMDTInventor…….CAD软件参数零件/装配/参数CAE结果CAE模型WEB数据管理4CAD/CAE协同环境：CAD/CAE整合与协同CAD系统与数据的整合9整合多种CAD系统9整合多种CAD模型数据9不同坐标系下装配管理CAD-CAE参数双向互动(收放)9CAD与CAE实现模型数据链接与共享9继承和使用设计参数9CAD中修改设计参数则立即刷新CAE9CAE中修改设计参数则立即刷新CADPro/EUG协同环境Pro/E文件的插入UG文件的插入在协同环境中将来自于Pro/E的支座和UG的齿轮零部组装成一个装配体5CAD/CAE协同环境：关键技术开放性的协同构架多种CAD/CAE的整合与兼容技术项目管理CAD协同•CAD模型管理•模型双向参数管理•分析模型•……CAE协同•自动装配体•网格划分•加载/求解/后处理•分析向导•材料数据库•自动生成报告•……一个简单的协同环境示例优化设计•Explorer•VT整个设计流程与资源管理的协同技术所有数据/信息的管理、解读与转换技术6ANSYS协同仿真环境DesignModelerDesignSimulationDesignXplorerProject7ANSYS协同仿真环境•DM－DesignModel–基于CAD思想的建模方式–不仅是CAD•DS－DesignSimulation–集成了经典ansys的大部分计算功能–更加方便的计算功能•DX－DesignXplorer–基于变分技术的优化8DesignModel•为学习DesignModeler几何建模，需要集中考虑四个基本方面:–草绘模式:•包括生成2D几何形状的工具，2D几何形状是3D几何体生创建成或概念建模（conceptmodeling）的先决条件。–3D几何建模:•几何建模由草图生成实体，如挤出,旋转,表面模型等–模型导入:•对于来源于商业化CAD软件系统的几何模型，典型地，可以在导入DM后对其进行修改以适应有限元网格划分。–概念模型:•这些工具用来创建和修改线体（linebodies），线体能作为有限元梁(FEbeam)或梁以及表面模型的基础。9DesignSimulation•通用前处理•静力结构分析•模态分析•热分析•屈曲分析•谐分析•形状优化•疲劳模块•结果后处理10DesignXplorer•DesignXplorer是通过参数化来实现不同的设计方案及其对应的响应分析:–研究、改进设计方案–通过与各种CAD的专用接口，DesignSpace和DesignModeler工具来实现改进设计，分析–生成分析设计的相应曲线和相应面11WhatisDesignXplorer?•DesignXplorer特点:–非常方便的进行结构分析，热分析。–支持各种CAD系统的参数定义。–支持来自DesignSpace的分析参数。–采用“目标驱动”的优化方法。–自动产生基于响应面的“设计组合”–响应面和响应曲线–基于6sigma的稳健性设计M1-1动力学分析简介动力学分析简介M1-2动力学动力学第一节第一节::定义和目的定义和目的什么是动力学分析?•动力学分析是用来确定惯性（质量效应）和阻尼起重要作用时的结构或构件动力学特性的技术。•“动力学特性”可能指的是下面的一种或几种类型:–振动特性-（结构振动方式和振动频率）–随时间变化载荷的效应（例如：对结构位移和应力的效应）–周期（振动）或随机载荷的效应M1-3总之，动力学分析有下列类型：Courtesy:NASA动力学动力学动力学分析类型（接上页）动力学分析类型（接上页）•模态分析---确定结构的振动特性•瞬态动力学分析---计算结构对随时间变化载荷的响应•谐响应分析---确定结构对稳态简谐载荷的响应•谱分析---确定结构对地震载荷的响应•随机振动分析---确定结构对随机震动的影响M1-4动力学动力学第三节第三节::基本概念和术语基本概念和术语•通用运动方程•求解方法•建模要考虑的因素•质量矩阵•阻尼M1-5动力学动力学--基本概念和术语基本概念和术语运动方程运动方程•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：设定F（t）为零，而矩阵[C]通常被忽略；–谐响应分析：假设F（t）和u（t）都为谐函数，例如Xsin（ωt），其中，X是振幅，ω是单位为弧度/秒的频率；–瞬间动态分析：方程保持上述的形式。其中:[M]=结构质量矩阵[C]=结构阻尼矩阵[K]=结构刚度矩阵{F}=随时间变化的载荷函数{u}=节点位移矢量{ů}=节点速度矢量{ü}=节点加速度矢量M1-6动力学动力学--基本概念和术语基本概念和术语求解方法求解方法如何求解通用运动方程?•两种主要方法：–模态叠加法–直接积分法M1-7动力学动力学--基本概念和术语基本概念和术语求解方法求解方法（接上页）（接上页）直接积分法•直接求解运动方程•在谐响应分析中，因为载荷和响应都假定为谐函数，所以运动方程是以干扰力频率的函数而不是时间的函数的形式写出并求解的•对于瞬态动力学，运动方程保持为时间的函数，并且可以通过显式或隐式的方法求解模态叠加法•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•可以用来处理瞬态动力学分析和谐响应分析•详见后面相关章节M1-8动力学动力学--基本概念和术语基本概念和术语求解方法求解方法（接上页）（接上页）显式求解方法•也称为闭式求解法或预测求解法•不需要计算矩阵的逆•可轻松处理非线性问题（无收敛问题）•积分时间步Δt必须很小，但求解速度很快（没有收敛问题）•对于短时间的瞬态分析有效，如用于波的传播，冲击载荷和高度非线性问题•当前时间点的位移{u}t由包含时间点t-1的方程推导出来•有条件稳定:如果Δt超过结构最小周期的确定百分数,计算位移和速度将无限增加•ANSYS-LS/DYNA就是使用这种方法，此处不作介绍隐式求解法•也称为开式求解法或修正求解法•要求矩阵的逆•非线性要求平衡迭代（存在收敛问题）•积分时间步Δt可以较大，但因为有收敛问题而受到限制•除了Δt必须很小的问题以外，对大多数问题都是有效的•当前时间点的位移{u}t由包含时间点t的方程推导出来•无条件稳定:Δt的大小仅仅受精度条件控制,无稳定性。•这是主要讨论的方法M1-9动力学动力学--基本概念和术语基本概念和术语建模要考虑的问题建模要考虑的问题非线性（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。•在所有其它动力学类型中（如模态分析、谐波分析、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，也就是说最初的非线性状态将在整个非线性求解过程中一直保持不变。M1-10[M]Consistent0000000000000000222111⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxROTZUYUXROTZUYUX[M]Lumped000000000000000000000000000000⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡xxxxxx12BEAM3动力学动力学--基本概念和术语基本概念和术语质量矩阵质量矩阵•对于动力学分析需要质量矩阵[M]，并且这个质量矩阵是按每个单元的密度以单元计算出来的。•有两种类型的质量矩阵[M]:分布质量矩阵和集中质量矩阵，对于2-D梁单元BEAM3，其质量分布矩阵和集中质量矩阵如下所示：M1-11动力学动力学--基本概念和术语基本概念和术语质量矩阵质量矩阵（（接上页）接上页）分布质量矩阵•通过单元形函数计算出来；•是大多数单元的缺省选项；•某些单元有一种称为简化质量矩阵的特殊形式的质量矩阵，其中对应于转动自由度的各元素均被置零。集中质量矩阵•质量被单元各节点所平分，非对角线元素均为零；•通过分析选项来激活。M1-12动力学动力学--基本概念和术语基本概念和术语质量矩阵质量矩阵（（接上页）接上页）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；•若结构在一个方向的尺寸与另两个方向相比很小时，可采用简化质量矩阵（如果可能得到的话）或集中质量矩阵例如细长的梁或很薄的壳；•集中质量矩阵可用于波的传播问题。M1-13动力学动力学--基本概念和术语基本概念和术语阻尼阻尼什么是阻尼?•阻尼是一种能量耗散机制，它使振动随时间减弱并最终停止•阻尼的数值主要取决于材料、运动速度和振动频率•阻尼可分类如下：–粘性阻尼–滞后或固体阻尼–库仑或干摩擦阻尼M1-14动力学动力学--基本概念和术语基本概念和术语阻尼阻尼（（接上页）接上页）粘性阻尼•粘性阻尼一般是物体在液体中运动时发生•由于阻尼力与速度成正比，因此在动力学分析中要考虑粘性阻尼–比例常数c称作阻尼常数•通常用阻尼比ξ（阻尼常数c对临界阻尼常数cc*的比值）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=1.0M1-15动力学动力学--基本概念和术语基本概念和术语阻尼阻尼（（接上页）接上页）滞后和固体阻尼•是材料的固有特性•在动力学分析中应该考虑•认识还不是很透彻，因此很难定量的确定库仑或干摩擦阻尼•物体在干表面上滑动时产生的阻尼•阻尼力与垂直于表面的力成正比–比例常数μ就是摩擦系数•动力学分析中一般不予考虑M1-16动力学动力学--基本概念和术语基本概念和术语阻尼阻尼（（接上页）接上页）ANSYS允许上述所有三种形式的阻尼•通过规定阻尼比ξ,Rayleigh阻尼常数α（后面将进行讨论），或定义带有阻尼矩阵的单元，可将粘性阻尼纳入考虑•通过规定另一种Rayleigh阻尼常数β（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）M1-17动力学动力学--基本概念和术语基本概念和术语阻尼阻尼（（接上页）接上页）在ANSYS中阻尼定义如下：][])[)/2((])[(][][11][ξξββββαCCKKMCNELkkNMATjjjmcj++Ω++++=∑∑==[C]α[M]ββc[Κ]βjm(2/Ω)βjξ[Ck][Cξ]结构阻尼矩阵恒定质量矩阵系数(ALPHAD)结构质量矩阵恒定刚度矩阵系数(BETAD)可变恒定刚度矩阵系数(DMPRAT)结构刚度矩阵材料j的恒定刚度矩阵系数(MP,DAMP)临界材料相关比(MP,DMPR)单元阻尼矩阵(单元实常数)频率相关的阻尼矩阵(DMPRAT和MP,DAMP)M1-18动力学动力学--基本概念和术语基本概念和术语阻尼阻尼（（接上页）接上页）阻尼有多种定义形式：•粘性阻尼系数或阻尼比ξ•品质因子Q•消耗系数或结构阻尼系数η•衰减量Δ•谱阻尼系数D多数与ANSYS中使用的阻尼比ξ有关转化系数下面介绍M1-19动力学动力学--基本概念和术语基本概念和术语阻尼阻尼（（接上页）接上页）不同阻尼定义间的转换MeasureDampingratioLossFactorLogDecrementQualityFactorSpectralDampingAmplificationFactorDampingRatioξη/2Δ/2π1/(2Q)D/(4πU)1/2ALossFactor2ξηΔ/π1/QD/(2πU)1/ALogDec