有限元方法与ANSYS应用第8讲动力分析.ppt

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1、有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析动力分析 类别:1 模态分析 2 谐响应分析(周期载荷)稳态,非瞬态 3 瞬态动力分析(任意确定性载荷)4 谱分析(随机载荷),有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析动力分析 类别:1 模态分析 2 谐响应分析(周期载荷)稳态,非瞬态 3 瞬态动力分析(任意确定性载荷)4 谱分析(随机载荷),有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 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

2、力及力。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 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。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 在任意给定的时间，这些方程可看作是一系列考虑了惯性力和阻尼力的静力学平衡方程。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。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 瞬态动力学分析比静力学分析更复杂，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

3、理意义，从而节省大量资源。例如：,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 1.首先分析和建立一个较为简单的动力学模型(创建梁、质量体和弹簧组成的模型)，简单模型要更有利于全面了解所有的动力学响应,要以最小的代价获得深入的动力学行为认识。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 2.如果分析包括非线性特性，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。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 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

4、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。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 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。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 三种方法:,完全（Full）法、缩减（Reduced）法模态叠加法。ANSYS/Professional产品中只允许用模态叠加法。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 完全法:,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）。,有限元法分析的基本理论与方法,

5、有限元案例分析瞬态动力分析 完全法-优点:,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。一次分析就能得到所有的位移和应力。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 完全法-优点:,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。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 完全法-缺点:,完全法是三种方法中最为耗时的一种。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 模态叠加法:,模

6、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。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 模态叠加法-优点:,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。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 模态叠加法-缺点:,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

7、件）；不能施加强制位移（非零）位移。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 缩减法:,缩减法通过采用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。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 缩减法-优点:,比完全法求解速度快。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 缩减法-缺点:,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）。,

8、有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 缩减法-缺点:,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）。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 完全法瞬态动力学分析:,分析与操作步骤:,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,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 完全法瞬态动力学分析:,分析与操作步骤:,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,有限元法分析

9、的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 完全法瞬态动力学分析:,一、建造模型:,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。,要注意下面两点：,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 完全法瞬态动力学分析:,一、建造模型:,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。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 完全法瞬态动力学分析:,一、建造模型:,

10、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；,划分合理的网格密度：,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 完全法瞬态动力学分析:,一、建造模型:,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）；,划分合理的网格密度：,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 完全法瞬态动力学分析:,一、建造模型:,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

11、播方向每一波长至少有20个单元。,划分合理的网格密度：,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 完全法瞬态动力学分析:,二、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。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 完全法瞬态动力学分析:,二、建立初始条件:,为了定义包含时间函数的载荷，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，如图所示。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 完全法瞬态动力学分析:,二、建立初始条件:,第一个载荷步通常被用来建立初

12、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。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 完全法瞬态动力学分析:,二、建立初始条件:,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。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 完全法瞬态动力学分析:,二、建立初始条件:,施加瞬态载荷的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

13、（）,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 完全法瞬态动力学分析:,二、建立初始条件:,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。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 完全法瞬态动力学分析:,二、建立初始条件:,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。,零初始位移和零初始速度,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 完全法瞬态动力学分析:,二、建立初始条

14、件:,可以用IC命令设置这些初始条件。命令：ICGUI：MainMenuSolution-Loads-ApplyInitialConditnDefine,非零初始位移及/或非零初始速度,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 完全法瞬态动力学分析:,二、建立初始条件:,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。,非零初始位移及/或非零初始速度,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 完全法瞬态动力学分析:,二、建立初始条件:,注意：在大多数情形下,要在模型的每个未

15、约束自由度处定义初始条件。,非零初始位移及/或非零初始速度,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 完全法瞬态动力学分析:,二、建立初始条件:,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，命令流如下：,零初始位移和非零初始速度,有限元法分析的基本理论与方法,.TIMINT,OFF!TimeintegrationeffectsoffD,ALL,UY,.001!SmallUYdispl.(assumingY-directionvelocity)TIME,.004!Initia

16、lvelocity=0.001/0.004=0.25LSWRITE!Writeloaddatatoloadstepfile(Jobname.S01)DDEL,ALL,UY!RemoveimposeddisplacementsTIMINT,ON!Timeintegrationeffectson.,零初始位移和非零初始速度-命令流:,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 完全法瞬态动力学分析:,二、建立初始条件:,和上面的情形相似，不过施加的位移是真实数值而非“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：命令流如下：,非零初始位移和非

17、零初始速度,有限元法分析的基本理论与方法,.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!Timeintegrationeffectson.,非零初始位移和非零初始速度-命令流:,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析

18、完全法瞬态动力学分析:,二、建立初始条件:,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：,非零初始位移和零初始速度,有限元法分析的基本理论与方法,.TIMINT,OFF!TimeintegrationeffectsoffforstaticsolutionD,ALL,UY,1.0!Initialdisplacement=1.0TIME,.001!SmalltimeintervalNSUBST,2!TwosubstepsKBC

19、,1!SteppedloadsLSWRITE!Writeloaddatatoloadstepfile(Jobname.S01),非零初始位移和零初始速度-命令流:,有限元法分析的基本理论与方法,!transientsolutionTIMINT,ON!Time-integrationeffectsonfortransientsolutionTIME,.!RealistictimeintervalDDELE,ALL,UY!RemovedisplacementconstraintsKBC,0!Rampedloads(ifappropriate)!Continuewithnormaltransient

20、solutionprocedures.,非零初始位移和零初始速度-命令流:,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 完全法瞬态动力学分析:,二、建立初始条件:,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：,非零初始加速度,有限元法分析的基本理论与方法,.ACEL,9.81!InitialY-directionaccelerationTIME,.001!SmalltimeintervalNSUBST,2!TwosubstepsKBC,1!SteppedloadsLSWRITE!Writeloaddatatoloadste

21、pfile(Jobname.S01),非零初始加速度-命令流:,有限元法分析的基本理论与方法,!transientsolutionTIME,.!RealistictimeintervalDDELE,.!Removedisplacementconstraints(ifappropriate)KBC,0!Rampedloads(ifappropriate)!Continuewithnormaltransientsolutionprocedures.,非零初始加速度-命令流:,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 完全法瞬态动力学分析:,三、设置求解控制:,设置求解控制涉及定义分

22、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。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 完全法瞬态动力学分析:,三、设置求解控制:,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（即重复求解的3-6步）。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 完全法瞬态动力学分析:,四、施加载荷:,下表总结了瞬态动力分析允许施加的载荷。除惯性载荷外，其他载

23、荷可以施加到实体模型（关键点、线和面）或有限元模型（节点和单元）上。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 完全法瞬态动力学分析:,四、施加载荷:,下表总结了瞬态动力分析允许施加的载荷。除惯性载荷外，其他载荷可以施加到实体模型（关键点、线和面）或有限元模型（节点和单元）上。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 完全法瞬态动力学分析:,五、存储当前载荷步的载荷配置:,如建立初始条件中所述，需要针对载荷-时间曲线的每个拐点进行施加载荷并存储载荷配置到各自的载荷步文件。命令：LSWRITEGUI：MainMenuSolutionWriteLSFile,有限元

24、法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 完全法瞬态动力学分析:,六、针对每个载荷步重复三六:,定义完全法瞬态动力分析的其他载荷步，只要重复三六步骤，即重新设置必须的求解控制和选项、施加载荷和将载荷配置写进文件。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 完全法瞬态动力学分析:,七、存储数据库备份文件:,将数据库保存到备份文件。这样在重新进入ANSYS程序后用命令RESUME便可恢复以前的模型。命令：SAVEGUI：UtilityMenuFileSaveas,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 完全法瞬态动力学分析:,八、瞬态求解:,使用下列其中

25、一种方法进行求解：命令：LSSOLVEGUI：MainMenuSolution-Solve-FromLSFiles,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 完全法瞬态动力学分析:,九、退出求解器:,使用下列其中一种方法退出求解器：命令：FINISHGUI：关闭Solution菜单,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 完全法瞬态动力学分析:,十、观察结果:,瞬态动力学分析生成的结果保存在结构分析结果文件Jobname.RST中，所有数据都是时间的函数。包含下列数据：,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 完全法瞬态动力学分析:,十、观察

26、结果:,1.基本数据：节点位移（UX,UY,UZ,ROTX,ROTY,ROTZ）2.派生数据：节点和单元应力节点和单元应变单元力节点反力等等,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 完全法瞬态动力学分析:,十一、后处理器:,可以用时间历程后处理器POST26或者通用后处理器POST1来观察这些结果。POST26用于观察模型中指定点处随时间变化的结果。POST1用于观察指定时间点整个模型的结果。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 完全法瞬态动力学分析:,十二、注意要点:,用POST1或POST26观察结果时，数据库中必须包含与求解模型相同的模型。必须存在

27、有效的结果文件Jobname.RST。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 模态叠加法瞬态动力学分析:,模态叠加法通过乘以放大系数后的振型（从模态分析得到）,叠加求和来计算结构的动力学响应。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 模态叠加法瞬态动力学分析:,分析与操作步骤:,1.建造模型；2.获取模态解；3.获取模态叠加法瞬态分析解；4.扩展模态叠加解；5.观察结果。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 模态叠加法瞬态动力学分析:,一、建造模型:,模态叠加法瞬态动力分析的建立模型与完全法一致。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元

28、案例分析瞬态动力分析 模态叠加法瞬态动力学分析:,二、获取模态解:,“模态分析”中已经介绍过获取模态解的方法，这里必须注意下面几点：,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 模态叠加法瞬态动力学分析:,二、获取模态解:,模态提取法应为子空间法，分块Lanczos法（缺省）、缩减法、子空间法、PowerDynamics法或QR法（非对称法或阻尼法不能用于模态叠加法）。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 模态叠加法瞬态动力学分析:,二、获取模态解:,务必提取出可能对动力学响应有贡献的所有模态；如果采用缩减法提取模态，则一定要在那些定义了力和间隙条件的节点处

29、指定主自由度；,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 模态叠加法瞬态动力学分析:,二、获取模态解:,如果使用QR法提取模态，必须在前处理或模态分析过程中指定所需阻尼（在模态叠加法瞬态动力分析中指定的阻尼将被忽略）。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 模态叠加法瞬态动力学分析:,二、获取模态解:,如果有位移约束，指定之。如果约束是在模态叠加法的瞬态分析求解过程中指定的而不是在模态分析求解中指定，这些约束将被忽略。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 模态叠加法瞬态动力学分析:,二、获取模态解:,如果在瞬态动力学分析中需要单元载荷（

30、压力、温度、加速度等等），则必须在模态分析中施加它们。这些载荷在模态分析中将被忽略，但程序会计算出一个载荷向量并将其写入振型文件（Jobname.MODE），然后可以在瞬态分析中用这个载荷向量。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 模态叠加法瞬态动力学分析:,二、获取模态解:,模态叠加法不要求扩展模态。（但如果要观察振型，则必须扩展振型。）；在模态分析与瞬态分析之间不能改变模型数据（例如节点旋转）。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 模态叠加法瞬态动力学分析:,三、获取模态叠加法瞬态分析解:,在这一步中，程序利用从模态分析得到的振型来计算瞬态响应。

31、注意要点：,振型文件（Jobname.MODE）必须存在；数据库中必须包含和模态分析所用模型相同的模型。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 模态叠加法瞬态动力学分析:,三、获取模态叠加法瞬态分析解:,主要步骤：,1.进入SOLUTION。命令：/SOLUGUI：MainMenuSolution,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 模态叠加法瞬态动力学分析:,三、获取模态叠加法瞬态分析解:,主要步骤：,2.定义分析类型和分析选项。除以下差别外，该步骤完全法中分析选项的基本相同：,有限元法分析的基本理论与方法,三、获取模态叠加法瞬态分析解:,主要步骤：

32、2,不能使用求解控制对话框定义模态叠加法瞬态分析类型和分析设置。不能使用求解控制对话框定义模态叠加法瞬态分析的分析类型和分析设置，而应当利用标准序列的ANSYS求解命令和对应菜单进行设置。,区别（与完全法比较）,有限元法分析的基本理论与方法,三、获取模态叠加法瞬态分析解:,主要步骤：2,一旦指定模态叠加法瞬态分析，对应的求解菜单就会出现。求解菜单可能处于压缩或展开状态，完全取决于上次ANSYS求解的菜单状态。压缩菜单包仅仅含模态叠加法瞬态分析的有效选项和/或建议选项。如果处于压缩菜单状态，希望访问其他求解选项，就选择求解器中的“UnabridgedMenu(展开)”菜单。,区别（与完全法比较）

33、,有限元法分析的基本理论与方法,三、获取模态叠加法瞬态分析解:,主要步骤：2,指定准备用于求解的模态数TRNOPT。这个数目决定了瞬态分析解的精度。至少应当包含预计将对动力学响应有影响的所有模态。例如，如果希望激活较高阶频率，指定的模态数应当包括较高阶模态。缺省情形下采用在模态分析中计算出的所有模态。,区别（与完全法比较）,有限元法分析的基本理论与方法,三、获取模态叠加法瞬态分析解:,主要步骤：2,如果不需要使用刚体（零频率）模态，使用 TRNOPT 命令的 MINMODE 强制跳过它们。不可用非线性选项NLGEOM,SSTIF,NROPT。,区别（与完全法比较）,有限元法分析的基本理论与方法

34、,有限元案例分析瞬态动力分析 模态叠加法瞬态动力学分析:,三、获取模态叠加法瞬态分析解:,主要步骤：,3.如果有间隙条件，就定义间隙。间隙条件只可以指定在两个主节点之间或主节点与基础之间。在使用非缩减法时，一主自由度就是一个非约束的激活自由度。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 模态叠加法瞬态动力学分析:,三、获取模态叠加法瞬态分析解:,主要步骤：,3.如果有间隙条件，就定义间隙。命令：GPGUI：MainMenuSolutionDynamicGapCondDefine,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 模态叠加法瞬态动力学分析:,三、获取模态叠

35、加法瞬态分析解:,主要步骤：,4.在模型上施加载荷。在模态叠加法瞬态动力学分析中有下列加载限制：,有限元法分析的基本理论与方法,三、获取模态叠加法瞬态分析解:,主要步骤：4,可施加的载荷有力、平移加速度和模态分析中生成的载荷向量。外加的非零位移将被忽略。可以用LVSCALE命令（GUI途径 MainMenuSolution-Loads-ApplyLoadVectorForModeSuper）来施加在模态分析中生成的载荷向量。,限制：,有限元法分析的基本理论与方法,三、获取模态叠加法瞬态分析解:,主要步骤：4,如果使用缩减法提取的模态振型，则力只能加在主自由度上。如果在瞬态分析中要用多载荷步来定

36、义加载历程，那么第一个载荷步用于建立初始条件，第二个和后继的载荷步用于瞬态加载。,限制：,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 模态叠加法瞬态动力学分析:,三、获取模态叠加法瞬态分析解:,主要步骤：,5.建立初始条件。唯一要明确地建立的初始条件是初始位移。一般总要以一次使用给定载荷的静力学求解作为初始求解。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 模态叠加法瞬态动力学分析:,三、获取模态叠加法瞬态分析解:,主要步骤：,6.执行命令LSWRITE将第一个载荷步写入载荷步文件(Jobname.S01）。命令：LSWRITEGUI：MainMenuSolutio

37、n-Solve-WriteLSFile,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 模态叠加法瞬态动力学分析:,三、获取模态叠加法瞬态分析解:,主要步骤：,7.指定瞬态载荷部分的载荷和载荷步选项，将每一个载荷步写入一个载荷步文件LSWRITE。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 模态叠加法瞬态动力学分析:,三、获取模态叠加法瞬态分析解:,主要步骤：,8.在模态分析阶段，如果你选用分块Laczos法（缺省）和子空间法，通过命令OUTRES,NSOL用节点分量来限制写进缩减位移文件Jobname.RDSP的位移数据。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分

38、析瞬态动力分析 模态叠加法瞬态动力学分析:,三、获取模态叠加法瞬态分析解:,主要步骤：,9.保存数据库到备份文件。命令：SAVEGUI：UtilityMenuFileSaveas,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 模态叠加法瞬态动力学分析:,三、获取模态叠加法瞬态分析解:,主要步骤：,10.开始瞬态分析求解。命令：LSSOLVEGUI：MainMenuSolution-Solve-FromLSFiles,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 模态叠加法瞬态动力学分析:,三、获取模态叠加法瞬态分析解:,主要步骤：,11.离开SOLUTION。命令：FI

39、NISHGUI：关闭Solution菜单,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 模态叠加法瞬态动力学分析:,四、扩展模态叠加解:,扩展处理的步骤和在缩减法中描述的相同。如果模态分析中用了缩减法，则扩展处理需要Jobname.TRI文件。扩展处理的输出有结构分析结果文件Jobname.RST，其中包含已扩展的结果。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 模态叠加法瞬态动力学分析:,五、观察结果:,结果由用于扩展解的每一个时间点处的位移，应力和反作用力组成。可以用POST26或POST1观察这些结果，正如在完全法中所述的那样。,有限元法分析的基本理论与方法,

40、有限元案例分析瞬态动力分析 缩减法瞬态动力学分析:,缩减（Reduced）法是用缩减矩阵来计算动力学响应，在ANSYS/Multiphysics，ANSYS/Mechanical及ANSYS/Structural中均可采用。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 缩减法瞬态动力学分析:,分析与操作步骤:,1.建造模型；2.获取缩减解；3.观察缩减法求解结果；4.扩展解（扩展处理）；5.观察已扩展解的结果。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析瞬态分析的关键技术细节,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析瞬态分析的关键技术细节,瞬态分析的

41、关键技术细节有：定义合理的积分时间步长、自动时间步长和阻尼等。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析瞬态分析的关键技术细节,积分时间步长选取准则：,瞬态分析求解的精度取决于积分时间步长的大小：时间步长越小，精度越高。太大的积分时间步长将引发会影响较高阶模态的响应（从而影响整体响应）的误差。太小的时间积分步长将浪费计算机资源。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析瞬态分析的关键技术细节,积分时间步长选取准则：,1.解算响应频率时，时间步长应当足够小以能求解出结构的运动（响应）。2.解算所加载荷/时间关系曲线时，时间步长应当小到足以“跟随”载荷函数。3.解算

42、接触频率时，在涉及接触（碰撞）问题中，时间步长应小到足以捕捉到两个接触表面之间的动量传递。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析瞬态分析的关键技术细节,积分时间步长选取准则：,4.解算波传播时，如对波传播效果感兴趣，则时间步长应小到当波在单元之间传播时足以捕捉到波动效应。5.解算非线性时，大部分问题要求满足前面四个准则的时间步长就可捕捉到非线性行为，但也有少数例外情形：当结构在载荷作用下趋于刚化，则必须求解被激活的高阶模态。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析瞬态分析的关键技术细节,积分时间步长选取准则：,避免使用过小的时间步长，特别是建立初始条件时，

43、因为过小的数值可能引起数值计算困难。例如，基于计算时间大小而言，小于相对 数量级的时间步长就会引起数值计算困难。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析瞬态分析的关键技术细节,积分时间步长选取准则：,在用合适的准则计算出时间步长后，在具体分析中应该用最小的步长值。可以采用自动时间步长来让ANSYS程序决定在求解中何时增大或减小时间步长。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析瞬态分析的关键技术细节,自动时间步长：,自动时间步长（也称作时间步长优化）试图按响应频率和非线性效果来调整求解期间的积分时间步长。此特征的主要好处是可以减少子步的总数，从而节省计算机资源

44、。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析瞬态分析的关键技术细节,自动时间步长：,同理，采用自动时间步长可以大大减少可能需要进行重新分析（调节时间步长，非线性，等）的次数。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析瞬态分析的关键技术细节,自动时间步长：,如果存在非线性，自动时间步长还会带来另外一个好处：适当地增加载荷并在达不到收敛时回溯到先前收敛的解（二分法）。可以用命令AUTOTS激活自动时间步长。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析瞬态分析的关键技术细节,阻尼：,大多数系统中存在阻尼，而且在动力学分析中应当指定阻尼。在ANSYS程序可

45、以指定五种形式的阻尼：,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析瞬态分析的关键技术细节,阻尼：,Aplha和Beta阻尼（Rayleigh阻尼）和材料相关的阻尼恒定的阻尼比振型阻尼单元阻尼,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析瞬态分析的关键技术细节,阻尼：,在ANSYS/Professional程序中只有恒定阻尼比和振型阻尼可用。可以在模型中指定多种形式的阻尼，程序按所指定的阻尼之和形成阻尼矩阵C。下表列出了在不同结构分析中可用的阻尼类型。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析 瞬态分析的操作步骤视频,有限元法分析的基本理论与方法,有限元

46、案例分析瞬态动力分析瞬态动力学分析实例,如图所示板-梁结构，板件上表面施加随时间变化的均布压力，计算在下列已知条件下结构的瞬态响应情况。压力载荷与时间的关系曲线见图所示。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析瞬态动力学分析实例,全部采用A3钢材料，特性：杨氏模量=2e11 泊松比=0.3密度=7.8e3 板壳：厚度=0.02 四条腿（梁）的几何特性：截面面积=2e-4 惯性矩=2e-8 宽度=0.01 高度=0.02,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析瞬态动力学分析实例-解题步骤,第1步：设置分析标题1.选取菜单途径UtilityMenuFileCha

47、ngeTitle。2.输入“The瞬态Analysisofthestructure”，然后单击OK。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析瞬态动力学分析实例-解题步骤,第2步：定义分析参数1.选取菜单途径UtilityMenuParamentersScalarParameters，弹出ScalarParameters窗口，在Selection输入行输入：width=1，单击Accept。2.依次在Selection输入行输入：length=2、high=-1和mass_hig=0.1，每次单击Accept。3.单击Close，关闭ScalarParameters窗口。,有限

48、元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析瞬态动力学分析实例-解题步骤,第3步：定义单元类型（省略）第4步：定义单元实常数（省略）第5步：定义材料特性（省略）第6步：建立有限元分析模型（有限元网格模型，省略）,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析瞬态动力学分析实例-解题步骤,第7步：瞬态动力分析,1.选取菜单途径MainMenuSolution-AnalysisType-NewAnalysis，弹出NewAnalysis对话框。2.选择瞬态，然后单击OK。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析瞬态动力学分析实例-解题步骤,第7步：瞬态动力分析,

49、3.选取菜单途径 MainMenuSolution-LoadStepOpts-Time/FrequencDamping，弹出DampingSpecifications窗口。4.在Massmatrixmultiplier处输入5。单击OK。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析瞬态动力学分析实例-解题步骤,第7步：瞬态动力分析,5.选取菜单途径MainMenuSolution-Loads-Apply-Structural-DisplacementOnNodes。弹出拾取（Pick）窗口，在有限元模型上点取节点232、242、252和262，单击OK，弹出ApplyU,ROTo

50、nNodes对话框。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析瞬态动力学分析实例-解题步骤,第7步：瞬态动力分析,6.在DOFStobeconstrained滚动框中，选种“AllDOF”(单击一次使其高亮度显示，确保其它选项未被高亮度显示）。单击OK。7.选取菜单途径UtilityMenuSelectEverything。,有限元法分析的基本理论与方法,有限元案例分析瞬态动力分析瞬态动力学分析实例-解题步骤,第7步：瞬态动力分析,8.选取菜单途径MainMenuSolution-LoadStepOpts-OutputCtrlsDB/ResultsFile，弹出Controls