ANSYS动力学解析概论

动力学概论Module1TrainingManualWorkbench-SimulationDynamics1-2动力学欢迎参加培训!•欢迎参加WorkBench动力学培训课程！•本课程主要涉及利用WorkBenchDesignSimulation进行动力学分析。•相关课程：ANSYS刚柔混合动力学，其中将会涉及多体动力学的内容。•其他相关的高级专题培训内容以及时间安排，可以访问安世亚太网站：介绍课程目的•通过本课程的学习，达到能够使用WorkbenchSimulation进行如下类型的动力学分析的目的：–模态分析ModalAnalysis–谐响应分析HarmonicResponseAnalysis–柔体动力学分析（瞬态动力学分析）FlexibleDynamicAnalysis–随机振动分析RandomVibrationAnalysisTrainingManualWorkbench-SimulationDynamics1-4Module1动力学概述A.动力学分析定义以及其目的。B.讨论动力学分析的不同类型。C.动力学相关基本概念和术语。D.动力学分析案例练习。TrainingManualWorkbench-SimulationDynamics1-5动力学A.定义和目的•什么是动力学分析呢?•用来确定惯性力和阻尼力不可忽略的结构系统相关动力学特性的技术•“动力学行为”可能包含以下一种或者几种类型：–结构振动特性：主要确定结构的固有频率和固有振型–时变载荷效应（比如对结构位移和应力的影响）–正弦变化载荷效应TrainingManualWorkbench-SimulationDynamics1-6动力学…定义和目的•静力分析可以评价结构承受稳态载荷的能力，但并不是完全的，特别是当载荷随时间变化时.（静力计算满足要求的结构在动力学上不一定满足要求）。•著名的塔科马海峡大桥在1940年11月7日的一次仅42英里每小时的稳态风作用下发生了倒塌，而其离建造完成时间仅仅4个月。TrainingManualWorkbench-SimulationDynamics1-7动力学…定义和目的•动力学分析常见的物理现象：–振动-如由于旋转机械引起的振动；–冲击-如汽车撞击、锤击；–交变作用力-如曲轴和其他旋转机械；–地震载荷-地震、冲击波；–随机振动-火箭发射、道路运输.•每一种现象的模拟都有相应的动力学分析类型与之对应。TrainingManualWorkbench-SimulationDynamics1-8动力学B.动力学分析的类型•考察如下工程实例:–汽车尾气装置当其固有频率与引擎的激励频率匹配时会发生垮散.怎么样才能避免这种情况的发生呢?–涡轮叶片在应力作用下（离心力）显示出不同的动态行为.如何来解释这种现象呢？•解决办法–进行模态分析确定结构的振动特性.TrainingManualWorkbench-SimulationDynamics1-9动力学…动力学分析的类型–汽车挡泥板必须能够抵抗低速的冲击，但是在高速撞击下能够发生变形，以吸收足够的能量。–网球拍框架的设计满足能够抵抗网球的撞击而且只会发生轻微的弯曲。解决方案–进行柔体动力学分析，计算出结构在时变载荷作用下的响应。TrainingManualWorkbench-SimulationDynamics1-10动力学…动力学分析的类型–旋转机械会将稳态的交变载荷传递给支撑系统。而这样的载荷会根据转速的不同使支撑系统产生不同变形和应力.解决方案–进行谐响应分析，确定结构在稳态简谐荷载作用下结构的响应.TrainingManualWorkbench-SimulationDynamics1-11动力学…动力学分析的类型–航天器和航空器部件必须承受在持续时间内的随机载荷作用。解决办法-进行随机振动分析，确定结构在随机载荷作用下的响应。Courtesy:NASATrainingManualWorkbench-SimulationDynamics1-12动力学C.动力学基本概念和术语主题:•运动控制方程•求解方法•动力学建模原则•阻尼TrainingManualWorkbench-SimulationDynamics1-13动力学-基本概念和术语运动控制方程•动力学控制方程如下（矩阵型式）：•不同的分析类型会求解不同的运动方程型式。–模态分析:F(t)为0,阻尼矩阵[C]通常也忽略；–谐响应分析:F(t)和u(t)都为谐函数，例如Xsin(wt)，其中X是振幅,w是单位为弧度/秒的频率；–柔体动力学分析：求解完整的动力学方程，F(t)为时间历程函数。tFuKuCuM{u}：待求解的位移向量[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TrainingManualWorkbench-SimulationDynamics1-14动力学-基本概念和术语求解方法•模态分析–简单来说,该方法以一组模态振型开始，然后采用一种称为BlockLanczos的方法对如下所示的方程进行迭代求解.UMωUKωtUuuKuM2sin0TrainingManualWorkbench-SimulationDynamics1-15动力学-基本概念和术语求解方法•谐响应分析–基于载荷和位移都是呈正弦变化的假设，运动方程可以转变为如下的形式.该方程是采用复位移，利用静态求解器求解的。212121212ˆFiFuiuKFiFuiuKCiMTrainingManualWorkbench-SimulationDynamics1-16动力学-基本概念和术语求解方法•柔体动力学分析–在柔体动力学分析中，采用标准的时间积分技术，根据tn时刻的位移、速度、加速度来预测tn+1的运动状态。等效的求解方程如下所示，该方程可以采用等效的静态求解器求解。nnnnnnanuauauaCuauauaMFuKCaMa541320110TrainingManualWorkbench-SimulationDynamics1-17动力学-基本概念和术语…求解方法隐式算法ImplicitMethod•必须进行矩阵求逆•非线性需要进行平衡迭代(收敛问题)•积分时间步长Dt可以比较大，但是可能受到收敛性问题的限制•对于大多数的问题是有效的，除非时间步Dt需要非常的小•本课程主要讨论该种方法显示算法ExplicitMethod•不需要矩阵求逆•非线性问题容易处理(没有收敛问题)•积分时间步长Dt必须很小(典型的时间步长为1e-6s)•适用于短时瞬态问题，比如波传播、冲击载荷和高度非线性问题（如金属成型）等•AUTODYN和ANSYS-LS/DYNA采用该种方法，本课程不涉及TrainingManualWorkbench-SimulationDynamics1-18动力学-基本概念和术语…求解方法•模态叠加法–用于瞬态分析和谐响应分析的一种求解技术.原理是：首先从模态分析中得到各个振型，然后分别乘以系数后叠加起来得到动力学总体响应.该方法是利用从模态分析得到的自然频率和振型来表征承受简谐载荷或者瞬态载荷结构的动力学响应.该技术将n个联立方程缩减为m个独立方程，其中n为模型的自由度数，m为所使用的模态阶数.•下面的第一个方程是假设所有自由度解可以通过各个振型叠加而成.第二个方程是求解对应每阶模态的模态系数Yj随着时间的变化.)t(f][yy2y2TJJJJJJJ)}(]{[ty代替)(tu用TrainingManualWorkbench-SimulationDynamics1-19动力学-基本概念和术语动力学建模原则几何与网格:•一般与静态分析要考虑相同的问题；•要包括能充分描绘模型质量分布所必须的详细信息；•在关心应力结果的区域应进行网格细分，在仅关心位移结果的时候，粗糙的网格划分就足够。TrainingManualWorkbench-SimulationDynamics1-20动力学-基本概念和术语…动力学建模原则材料属性:•需要输入弹性模量和密度。•必须记住要采用统一的单位制。•当使用英制单位时，对于密度，要定义质量密度而不是重力密度。•质量密度=重力密度(lb/in3)/g(in/sec2)•钢的密度=0283/386=73x10-4lb-sec2/in4TrainingManualWorkbench-SimulationDynamics1-21动力学-基本概念和术语…动力学建模原则非线性（大变形、接触、塑性等）：•只有在完全瞬态动力学中允许才会考虑非线性因素.•在Workbench动力学分析的其他分析类型将忽略非线性因素–模态分析和谐响应分析.也就是非线性的初始状态在求解过程当中将保持不变.TrainingManualWorkbench-SimulationDynamics1-22动力学-基本概念和术语阻尼什么是阻尼?•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–滞后或固体材料阻尼–库仑或干摩擦阻尼DampeningofaResponseTrainingManualWorkbench-SimulationDynamics1-23动力学-基本概念和术语…阻尼粘性阻尼•粘性阻尼一般物体在液体中运动时存在；•阻尼力与速度成正比，动力学分析应当考虑粘性阻尼–比例常数c称作阻尼常数•通常用阻尼比x（阻尼常数c对临界阻尼常数cc*的比值）表示•临界阻尼为系统出现振荡和非振荡行为临界状态时的阻尼。•因为阻尼比不能在ANSYS瞬态动力学分析当中指定，所以在柔体动力学分析中不能够使用阻尼比。•对一个质量为m，频率为w的单自由度弹簧质量系统,cc=2mwTrainingManualWorkbench-SimulationDynamics1-24动力学-基本概念和术语…阻尼滞后或固体阻尼•材料的固有属性•在动力学分析需要考虑•认识还不是很透彻，很难定量确定库伦或干摩擦阻尼•发生于物体在干摩擦面上滑移时的阻尼•阻尼力与表面法向接触力成正比–比例系数m即为摩擦系数•通常在动力学分析中不考虑TrainingManualWorkbench-SimulationDynamics1-25动力学-基本概念和术语…阻尼Workbench可以采用以下6种型式的阻尼.•β阻尼（滞后或固体阻尼）：定义刚度矩阵阻尼乘子。该值可以直接输入或者通过在指定频率的阻尼比来计算.•与材料相关的阻尼：在EngineeringData模块中作为材料属性定义.•常值材料阻尼系数：在EngineeringData模块中作为材料属性定义.•常值阻尼比：指定结构系统阻尼最简单的方式。如果与β阻尼一起指定，两者的效应是累加的.•源自弹簧单元的单元阻尼：在Spring对象下的Details指定.•数值阻尼：也可以称为振幅衰减因子，控制由结构高阶频率引起的数值噪声.TrainingManualWorkbench-SimulationDynamics1-26动力学-基本概念和术语…阻尼β阻尼•又叫结构阻尼或者刚度阻尼•大多数材料的内在属性•对于每种材料进行定义或给出一个总体值。•β可以根据已知的阻尼比和指定频率计算得到：b=2/；•选取最主要的反应频率来计算b.•在AnalysisSettings的Details窗口中指定.EffectofBetaDampingonDampingRa