ansys瞬态分析解析

瞬态动力分析段志东制作ANSYS80瞬态分析——段志东制作培训手册4-2瞬态动力分析A.瞬态动力分析的定义和目的B.瞬态分析的基本术语和概念C.在ANSYS中如何进行瞬态分析D.瞬态分析实例ANSYS80瞬态分析——段志东制作培训手册4-3瞬态分析定义和目的什么是瞬态动力分析?•分析结构在任意随时间变化载荷作用下的响应的技术•输入数据–作为时间函数的载荷（稍候详细说明）•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ANSYS80瞬态分析——段志东制作培训手册4-4瞬态分析…定义和目的瞬态动力分析用在以下的设计中：•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：便携式电话、笔记本电脑和真空吸尘器等ANSYS80瞬态分析——段志东制作培训手册4-5瞬态分析B.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ANSYS80瞬态分析——段志东制作培训手册4-6瞬态分析–术语和概念运动方程•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•在瞬态动力分析中，不同的分析方法允许包括各种类型的非线性特性（大变形、接触、塑性等）tFuKuCuMANSYS80瞬态分析——段志东制作培训手册4-7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全法缩减法完全法缩减法ANSYS80瞬态分析——段志东制作培训手册4-8瞬态分析–术语和概念…求解方法运动方程的两种求解法：•模态叠加法（稍候做专题讨论）•直接积分法–运动方程直接对时间分步积分，并在每个时间点(time=0,Dt,2Dt,3Dt,….)求解一组同时发生的静态平衡方程(F=ma)•提供了不同的积分方法：比如Centraldifference,Averageacceleration,Houbolt,WilsonQ,Newmark等ANSYS80瞬态分析——段志东制作培训手册4-9•ANSYS用Newmark积分方法：•不同的a和d值将导致积分方法的变化（显式/隐式/平均加速度)，ansys可以使用替代参数γ(gamma),只要将γ设置为大于0的数，则方程就是无条件稳定的。通常设置γ为0.005。•Newmark是一种隐式方法。•ANSYS/LS-DYNA使用显式方法（向前差分时间积分）。见第一章关于隐式和显式的讨论。tttutututtutttututtututtutFttuKttuCttuMDDDDDDDDDD])1[(2])2/1[(ddaa瞬态分析-术语和概念…求解方法ANSYS80瞬态分析——段志东制作培训手册4-10瞬态分析-术语和概念…求解方法•求解时即可用缩减结构矩阵，也可用完整结构矩阵。•缩减法–用于快速求解–不允许非线性(除间隙之外)–根据主自由度写出[K]、[C]和[M]等矩阵，主自由度是所有自由度的一个子集–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，但不在此讲座讨论•完全法–不进行缩减。采用完整的[K]、[C]和[M]矩阵–允许非线性特性–在本手册中的全部讨论都是基于此种方法ANSYS80瞬态分析——段志东制作培训手册4-11瞬态分析-术语和概念积分时间步长•积分时间步长（亦称为ITS或Dt）是时间积分法中的一个重要概念–ITS是从一个时间点到另一个时间点的时间增量Dt–积分时间步长决定求解的精确度，因而其数值应仔细选取–瞬态分析中，对于缩减法和模态叠加法，ITS是一个常数–瞬态分析中，对于完全法,在使用者定义的范围（以后讨论）内，ANSYS能够自动调节时间步长ANSYS80瞬态分析——段志东制作培训手册4-12•积分时间步长（ITS）应小到足够获取下列数据：–响应频率–接触频率（如果存在的话）–波传播效应（如果存在的话）–非线性响应(塑性、蠕变和接触状态)瞬态分析-术语和概念…积分时间步长ANSYS80瞬态分析——段志东制作培训手册4-13瞬态分析-术语和概念…积分时间步长响应频率•不同类型载荷会在结构中激发不同的自然频率•响应频率是载荷引起全部频率的加权频率•ITS应足够小到获取所关心的最高响应频率•每个循环中有20个时间点应是足够的，即：Dt=1/20f式中f是所关心的响应频率响应周期ANSYS80瞬态分析——段志东制作培训手册4-14•响应频率(接上页)–求解时，完全法给出响应频率和在每个周期的点数–目的是保持每个周期20个点–ANSYS自动增加或减少ITS来保证每个周期默认有20个点。–需要加速度结果时ITS要更小些瞬态分析-术语和概念…积分时间步长ANSYS80瞬态分析——段志东制作培训手册4-15瞬态分析-术语和概念…积分时间步长接触频率•当两个物体发生接触，间隙或接触表面通常用刚度（间隙刚度）来描述•ITS应足够小到获取间隙“弹簧”频率•建议每个循环三十个点，这才足以获取在两物体间的动量传递，比此更大的ITS会造成能量损失，并且冲击可能不是完全弹性的•求解过程中，将给出响应频率和接触频率有效质量间隙刚度接触频率mkfmkffITSccc21301ANSYS80瞬态分析——段志东制作培训手册4-16瞬态分析-术语和概念…积分时间步长波传播•由冲击引起。在细长结构中更为显著（如下落时以一端着地的细棒）•需要很小的ITS，并且在沿波传播的方向需要精细的网格划分•显式积分法（在ANSYS-LS/DYNA采用）可能对此更为适用质量密度弹性模量弹性波速波传播方向上的长度单元尺寸DDEEcLLxcxITS20/3ANSYS80瞬态分析——段志东制作培训手册4-17非线性响应•完全法的瞬态分析能够包含各种非线性特性•非线性特性可以归纳为3种类型:–材料非线性(塑性、,蠕变、超弹性…)–几何非线性(大应力、大转角、屈曲)–单元非线性(接触,缆绳)•在每个时间点，非线性要求迭代求解•这些迭代被称为平衡迭代瞬态分析-术语和概念…积分时间步长ANSYS80瞬态分析——段志东制作培训手册4-18非线性响应(接上页)•一般小的ITS有助于快速收敛•塑性、蠕变和摩擦非线性本质上是非保守的。这些非线性要求精确的加载历程。小的ITS有助于精确描述加载历程。•捕捉接触状态也要求小的ITS瞬态分析-术语和概念…积分时间步长ANSYS80瞬态分析——段志东制作培训手册4-19Attime=tAttime=t+Dt非线性响应(接上页)球撞击平板例子•在大的Dt时，球穿透平板•如果球穿透过多（超过球半径），接触将探测不到瞬态分析-术语和概念…积分时间步长ANSYS80瞬态分析——段志东制作培训手册4-20•怎样选择一个好的ITS呢？•ANSYS推荐的办法是激活自动时间步长(AUTOTS)，然后提供Dtinitial、,Dtmin和Dtmax。ANSYS用自动时间步长算法决定最优的Dt值•例如：如果AUTOTS开始时是Dtinitial=1秒,Dtmin=0.01秒,并且Dtmax=10秒;ANSYS开始计算时ITS=1秒，并且允许ITS的值在0.01和10之间变化瞬态分析-术语和概念…积分时间步长ANSYS80瞬态分析——段志东制作培训手册4-21•完全瞬态分析时，AUTOTS默认为打开。缩减法和模态迭加法时，不允许使用AUTOTS•AUTOTS在下列情况下将减少ITS(不小于Dtmin):–在响应频率少于20个点时–求解不收敛–非线性迭代次数增加（收敛缓慢）–在一个时间步内塑性应变累积超过15%–蠕变率超过0.1–如果接触状态将改变(大部分的接触单元的KEYOPT(7)来控制)瞬态分析-术语和概念…积分时间步长ANSYS80瞬态分析——段志东制作培训手册4-22瞬态分析C.步骤•在此节中只讨论FULL方法•五个主要步骤：–建模–选择分析类型和选项–规定边界条件和初始条件–施加时间历程载荷并求解–查看结果ANSYS80瞬态分析——段志东制作培训手册4-23瞬态分析步骤建模模型•允许所有各种非线性•必须指定系统的杨式模量或某种形式的刚度•必须指定密度或某种形式的质量其余建模要求同其它分析ANSYS80瞬态分析——段志东制作培训手册4-24瞬态分析步骤选择分析类型和选项建模选择分析类型和选项：•进入求解器并选择瞬态分析•选择完全瞬态求解•求解选项-将在下面讨论•阻尼–将在下面讨论ANSYS80瞬态分析——段志东制作培训手册4-25求解方法•选择大位移或小位移分析方法–不确定时，选择大位移瞬态分析法瞬态分析步骤…选择分析类型和选项指定输出控制（后面讨论）指定加载步结束时的时间自动时间步长（后面讨论）指定初始时当前载荷步最小和最大值DtANSYS80瞬态分析——段志东制作培训手册4-26自动时间步长•在瞬态分析时，自动计算合适的ITS•建议选中该选项，并且指定最小和最大的ITS值•如果有非线性，选中“ProgramChosen”选项注意:总体求解控制选项[SOLCONTROL]缺省为打开。建议不要更改。更重要的是，在两个载荷步之间不要改动该选项瞬态分析步骤…选择分析类型和选项ANSYS80瞬态分析——段志东制作培训手册4-27输出控制•用来决定结果文件中写进哪些计算结果。•使用OUTRES命令或主菜单选择SolutionSol’nControl..Basic•典型的选择是将每个子步的所有结果都写入结果文件–允许结果相对时间的拟合曲线图–可能导致结果文件变大瞬态分析步骤…选择分析类型和选项ANSYS80瞬态分析——段志东制作培训手册4-28打开/关闭瞬态效果–对提供初始条件有作用（后面讨论）•斜坡载荷或阶梯加载•指定阻尼（后面讨论）•时间积分参数使用缺省值瞬态分析步骤…选择分析类型和选项ANSYS80瞬态分析——段志东制作培训手册4-29瞬态分析步骤…选择分析类型和选项阻尼•α阻尼和b阻尼两者均可以用•在大多数情况下，忽略α阻尼（粘性阻尼），仅规定b阻尼（由滞后造成的阻尼）:b=2/w式中为阻尼比，w为主要响应频率（rad/sec）•材料阻尼(即橡胶)和单元阻尼(即减震器)都可以使用。ANSYS80瞬态分析——段志东制作培训手册4-30瞬态分析步骤…选择分析类型和选项•选择求解器–ANSYS默认选择Sparse求解器–对大的问题(100000个自由度)使用PCG求解器–可参考谐波分析中对求解器的说明ANSYS80瞬态分析——段志东制作培训手册4-31瞬态分析步骤规定边界条件和初始条件建模选择分析类型和选项规定边界条件和初始条件•在这种情况下边界条件为载荷或在整个瞬态过程中一直为常数的条件，例如：–固定点（约束）–对称条件–重力•初始条件将在下面讨论ANSYS80瞬态分析——段志东制作培训手册4-32瞬态分析步骤…规定边界条件和初始条件初始条件•瞬态分析要求指定初始位移(u0)和初始速度(v0)•缺省值u0=v0=a0=0•可能要求非零初始条件的实例–飞机着陆装置(v00)–高尔夫球棒击球(v00)–物体跌落试验(u0=v0=0,a00).ANSYS80瞬态分析——段志东制作培训手册4-33瞬态分析步骤…规定边界条件和初始条件施加初始条件的两种方法:•以静载荷步开始–当只需在模型的一部分上施加初始条件时，例如，用强加的位移将悬臂梁的自由端从平衡位置“拨”开时，这种方法是有用的(u0，已知v0=0)–用于需要施加非零初始加速度时•使用IC命令–SolutionLoads-ApplyInitialCondit’nDefine+–当需在整个物体上施加非零初始位移或速度时IC命令法是有用的ANSYS80瞬态分析——段志东制作培训手册4-34瞬态分析步骤…规定边界条件和初始条件实例-物体从静止状态下落•这种情况a0=g（重力加速度）u0=v0