ansys-workbench瞬态动力分析(4)详解

TrainingManual第四章瞬态动力分析TrainingManualDYNAMICS11.0瞬态动力分析总论•定义：–确定结构在任意随时间变化载荷作用下系统瞬态响应特性的技术。•输入数据：–最一般形式是载荷为时间的任意函数；•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。TrainingManualDYNAMICS11.0瞬态动力分析的工程应用•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。TrainingManualDYNAMICS11.0运动方程•基本运动方程•这是动力学最通常的方程形式，载荷可以是任意随时间变化的.•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TrainingManualDYNAMICS11.0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TrainingManualDYNAMICS11.0求解方法•两种求解运动学方程方法:–模态叠加法（会单独讨论）–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（time=0,Dt,2Dt,3Dt,….)，需求解一组联立的静态平衡方程（F=ma）；–需假定位移、速度和加速度是如何随时间而变化的，(积分方案选择)–有多种不同的积分方案，如中心差分法，平均加速度法,Houbolt,WilsonQ,Newmark等.TrainingManualDYNAMICS11.0求解方法•时间积分方案–两种积分方案Newmark和HHT.缺省为Newmark•不同的a和d造成积分方案的变化(隐式/显式/平均加速度).•Newmark是隐式积分方案.•ANSYS/LS-DYNA利用显式积分方案.TrainingManualDYNAMICS11.0求解方法•时间积分方案-HHT方法:Newmark方法是求解tn+1时刻的运动方程HHT方法–求解中间时间点的运动方程然后外推到tn+1.(Note:缺省HHT方法am=0)TrainingManualDYNAMICS11.0求解方法•时间积分方案-时间积分参数,γ,a,d,af,am,通过求解控制选项输入–TRNOPT,FULL,,,,,NMK|HHT!缺省Newmark–[TINTP,GAMMA,ALPHA,DELTA,THETA,,,,,,ALPHAF,ALPHAM]指定GAMMA或ALPHAF/ALPHAMTrainingManualDYNAMICS11.0求解方法•时间积分方案–为了稳定性与精度要求,下列关系需满足.(HHT方法退化成Newmark当af与am＝0时）HHT法可以通过简单指定GAMMA值或指定ALPHAF与ALPHAM可以得到其他的方法Hilber,HughesandTaylor(HHT)Wood,BossackandZienkiewiczChungandHulbertTrainingManualDYNAMICS11.0缩减/完整结构矩阵•求解时既可用缩减结构矩阵，也可用完整结构矩阵；•缩减矩阵：–用于快速求解；–不允许非线性因素存在–根据主自由度写出[K]、[C]和[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。•完整矩阵：–不进行自由度缩减，采用完整的[K]、[C]和[M]矩阵；–下面的讨论都是基于此种方法。TrainingManualDYNAMICS11.0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=两个时刻点间的时间增量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。–对于缩减矩阵法与模态叠加法瞬态分析ANSYS只允许ITS常值.–完全法瞬态分析，ANSYS可以自动调整时间步大小在用户指定的范围内TrainingManualDYNAMICS11.0积分时间步长•ITS小到足够获取下列动力学现象：–响应频率–载荷突变–接触频率–波传播效应TrainingManualDYNAMICS11.0响应频率•响应频率–不同类型载荷激发系统不同的响应频率；–ITS小到足够获取所关心的最高响应频率（最低响应周期）；–每个循环中有20个时刻点应是足够的，即：Dt=1/20f式中，f是所关心的最高响应频率。响应周期TrainingManualDYNAMICS11.0载荷突变•载荷突变–ITS小到足够获取载荷突变现象LoadtLoadtTrainingManualDYNAMICS11.0接触频率•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小到足够获取间隙“弹簧”频率；–建议每个循环三十个点，才足以获取两物体间的动量传递。更小的ITS会造成能量损失，并且冲击可能不是完全弹性的。有效质量间隙刚度接触频率mkfmkffITSccc21301TrainingManualDYNAMICS11.0波传播•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，并且在波传播方向需要精细的网格–显式积分法（在ANSYS-LS/DYNA采用）可能对此更为适用质量密度杨氏模量弹性波速波长方向的长度单元尺寸DDEEcLLxcxITS20/3TrainingManualDYNAMICS11.0非线性响应•非线性响应–全瞬态分析可包括任何非线性类型.–更小的ITS通常有助于平衡迭代收敛.–塑性、蠕变及摩擦等非线性本质上是非保守的，需要精确地遵循载荷加载历程.小的ITS通常有助于精确跟踪载荷历程.–小的ITS可跟踪接触状态的变化.TrainingManualDYNAMICS11.0积分时间步长•如何选择ITS?•推荐打开自动时间步长选项(AUTOTS),并设置初始时间步长Dtinitial和最小时间步长Dtmin、最大时间步长Dtmax.ANSYS会利用自动时间步长功能来自动决定最佳时间步长Dt.•例如:如果AUTOTS是打开的，并且Dtinitial=1sec,Dtmin=0.01sec,andDtmax=10sec;那ANSYS起始采用ITS=1sec，并依据结构的响应允许其在0.01和10之间变动.TrainingManualDYNAMICS11.0•AUTOTS对于全瞬态分析缺省是打开的.对于缩减法和模态叠加法，是不可用的.•AUTOTS会减小ITS(直到Dtmin)在下列情况:–在响应频率处，小于20个点–求解发散–求解需要大量的平衡迭代（收敛很慢）–塑性应变在一个时间步内累积超过15%–蠕变率超过0.1–如果接触状态要发生变化(决大多数接触单元可由KEYOPT(7)控制)积分时间步长TrainingManualDYNAMICS11.0分析过程•讨论完全法瞬态分析过程.•五个主要步骤:–建立模型–选择分析类型和选项–指定边界条件和初始条件–施加载荷历程并求解–查看结果模型：所有的非线性因素可允许注意要求密度！TrainingManualDYNAMICS11.0分析选项–进入求解阶段，并选择瞬态分析.–选择完全法–求解选项–阻尼•求解方法–完整矩阵方法为缺省方法。允许下列非线性选项：•大变形•应力硬化•Newton-Raphson解法•集中质量矩阵–主要用于细长梁和薄壁壳或波的传播•方程求解器–由程序自行选择TrainingManualDYNAMICS11.0分析选项•求解选项•选择大位移瞬态分析或小变形瞬态分析.–当不确定时，就选择大变形瞬态分析自动时间步长(discussednext)指定载荷步结束时间指定初始、最大、最小时间步长Dt.输出控制controls(discussednext)TrainingManualDYNAMICS11.0分析选项•自动时间步长–在瞬态分析过程中，可自动计算正确的时间步长.–推荐激活该选项同时指定最大与最小积分步长.–如果有非线性因素，选择“ProgramChosen”选项–注意:在ANSYS中，总体求解器控制开关[SOLCONTROL]的缺省状态为开，建议保留这一状态，更为重要的是，不要在载荷步之间打开或关闭此开关TrainingManualDYNAMICS11.0分析选项•输出控制–用来控制写到结果文件的内容.–使用命令OUTRES或选择SolutionSol’nControl..Basic–通常的选项用来将每个子步的结果写到结果文件中去.•可光滑绘制结果与时间的关系曲线.•可能造成结果文件庞大.TrainingManualDYNAMICS11.0分析选项•瞬态效应on/off–用来设置初始条件•阶跃或渐进载荷•指定阻尼•使用缺省积分参数值TrainingManualDYNAMICS11.0分析选项•阻尼–α和b阻尼均可用；–在大多数情况下，忽略α阻尼（粘性阻尼），仅指定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）。典型命令:ALPHAD，…BETAD，…TrainingManualDYNAMICS11.0分析选项•求解器选择–缺省ANSYS选择稀疏求解器–对于大自由度问题(100000dofs)使用PCG法TrainingManualDYNAMICS11.0初始条件•初始条件–时间t=0时的条件：u0，v0，a0–它们的缺省值为，u0=v0=a0=0–可能要求非零初始条件的实例：•飞机着陆(v00)•高尔夫球棒击球(v00)•物体跌落试验(a00)TrainingManualDYNAMICS11.0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；–用于需要施加非零初始加速度时。•使用IC命令–SolutionApplyInitialCondit’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。TrainingManualDYNAMICS11.0零初始位移和零初始速度•是缺省的初始条件，即如果u0=v0=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。•非零初始位移及/或非零初始速度─可以用IC命令设置这些初始条件。•命令：ICGUI：MainMenuSolution-Loads-ApplyInitialCondit’nDefineTrainingManualDYNAMICS11.0零初始位移和非零初始速度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v0=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：...TIMINT,OFF!TimeintegrationeffectsoffD,ALL,UY,.001!SmallUYdispl.(assumingY-directionvelocity)TIME,.004!Initialvelocity=0.001/0.004=0.25LSWRITE!Writeloaddatatoloadstepfile(Jobname.S01)DDEL,ALL,UY!RemoveimposeddisplacementsTIMINT,ON!Timeintegrationeffectson...TrainingManualDYNAMICS11.0非零初始位移和非零初始速度和上面的情形相似，不过施加的位移是真实数值而非“小”数值。比如，若u0=1.0且v0=2.5，则应当在时间间隔0.4内施加一个值为1.0的位移：...TIMINT,OFF!Timeintegration