workbench谱分析

TrainingManualworkbench谱分析TrainingManual第一部分响应谱分析1.单点响应谱分析2.多点响应谱分析TrainingManualDYNAMICS11.0谱分析总论•谱分析定义?–用来计算结构在包括多种频率的瞬态激励下的响应.–激励可能来自地震、飞机噪声、发射起动–谱是在频率域中的载荷历程.–也可称作为响应谱.TrainingManualDYNAMICS11.0谱分析总论Accelerationvs.timeAccelerationspectrum(Gvs.Hz)ElCentroEarthquake(1940)AstructuresubjecttotheElCentroearthquakecanbeanalyzedusingeitheraTransientanalysisorspectrumanalysis.TrainingManualDYNAMICS11.0谱分析总论•是模态分析延伸，用于计算结构对地震及其它随机激励的响应；•计算在每个固有频率处的给定谱值的结构最大响应.这个最大响应作为模态的比例因子.•将这些最大响应进行组合来给出结构的总的响应.TrainingManualDYNAMICS11.0•谱分析的替代方法是瞬态分析，二者区别为：瞬态分析很难应用于地震等随时间无规律变化载荷的分析;在瞬态分析中，为了捕捉载荷，时间步长必须取得很小，因而费时且昂贵.•然而，瞬态分析更加精确.•在谱分析中，关键是快速获得最大响应以及其他挂失信息.谱分析总论TrainingManualDYNAMICS11.0•应用：建筑物框架及桥梁太空船部件飞机部件承受地震或其它不稳定载荷的系统谱分析总论TrainingManualDYNAMICS11.0•ANSYS可以进行四种类型的谱分析:–单点响应谱•给模型中一个点集指定一条响应谱曲线。比如对所有支撑点.–多点响应谱•对不同的点集指定不同的响应谱曲线.–动力学设计分析方法(DDAM)•是一种用于船用装备抗振性的技术，它所用的谱是从美国海军研究实验室报告中一系列经验公式和振动设计表得到的.–功率谱密度(PSD)**•是在随机振动中概率统计的方法.谱分析总论TrainingManualDYNAMICS11.0•谱的定义–谱分析中如何使用响应谱来计算结构的响应•参与因子Participationfactor•模态系数Modecoefficient•模态合并Modecombination谱分析总论TrainingManualDYNAMICS11.0•谱曲线代表了理想化的结构系统在某激励下的最大响应.响应可以是加速度、速度、位移或力.•例如,四个单自由度弹簧质量系统置于振动板上.它们的频率分别是f1,f2,f3,和f4,并且f1f2f3f4.1234谱分析总论TrainingManualDYNAMICS11.0•如果地基在频率f1下激励，那这四个系统的响应记录如图所示.•现在增加第二个激励f3并记录位移响应.则系统1与系统3会分别达到它们的峰值.•如果一个一般的包含多个频率的激励施加，并只记录峰值响应,就会得到一条曲线.这就是谱曲线或称之为响应谱曲线.ufufuf谱分析总论TrainingManualDYNAMICS11.0谱分析总论•响应谱是一系列单自由度系统在给定激励下的最大响应的组合.•谱分析输入包括响应谱曲线与激励方向.TrainingManualDYNAMICS11.0参与因子•对结构的每阶模态，在激励方向的参与因子被计算出来.•参与因子是振型和激励方向的函数.•这是度量在激励方向一个模态对于结构变形的贡献大小.TrainingManualDYNAMICS11.0•例如，考虑下图的悬臂梁.•如果施加Y方向的激励，那么模态1会有最高的参与因子PF，模态2会有低点的PF.而模态3则参与因子为0.•如果是X方向激励，那模态1与2会有0参与因子，而模态3会有较高的参与因子PF.mode3mode22mode1YX参与因子TrainingManualDYNAMICS11.0模态系数•模态系数是“缩放因子”，用来和振型相乘来得到最大响应.•模态系数Ai是Ai=Sigi*–Si是在频率wi的响应谱值–gi第i阶模态的参与因子•最大模态响应通过下式计算{U}imax=Ai{f}i•对于加速度、速度和力谱，有不同的计算公式.TrainingManualDYNAMICS11.0模态合并•一旦每阶模态的最大响应在给定响应谱下已知，那么就需要以某种方式合并这些响应以得到结构的总的响应.•最简单的合并方法就是将所有的最大响应相加但有可能所有的最大模态响应都在同一时间发生.•几个标准的合并方法.TrainingManualDYNAMICS11.0•六种不同的合并方法可以使用:–CQC法（完全平方组合法）–GRP法（分组法）–DSUM法（双和法）–SRSS（均方根法）–NRLSUM法（美国海军实验室法）–PSD法（功率谱密度法）模态合并TrainingManualDYNAMICS11.0单点响应谱•下面讨论单点响应谱过程主要步骤:–建立模型–获得模态解–转向谱分析–定义响应谱–求解并查看结果TrainingManualDYNAMICS11.0响应谱•用来描述理想化系统对激励响应的曲线，此响应可以是加速度、速度、位移和力;•响应谱反映了激励的频率特征，因而可用于计算结构对相同激励的响应。一般步骤如下：1)对于结构的每一个模态，计算在每一个方向上的参与系数gi，gi是衡量该模态在那个方向上的参与程度（所有的模态分析均计算）；2)按Ai=Sigi计算每一个模态的模态系数Ai，其中Si指的是模态i的频谱值；3)按{ui}=Ai{yi}计算每一个模态的位移矢量{ui}，其中{yi}是特征向量，{ui}代表该模态的最大响应；4)将单个模态响应{ui}以某种方式进行组合（模态组合方法），计算结构的整体响应；ANSYS有几种模态组合技术（后面讨论），具体选择哪一种取决于政府或所采用的工业标准。TrainingManualDYNAMICS11.0提取模态–模态的提取：—有效的方法只有BlockLanczos，子空间法或缩减法—提取足够多的模态，以包含频谱的频率范围—扩展所有的模态，只有扩展的模态才能用于频谱的求解•载荷和边界条件：对于基础激励，一定要约束适当的自由度•文件：.mode文件包含有特征向量，并且此文件要用于频谱求解TrainingManualDYNAMICS11.0BuildthemodelObtainthemodalsolution转向谱分析类型•退出并重新进入求解阶段•指定新分析：谱分析•分析选项•阻尼单点响应谱TrainingManualDYNAMICS11.0•分析选项–谱类型:单点响应谱–模态阶数:如果是0或空，则所有的模态会参与计算.单点响应谱TrainingManualDYNAMICS11.0阻尼•阻尼–可用的阻尼形式有：•ß（刚度）阻尼•恒定阻尼比：如果在模态分析步中被定义为材料性质*，这种阻尼就可以是依赖于材料的；•依赖于频率的阻尼比（模态阻尼）•在CQC模态组合中，必须采用某些阻尼形式。*在这种情况下，材料属性DAMP指的是阻尼比，而不是ß阻尼TrainingManualDYNAMICS11.0定义单点响应谱定义响应谱：1.响应谱设置：频谱类型及激励方向2.响应谱值——频率表3.模态组合的方法TrainingManualDYNAMICS11.0单点响应谱设置•频谱的类型：地震或作用力（不是PSD）地震频谱-自动地施加于基础上作用力频谱-人工地作为力施加于要求的各节点上•激励方向(总体直角坐标系):对于地震频谱，定义为一个单元矢量，（1，0，0）指的是在x方向；（0，1，0）指的是y方向，（0，0，1）指的是z方向。对于力频谱，符号FX，FY，FZ已经表示方向。TrainingManualDYNAMICS11.0定义单点响应谱值—频率表•首先定义频率表格，允许达到20个点•然后定义相应的频谱值：只有对于多条频谱曲线才能指定阻尼比对于力频谱，频谱值可通过施加的力的数值来改变比例TrainingManualDYNAMICS11.0单点响应谱的模态组合•模态组合法确定单个模态响应组合方法，共五种：–CQC法（完全平方组合法）–GRP法（分组法）–DSUM法（双和法）–SRSS（均方根法）–NRLSUM法（美国海军实验室法）TrainingManualDYNAMICS11.0•在模态组合中，指定的有效阀值（某个模态的模态系数对最大模态系数的比率），那么在模态组合时，只有大于阀值的模态参与组合；如果要组合所有模态，必须将阀值指定为0;•输出类型使指定需要计算的响应量，如：位移、速度或加速度等。单点响应谱的模态组合TrainingManualDYNAMICS11.0求解•求解并观察结果–求解当前载荷步.–模态合并计算会建立一个POST1命令文件.mcomfile.–观察结果TrainingManualDYNAMICS11.0观察单点响应谱分析结果步骤•进入Post1（通用后处理器）•进行模态组合：–在求解阶段，组合操作的命令已写入*.mcom文件–采用UtilityMenuFileReadInputfrom...读入*.mcom文件•察看变形后的形状•图形显示应力和应变TrainingManualDYNAMICS11.0多点响应谱（MPRS)分析1.选用MPRS而不是PSD作为谱分析类型;2.“PSD—频率”关系表对应谱值—频率关系;3.各谱之间不能定义任何程度的相关性(即,假定各谱之间是不相关的)。4.只计算（相对于基础激励的）相对结果，不计算绝对结果；5.除了PSDCOM的模态合并方法以外，其他所有模态合并方法都可以选用。6.多点响应谱分析的结果是以POST1的命令格式写入到模态合并文件（Jobname.MCOM）中。•多点响应谱分析与随机振动分析（将在后面进行讨论）的过程除了以下六点外是相同的:TrainingManual第二部分随机振动TrainingManualDYNAMICS11.0•随机振动分析–基于概率统计学的谱分析.–例如火箭在每次发射中由载荷（例如加速度载荷等）产生的不同时间历程随机振动分析概论Reference:RandomvibrationsinmechanicalsystemsbyCrandall&MarkTrainingManualDYNAMICS11.0随机振动分析概论•由于时间历程不是确定的，所以瞬态分析不是可选的.•而利用统计学标本功率谱密度PSD代表载荷时间历程.TrainingManualDYNAMICS11.0•PSD定义•PSD是一条功率谱密度值－频率值的关系曲线，其曲线下的面积就是方差，即响应标准偏差的平方值.–PSD的单位是meansquare/Hz(如加速度PSD单位G2/Hz).–PSD可以是位移、速度、加速度或力.随机振动分析概论TrainingManualDYNAMICS11.0随机振动分析概论•输入值：–结构的自然频率及模态–功率谱密度曲线（将在后面讨论）•输出值：–以1s位移和应力表示最可能出现的结构响应TrainingManualDYNAMICS11.0随机振动分析步骤•六个主要步骤：–建模–获得模态解–转换成谱分析类型–定义和施加功率谱密度激励–求解–察看结果TrainingManualDYNAMICS11.0获得模态解•载荷及边界条件：–对于基础激励，一定要约束适当的自由度–对于压力PSD，在此步中施加压力于想要的表面上•文件：–jobname.mode文件含有特征向量而且是对于频谱求解所需要的TrainingManualDYNAMICS11.0阻尼•阻尼：–所有四种形式均可采用：•-阻尼（质量阻尼）•-阻尼（刚度阻尼）•恒定阻尼比•与频率相关的阻尼比（模态阻尼）•如果没有指明阻尼，ANSYS将以1%的恒定阻尼作为缺省值TrainingManualDYNAMICS11.0