动力学概论优秀课件.ppt
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1、动力学概论动力学概论第1页,本讲稿共35页第一章第一章:ANSYS动力学简介动力学简介第一节第一节:动力学分析的定义和目的动力学分析的定义和目的第二节第二节:动力学分析的类型动力学分析的类型第三节第三节:基本概念和术语基本概念和术语第四节第四节:简单动力学分析实例简单动力学分析实例第2页,本讲稿共35页动力学动力学动力学动力学第一节第一节:定义和目的定义和目的定义和目的定义和目的什么是动力学分析什么是动力学分析?动力学分析是用来确定动力学分析是用来确定惯性惯性(质量效应)和(质量效应)和阻尼阻尼起重要作用时的起重要作用时的结构或构件动力学特性的技术。结构或构件动力学特性的技术。“动力学特性动力
2、学特性”可能指的是下面的一种或几种类型可能指的是下面的一种或几种类型:振动特性(结构振动方式和振动频率)振动特性(结构振动方式和振动频率)随时间变化载荷的效应(例如:对结构位移和应力的效应)随时间变化载荷的效应(例如:对结构位移和应力的效应)周期(振动)或随机载荷的效应周期(振动)或随机载荷的效应动力学研究的问题动力学研究的问题研究系统的固有特性和瞬态特性等动力特性,用于判断是否满足振动强度、研究系统的固有特性和瞬态特性等动力特性,用于判断是否满足振动强度、速度、加速度和稳定性等要求;速度、加速度和稳定性等要求;研究减振、隔振、振动控制等,使系统振动减小到最低程度;研究减振、隔振、振动控制等,
3、使系统振动减小到最低程度;研究如何利用振动,使系统具有更大的位移、速度、加速度等响应,研究如何利用振动,使系统具有更大的位移、速度、加速度等响应,甚至让系统发生共振。甚至让系统发生共振。第3页,本讲稿共35页动力学动力学动力学动力学定义和目的(接上页)定义和目的(接上页)定义和目的(接上页)定义和目的(接上页)静力分析也许能确保一个结构静力分析也许能确保一个结构可以承受稳定载荷的条件,但可以承受稳定载荷的条件,但这些还远远不够,尤其在载荷这些还远远不够,尤其在载荷随时间变化时更是如此。随时间变化时更是如此。著名的美国塔科马海峡吊桥著名的美国塔科马海峡吊桥(Galloping Gertie)在在
4、 1940年年11月月7日,也就是在它刚建成日,也就是在它刚建成4个月后,受到风速为个月后,受到风速为42英英里里/小时的平稳载荷时发生了小时的平稳载荷时发生了倒塌。倒塌。第4页,本讲稿共35页动力学动力学动力学动力学定义和目的(接上页)定义和目的(接上页)动力学分析通常分析下列物理现象动力学分析通常分析下列物理现象:振动振动-如由于旋转机械引起的振动如由于旋转机械引起的振动冲击冲击-如汽车碰撞,锤击如汽车碰撞,锤击交变作用力交变作用力-如各种曲轴以及其它回转机械等如各种曲轴以及其它回转机械等地震载荷地震载荷-如地震,冲击波等如地震,冲击波等随机振动随机振动-如火箭发射,道路运输等如火箭发射,
5、道路运输等上述每一种情况都由一个特定的动力学分析类型上述每一种情况都由一个特定的动力学分析类型来处理来处理第5页,本讲稿共35页动力学动力学动力学动力学第二节第二节:动力学分析类型动力学分析类型动力学分析类型动力学分析类型请看下面的一些例子请看下面的一些例子:在工作中,汽车尾气排气管装在工作中,汽车尾气排气管装配体的固有频率与发动机的固配体的固有频率与发动机的固有频率相同时,就可能会被震有频率相同时,就可能会被震散。那么,怎样才能避免这种散。那么,怎样才能避免这种危险结果呢危险结果呢?受应力(或离心力)作用的涡受应力(或离心力)作用的涡轮叶片会表现出不同的动力学轮叶片会表现出不同的动力学特性,
6、该如何解释和分析这种特性,该如何解释和分析这种现象呢现象呢?答案:进行答案:进行 模态分析模态分析 来确定结构的振动特来确定结构的振动特性性第6页,本讲稿共35页动力学动力学动力学动力学动力学分析类型(接上页)动力学分析类型(接上页)动力学分析类型(接上页)动力学分析类型(接上页)回转机器对轴承和支撑回转机器对轴承和支撑结构施加稳态的、交变结构施加稳态的、交变的作用力,这些作用力的作用力,这些作用力随着旋转速度的不同会随着旋转速度的不同会引起不同的偏转和应力引起不同的偏转和应力 解决办法解决办法:进行进行谐响应谐响应分析分析来确定结构对稳态简来确定结构对稳态简谐载荷的响应谐载荷的响应第7页,本
7、讲稿共35页动力学动力学动力学动力学动力学分析类型(接上页)动力学分析类型(接上页)汽车防撞挡板可以承受低速汽车防撞挡板可以承受低速撞击,但在较高速下撞击就撞击,但在较高速下撞击就可能变形可能变形一个网球拍架子应该设计得一个网球拍架子应该设计得能承受网球的冲击并且允许能承受网球的冲击并且允许发生轻微弯曲发生轻微弯曲 解决办法解决办法:进行:进行 瞬态动瞬态动力学分析力学分析 来计算结构对随来计算结构对随时间变化载荷的响应时间变化载荷的响应第8页,本讲稿共35页动力学动力学动力学动力学动力学分析类型(接上页)动力学分析类型(接上页)位于地震多发区的房屋框位于地震多发区的房屋框架和桥梁应该设计的能
8、够架和桥梁应该设计的能够使其满足承受地震载荷的使其满足承受地震载荷的要求要求.解决办法:进行解决办法:进行谱分析谱分析来确来确定结构对地震载荷的响应定结构对地震载荷的响应Courtesy:US Geological SurveyCourtesy:US Geological Survey第9页,本讲稿共35页动力学动力学动力学动力学动力学分析类型(接上页)动力学分析类型(接上页)动力学分析类型(接上页)动力学分析类型(接上页)太空船和飞机的部件必太空船和飞机的部件必须能够承受持续一段时须能够承受持续一段时间的变频率随机载荷。间的变频率随机载荷。解决办法解决办法:进行:进行随机振动随机振动分析分析
9、来确定结构对随机振动来确定结构对随机振动的影响的影响Courtesy:NASACourtesy:NASA第10页,本讲稿共35页动力学动力学动力学动力学动力学分析类型(接上页)动力学分析类型(接上页)总之,动力学分析有下列类型:总之,动力学分析有下列类型:模态分析模态分析确定结构的振动特性确定结构的振动特性 瞬态动力学分析瞬态动力学分析计算结构对随时间变化载荷的计算结构对随时间变化载荷的响应响应谐响应分析谐响应分析确定结构对稳态简谐载荷的响应确定结构对稳态简谐载荷的响应谱分析谱分析确定结构对地震载荷的响应确定结构对地震载荷的响应随机振动分析随机振动分析确定结构对随机震动的影响确定结构对随机震动
10、的影响 第11页,本讲稿共35页动力学动力学动力学动力学第三节第三节:基本概念和术语基本概念和术语基本概念和术语基本概念和术语讨论的问题讨论的问题:通用运动方程通用运动方程求解方法求解方法建模要考虑的因素建模要考虑的因素质量矩阵质量矩阵阻尼阻尼第12页,本讲稿共35页动力学动力学动力学动力学 -基本概念和术语基本概念和术语基本概念和术语基本概念和术语运动方程运动方程通用运动方程如下:通用运动方程如下:其中其中:M=结构质量矩阵结构质量矩阵C=结构阻尼矩阵结构阻尼矩阵K=结构刚度矩阵结构刚度矩阵F=随时间变化的载荷函数随时间变化的载荷函数u=节点位移矢量节点位移矢量=节点速度矢量节点速度矢量=节
11、点加速度矢量节点加速度矢量第13页,本讲稿共35页动力学动力学动力学动力学 -基本概念和术语基本概念和术语基本概念和术语基本概念和术语运动方程运动方程不同分析类型对应求解不同形式的方程不同分析类型对应求解不同形式的方程 模态分析:设定模态分析:设定F(t)为零为零,而矩阵,而矩阵 C 通常被忽略;通常被忽略;谐响应分析:假设谐响应分析:假设F(t)和和 u(t)都为谐函数,例如都为谐函数,例如 Xsin(w wt),其中,其中,X 是振幅,是振幅,w w 是单位为弧度是单位为弧度/秒的频率;秒的频率;瞬态动力分析:方程保持上述的形式。瞬态动力分析:方程保持上述的形式。第14页,本讲稿共35页动
12、力学动力学动力学动力学 -基本概念和术语基本概念和术语基本概念和术语基本概念和术语求解方法求解方法如何求解通用运动方程如何求解通用运动方程?两种主要方法:两种主要方法:模态叠加法模态叠加法直接积分法直接积分法第15页,本讲稿共35页动力学动力学动力学动力学 -基本概念和术语基本概念和术语基本概念和术语基本概念和术语求解方法求解方法(接上页)(接上页)直接积分法直接积分法直接求解运动方程直接求解运动方程在谐响应分析中,因为载荷和响应都假定为谐函数,所以运动方程是以干在谐响应分析中,因为载荷和响应都假定为谐函数,所以运动方程是以干扰力频率的函数而不是时间的函数的形式写出并求解的扰力频率的函数而不是
13、时间的函数的形式写出并求解的对于瞬态动力学,运动方程保持为时间的函数,并且可以通过对于瞬态动力学,运动方程保持为时间的函数,并且可以通过显式或显式或隐式隐式的方法求解的方法求解模态叠加法确定结构的固有频率和模态,乘以正则化坐标,然后加起来用以计算位移解可以用来处理瞬态动力学分析和谐响应分析详见后面相关章节ReplaceReplaceWithWith第16页,本讲稿共35页动力学动力学动力学动力学 -基本概念和术语基本概念和术语基本概念和术语基本概念和术语求解方法求解方法(接上页)(接上页)显式求解方法显式求解方法也称为闭式求解法或预测求解法也称为闭式求解法或预测求解法不需要计算矩阵的逆不需要计
14、算矩阵的逆可轻松处理非线性问题(无收敛问题)可轻松处理非线性问题(无收敛问题)积分时间步积分时间步 D Dt 必须很小,但求解速度很快必须很小,但求解速度很快(没有收敛问题)(没有收敛问题)对于短时间的瞬态分析有效,如用于波的对于短时间的瞬态分析有效,如用于波的传播,冲击载荷和高度非线性问题传播,冲击载荷和高度非线性问题当前时间点的位移当前时间点的位移 ut 由包含时间点由包含时间点t-1 的的方程推导出来方程推导出来有条件稳定有条件稳定:如果如果D Dt 超过结构最小周期的超过结构最小周期的确定百分数确定百分数,计算位移和速度将无限增加计算位移和速度将无限增加ANSYS-LS/DYNA 就是
15、使用这种方法,此处不就是使用这种方法,此处不作介绍作介绍隐式求解法隐式求解法也称为开式求解法或修正求解法也称为开式求解法或修正求解法要求矩阵的逆要求矩阵的逆非线性要求平衡迭代(存在收敛问非线性要求平衡迭代(存在收敛问题)题)积分时间步积分时间步 D Dt 可以较大,但因为有收敛可以较大,但因为有收敛问题而受到限制问题而受到限制除了除了 D Dt 必须很小的问题以外,对大必须很小的问题以外,对大多数问题都是有效的多数问题都是有效的当前时间点的位移当前时间点的位移 ut 由包含时间点由包含时间点 t 的方程推导出来的方程推导出来无条件稳定无条件稳定:D Dt的大小仅仅受精度条件的大小仅仅受精度条件
16、控制控制,无稳定性。无稳定性。这是主要讨论的方法这是主要讨论的方法第17页,本讲稿共35页动力学动力学动力学动力学 -基本概念和术语基本概念和术语基本概念和术语基本概念和术语建模要考虑的问题建模要考虑的问题要注意下面三方面的问题:要注意下面三方面的问题:几何形状和网格划分几何形状和网格划分材料性质材料性质各种非线性各种非线性第18页,本讲稿共35页动力学动力学动力学动力学 -基本概念和术语基本概念和术语基本概念和术语基本概念和术语建模要考虑的问题(接上页)建模要考虑的问题(接上页)几何形状和网格划分几何形状和网格划分:一般与静态分析要求考虑的问题和事项相同一般与静态分析要求考虑的问题和事项相同
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