ansysworkbench瞬态动力分析.pptx
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1、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。第1页/共52页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.第2页/共52页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第3页/共52页求解方法两种求解运动学
2、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.第4页/共52页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.第5页/共52页求解方
3、法时间积分方案-HHT 方法:Newmark 方法是求解 t n+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 t n+1.(Note:缺省HHT方法 a am=0)第6页/共52页求解方法时间积分方案-时间积分参数,a,d,af,am,通过求解控制选项输入TRNOPT,FULL,NMK|HHT!缺省NewmarkTINTP,GAMMA,ALPHA,DELTA,THETA,ALPHAF,ALPHAM指定 GAMMA 或ALPHAF/ALPHAM第7页/共52页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
4、)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,Hughes and Taylor(HHT)Wood,Bossack and ZienkiewiczChung and Hulbert第8页/共52页缩减/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。第9页/共52页积分时间步长积分时间步长
5、(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第10页/共52页积分时间步长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第11页/共52页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。响应周期第12页/共5
6、2页载荷突变载荷突变ITS小到足够获取载荷突变现象LoadtLoadt第13页/共52页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。第14页/共52页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)可能对此更为适用第15页/共52页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
7、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.第16页/共52页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=1 sec,Dtmin=0.01 sec,and Dtmax=10 sec;那 ANSYS 起始采用 ITS=1 sec,并依据结构的响应
8、允许其在0.01 和 10 之间变动.第17页/共52页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)积分时间步长第18页/共52页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!第19页/共52页分析选项进
9、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第20页/共52页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(discussed next)指定载荷步结束时间指定初始、最大、最小时间步长 D Dt.输出控制 controls(discussed next)第21页/共52页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
10、长.如果有非线性因素,选择“Program Chosen”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 第22页/共52页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 Solution Soln Control.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.第23页/共52页分析选项瞬态效应 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 第24页/共52页分析选项阻尼和b
11、阻尼均可用;在大多数情况下,忽略阻尼(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,第25页/共52页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法第26页/共52页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(v00)高尔夫球棒击球(v00)物体跌落试验(a00)第27页/共52页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
12、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SolutionApplyInitialConditnDefine+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。第28页/共52页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-ApplyInitialConditnDefine第29页/共52页零初
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