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第四章瞬态动力分析M4-2第四章：瞬态动力分析第一节：瞬态动力分析的定义和目的第二节：瞬态分析状态的基本术语和概念第三节：在ANSYS中如何进行瞬态分析第四节：瞬态分析实例M4-3瞬态分析第一节：定义和目的什么是瞬态动力分析?•它是确定随时间变化载荷（例如爆炸）作用下结构响应的技术；•输入数据：–作为时间函数的载荷•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。M4-4瞬态分析定义和目的（接上页）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。M4-5瞬态分析第二节：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M4-6瞬态分析–术语和概念运动方程•用于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；•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。tFuKuCuMM4-7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整矩阵法缩减矩阵法完整矩阵法缩减矩阵法M4-8瞬态分析–术语和概念求解方法（接上页）运动方程的两种求解法：•模态叠加法（在第六章中讨论）•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，需求解一组联立的静态平衡方程（F=ma）；–ANSYS采用Newmark法这种隐式时间积分法；–ANSYS/LS-DYNA则采用显式时间积分法；–有关显式法和隐式法的讨论请参见第一章。M4-9瞬态分析-术语和概念求解方法（接上页）•求解时即可用缩减结构矩阵，也可用完整结构矩阵；•缩减矩阵：–用于快速求解；–根据主自由度写出[K]，[C]，[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。此外，还有其它的一些缺陷，但不在此讨论。•完整矩阵：–不进行缩减。采用完整的[K]，[C]，和[M]矩阵；–在本手册中的全部讨论都是基于此种方法。M4-10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=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。•ITS应足够小以获取下列数据：–响应频率–载荷突变–接触频率（如果存在的话）–波传播效应（若存在）M4-11瞬态分析-术语和概念积分时间步长（接上页）响应频率•不同类型载荷会在结构中激发不同的频率（响应频率）；•ITS应足够小以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个时间点应是足够的，即：Dt=1/20f式中，f是所关心的最高响应频率。响应周期M4-12瞬态分析-术语和概念积分时间步长（接上页）载荷突变•ITS应足够小以获取载荷突变LoadtLoadtM4-13瞬态分析-术语和概念积分时间步长（接上页）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应足够小以获取间隙“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，比此更小的ITS会造成能量损失，并且冲击可能不是完全弹性的。masseffectivestiffnessgapfrequencycontact21301mkfmkffITScccM4-14瞬态分析-术语和概念积分时间步长（接上页）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densitymassmodulussYoung'speedwaveelasticdirectionwavealonglength20/sizeelement3DDEEcLLxcxITSM4-15瞬态分析第三节：步骤•在此节中只讨论完整矩阵•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M4-16瞬态分析步骤建模模型•允许所有各种非线性•记住要输入密度！•其余参见第一章建模所要考虑的问题M4-17瞬态分析步骤建模命令(接上页)/PREP7ET,...MP,EX,...MP,DENS,…!建立几何模型…!划分网格...M4-18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•求解方法和其它选项-将在下面讨论•阻尼–将在下面讨论典型命令:/SOLUANTYPE，TRANS，NEWM4-19瞬态分析步骤选择分析类型和选项（接上页）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公式求解器•由程序自行选择M4-20瞬态分析步骤选择分析类型和选项命令（接上页）TRNOPT，FULLNLGEOM，…SSTIF，…NROPT，…LUMPM，…EQSLV，...M4-21瞬态分析步骤选择分析类型和选项（接上页）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）。典型命令:ALPHAD，…BETAD，…M4-22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M4-23瞬态分析步骤规定边界条件和初始条件命令(接上页)DK，…!或D或DSYMDL，…DA，…ACEL，…OMEGA，...M4-24瞬态分析步骤规定边界条件和初始条件（接上页）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)M4-25瞬态分析步骤规定边界条件和初始条件（接上页）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。M4-26瞬态分析步骤规定边界条件和初始条件（接上页）实例-物体从静止状态下落•这种情况a0=g（重力加速度）v0=0•采用静载荷步法•载荷步1：–关闭瞬态效应。用TIMINT，OFF命令或SolutionTime/FrequencTimeIntegration...–采用小的时间间隔，例，0.001；–采用2个子步，分步加载（如果采用线性载荷或一个子步，v0就将是非零的）；–保持物体静止，例如，固定物体的全部自由度；–施加等于g的加速度；–求解。M4-27瞬态分析步骤规定边界条件和初始条件命令（接上页）!载荷步1TIMINT，OFF!关闭瞬态效应TIME，0.001!小的时间间隔NSEL，…!选择所有小物体的所有节点D，ALL，ALL，0!并在所有方向上定义固定约束NSEL，ALLACEL，…!加速度值NSUBST，2!两个子步KBC，1!阶梯载荷SOLVEM4-28瞬态分析步骤规定边界条件和初始条件（接上页）•载荷步2：–打开瞬态效应；–释放物体，例如，删除物体上的DOF自由度约束；–规定终止时间，连续进行瞬态分析。Acelt0.00050.001Loadstep1M4-29瞬态分析步骤规定边界条件和初始条件命令（接上页）!载荷步2TIMINT，ON!打开瞬态效应开关TIME，…!指定载荷步实际的终点时刻NSEL，…!选择所有小物体的所有节点DDELE，ALL，ALL!并删除所有约束NSEL，ALLSOLVE...M4-30瞬态分析步骤规定边界条件和初始条件（接上页）实例–将悬臂梁的自由端从平衡位置“拨”开“•这种情况时，在梁的自由端u00，v0=0；•用静载荷步法；•载荷步1：–关闭瞬态效应。用TIMINT，OFF命令或SolutionTime/FrequencTimeIntegration...–采用小的时间间隔，例如，0.001；–2个子步，分步加载（如果采用线性载荷或用一个子步，v0就将是非零的）；–在梁的自由端施加所要求的非零位移；–求解。M4-31瞬态分析步骤规定边界条件和初始条件命令（接上页）!载荷步1TIMINT，OFF!关闭瞬态效应TIME，0.001!小的时间间隔D，…!在指定节点定义强制位移NSUBST，2!两个子步KBC，1!阶梯载荷步SOLVEM4-32瞬态分析步骤规定边界条件和初始条件（接上页）•载荷步2：–打开瞬态效应；–删除强加位移；–指定终止时间，连续进行瞬态分析。M4-33瞬态分析步骤规定边界条件和初始条件命令（接上页）!载荷步2TIMINT，ON!打开瞬态效应开关TIME，…!指定载荷步实际的终点时刻DDELE，…!删除所有强制位移...SOLVE...M4-34瞬态分析步骤规定边界条件和初始条件（接上页）实例-高尔夫球棒端头的初速度•假定只对高尔夫球棒端头建模，并且整个端头运动，这时有初始条件v00。同时又假定u0=a0=0；•在这种情况下使用IC命令法是方便的1选择球棒上的全部节点；2用IC命令施加初始速度或；–选择SolutionApplyInitialCondit’nDefine+–选用全部节点–选择方向并输入速度值3激活全部节点；4规定终止时间，施加其它载荷条件（如果存在的话），然后求解。M4-35瞬态分析步骤规定边界条件和初始条件命令（接上页）NSEL，…IC，…NSEL，ALLTIME，……SOLVEM4-36瞬态分析步骤规定边界条件和初始条件（接上页）实例–承受冲击载荷的固定平板•此种情况下u0=v0=a0=0；•这些初始条件都是ANSYS中的缺省初始条件值，所以这里不必再规定它们！•只施加边界条件和冲击载荷，然后求解。M4-37瞬态分析步骤施加时间-历程载荷并求解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-历程载荷和求解•时间-历程载荷是随时间变化的载荷•这类载荷有两种施加方法：–列表输入法–多载荷步施加法LoadtLoadtLoadtM4-380.5Forcet瞬态分析步骤施加时间-历程载荷并求解（接上页）列表输入法•允许定义载荷随时间变化的表（用数组参数）并采用此表作为载荷；•尤其是在同时有几种不同的载荷，而每种载荷又都有它自己的时间历程时很方便；•例如，要施加下图所示的力随时间变化曲线：1.选择SolutionApplyForce/MomentOnNodes，然后拾取所需节点22.5101.01.5M4-39瞬态分析步骤施加时间-历程载荷并求解命令（接上页）!首先定义载荷-时间数组*DIM，FORCE，TABLE，5，1，，TIME!类型表数组FORCE(1，0)=0，0.5，1，1.01，1.5!时间值FORCE(0，1)=0，22.5，10，0，0!载荷值!然后将力数组定义到指定的节点上NSEL，…!选择指定的节点F，ALL，FZ，%FORCE%!在所有选择节点上定义表载荷NSEL，ALL...M4-40瞬态分析步骤施加时间-历程载荷并求解（接上页）2.选择力方向和“新表Newtable”，然后确定（OK）；3.输入表名和行数（时间点的数量），然后确定（OK）；4.填入时间和载荷值，然后FileApply/Quit；M4-41瞬态分析步骤施加时间
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