ansys动力学分析简介PPT推荐.ppt
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静力问题中,结构的内力和位移仅依赖于给定的外载荷,平衡关系为外力和恢复力之间的平衡;
动力问题中,结构产生的位移和加速度有关,结构的恢复力不仅要平衡外加动力载荷,还要平衡加速度引起的惯性力。
动力问题中结构响应的大小,与载荷的大小和载荷随时间变换的过程有关。
1-,动力学定义、目的和特点,动力学分析用于下列物理现象:
振动如由于旋转机械引起的冲击汽车碰撞、锤击变化载荷曲轴和其他旋转机械地震载荷如地震、冲击波等随机振动如火箭发射、道路交通等每种物理现象将按照一定类型的动力学分析来解决,1-,动力学B.动力学分析类型,请看下面例子:
汽车尾气排放管装配体,如果其固有频率与发动机的频率相同就会发生共振,可能导致其脱离,该如何避免这种危险呢?
涡轮叶片在受力(离心力)时表现出不同的动力学特性,你将如何计算?
(预应力)答案:
作一个模态分析决定结构振动特性。
1-,动力学动力学分析类型,汽车保险杠可以承受低速撞击,但在较高速下撞击就可能变形。
网球拍框架设计上应使其能够抵挡网球的冲击并且允许发生轻微弯曲。
解决办法:
作一个瞬态动力学分析,计算出结构对随时间变化的载荷的响应。
1-,动力学动力学分析类型,对旋转机械的轴承和支撑结构施加稳定的交变载荷,这些作用力随着旋转速度的不同引起不同的偏转和应力。
解决办法做一个谐响应分析决确定结构对稳态简谐载荷的响应。
1-,在地震多发区的房屋框架和桥梁设计应使其能够承受地震载荷。
解决办法作一个频谱分析以决定结构对地震载荷的响应。
Courtesy:
U.S.GeologicalSurvey,动力学动力学分析类型,1-,太空船和飞行器部件必须承受持续一定时间的变频载荷。
解决办法作随机振动分析以决定部件对随机震动的响应。
NASA,动力学动力学分析类型,1-,动力学C.基本定义和术语,讨论的问题:
运动通用方程求解方法建模考虑的因素质量矩阵阻尼,1-,动力学-基本定义和术语运动方程,三维弹性动力学的基本方程:
平衡方程几何方程物理方程边界条件初始条件,1-,动力学-基本定义和术语运动方程,通用运动方程如下:
不同分析类型对应求解不同形式的方程:
模态分析:
F(t)=0,C一般忽略。
谐响应分析:
F(t)和u(t)都假设为谐函数,例如Xsin(wt),X是振幅,w是频率,单位是rad/s.瞬态动力学分析:
方程保持上述形式。
静力学方程代数方程,惯性和阻尼项,微分项,1-,动力学-基本定义和术语求解方法,如何求解通用运动方程?
两种主要方法:
模态叠架法直接积分法模态叠架法首先求解无阻尼的自由振动得到特征值和特征向量,然后利用正则变化使方程组转换为互不耦合的方程组,最后对各个自由度的运动方程进行积分并进行叠加。
可用来进行瞬态和谐响应分析。
两类方法本质上等价。
第六章再详细介绍。
1-,动力学-基本定义和术语求解方法,直接积分法直接求解运动方程对于谐响应分析,由于载荷与响应都假设是谐函数,所以运动方程是以力的频率函数而不是以时间函数的形式来写出并求解的。
对于瞬态分析,运动方程保持为时间的函数,可通过显式或隐式方法进行求解。
1-,动力学-基本定义和术语求解方法,显式求解方法不要求矩阵求逆可轻松处理非线性问题(无收敛问题)积分时间步Dt必须很小(1e-6或9秒较典型)对于短时间的瞬态分析有效,如波的传播、冲击载荷以及高度非线性问题(如金属成型)这种方法不是我们主要讨论的。
它将在ANSYS-LS/DYNA中详细讲解。
隐式求解方法要求矩阵求逆非线性要求平衡叠代(收敛问题)积分时间步Dt可以很大,但由于收敛问题而受到限制。
除了Dt要求很小的情况外,隐式积分法对多数问题都有效。
这种方法是我们主要讨论的。
1-,动力学-基本定义和术语建模注意事项,几何形状和网格划分几何形状与静态分析要求注意的事项相同。
要包括充分描绘模型质量分布所必须的详细资料。
在注重应力结果时需要精细的网格,如果只对位移感兴趣时(如低阶模态)较粗糙网格就足够了。
1-,动力学-基本定义和术语建模注意事项,材料特性杨氏模量和密度是必须的。
记住使用一致的单位制。
对于密度,当使用英制单位时,定义质量密度而不是重量密度:
质量密度=重量密度/g=lbf/in3/in/sec2=lbf-sec2/in4钢的密度=0.283/386=7.3x10-4lbf-sec2/in4,例国际单位制,(a)(b)(c)LengthunitmetermillimetermillimeterTimeunitsecondsecondmillisecondMassunitkilogramtonnekilogramForceunitNewtonNewtonkiloNewtonYoungsModulusofSteel210.0E+09210.0E+03210.0DensityofSteel7.85E+037.85E097.85E06YieldstressofMildSteel200.0E+06200.00.200Accelerationduetogravity9.819.81E+039.81E-03,1-,动力学-基本定义和术语建模注意事项,非线性(大变形,接触,塑性等等)仅在完全瞬态动力学分析中允许使用。
在其他动力学类型中(如模态、谐波分析、频谱分析以及简化的模态叠加瞬态分析等),非线性问题均被忽略掉,也就是说,在整个求解过程中一直保持最初的非线性状态。
1-,动力学-基本定义和术语质量矩阵,动力学分析中必须有质量矩阵M,它是通过单元密度对每个单元计算出来的。
有两种类型的质量矩阵M:
分布质量矩阵和集中质量矩阵。
对于2-DBEAM3,梁单元,其分布质量矩阵和集中质量矩阵如下所示:
1-,动力学-基本定义和术语质量矩阵,分布质量矩阵从单元形函数计算得来。
是大多数单元的缺省选项。
一些单元具有特殊形式的质量矩阵叫做简化质量矩阵,它是把对应于转动的元素置为零。
集中质量矩阵假定单元的质量集中在单元的各节点上,这样得到的质量矩阵为对角线矩阵。
通过分析选项来激活(LUMPM命令).,1-,动力学-基本定义和术语质量矩阵,应当采用哪种质量矩阵?
对大多数分析来说,分布质量矩阵为缺省设定。
对于在一个方向上的尺寸比其他两个方向的尺寸都小的结构,如细长梁或很薄的壳,可采用简化质量矩阵(如果能够得到的话)或集中质量矩阵。
集中质量矩阵可用于波的传播问题。
1-,动力学-基本定义和术语阻尼,什么是阻尼?
是振动能量耗散机制,使振动最终停止下来。
阻尼大小主要取决于材料、运动速度和振动频率。
分类如下:
粘性阻尼滞后或固体阻尼库仑或干摩擦阻尼,阻尼响应,1-,动力学-基本定义和术语阻尼,粘性阻尼物体在流体中运动时发生在动力学分析中应该考虑,该阻尼力与运动速度成比例。
比例常数c称作阻尼常数。
通常用阻尼比x(阻尼常数c与临界阻尼常数cc)来量化表示。
临界阻尼定义为出现振荡和非振荡行为之间的阻尼的极值,此时阻尼比x=1.0。
*对于集中质量为m,频率为w的单自由度弹簧质量系统,有cc=2mw,1-,动力学-基本定义和术语阻尼,滞后或固体阻尼是材料的固有特性。
在动力学分析中应该考虑。
认识尚不透彻,因此很难量化。
库仑或干摩擦阻尼当一个物体在一个干表面上滑动时产生的。
阻尼力与作用在表面的法向力成比例。
比例常数m是摩擦系数。
动力学分析中通常不考虑。
1-,动力学-基本定义和术语阻尼,ANSYS允许所有三种形式的阻尼。
可通过阻尼比x,Rayleigh阻尼常数a(后面将进行讨论),或者定义带有阻尼矩阵的单元,将粘性阻尼纳入考虑。
通过规定另一种Rayleigh阻尼常数b(后面将进行讨论)可将滞后或固体阻尼纳入考虑。
通过规定带有摩擦性能的接触表面单元和间隙单元,可将库仑阻尼纳入考虑,(此处不进行讨论,可参见ANSYS结构分析指南)。
1-,动力学-基本定义和术语阻尼,在ANSYS中阻尼定义如下:
CaMbbcKbjCkCx,结构的阻尼矩阵恒定质量矩阵系数(ALPHAD)结构的质量矩阵恒定刚度矩阵系数(BETAD)可变刚度矩阵系数(DMPRAT)结构刚度矩阵材料j的恒定刚度矩阵系数(MP,DAMP)单元阻尼矩阵(单元实常数)依赖频率的阻尼矩阵(DMPRAT和MDAMP),瑞利阻尼(总体),材料特性,MP,j,DMPRAT,1-,阻尼有多种定义形式:
粘性阻尼系数或阻尼比x。
品质因子或简化Q消耗系数或结构阻尼系数h。
衰减量D光阻尼系数D.多数与ANSYS中使用的阻尼比x有关。
转化系数下面介绍。
动力学-基本定义和术语阻尼,1-,不同阻尼定义间的转换:
动力学-基本定义和术语阻尼,1-,动力学-基本定义和术语阻尼,a阻尼也称作质量阻尼。
只有当粘性阻尼是主要因素时才规定此值,如在进行各种水下物体、减震器或承受风阻力物体的分析时如果忽略b阻尼,a可通过已知值x(阻尼比)和已知频率w来计算:
a=2xw因为只允许有一个a值,所以要选用最主要的响应频率来计算a用ALPHAD命令输入。
a=3,1,2,0.5,a阻尼对阻尼比的影响(阻尼忽略),1-,动力学-基本定义和术语阻尼,b阻尼也称作结构或刚度阻尼是大多数材料的固有特性b阻尼可对每一个材料进行规定(作为材料性质DAMP),或作为一个单一的总值如果忽略a阻尼,b可以通过已知的x(阻尼比)和已知频率w来计算:
b=2x/w选用最主要的响应频率来计算b输入用MP,DAMP或BETAD命令.,b=0.004,0.003,0.001,0.002,阻尼对阻尼比的影响(a阻尼忽略),1-,动力学-基本定义和术语阻尼,Rayleigh阻尼常数a和b使用M和K的系数计算C:
C=aM+bKa/2w+bw/2=xw是频率,x是阻尼比.阻尼比x不能规定的情况下,需要Rayleigh阻尼常数a和b。
a是粘性阻尼成分,b是滞后(固体或刚体)阻尼成分.,1-,动力学-基本定义和术语阻尼,定义a和b阻尼:
运用关系式a/2w+bw/2=x因为有两个未知数,所以近似的假设a和b阻尼的总和在频率范围w1至w2之间是一个常阻尼比x,这将给出两个联立方程,从而可以计算出a和b:
x=a/2w1+bw1/2x=a
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