ANSYS随机振动理论.docx

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ANSYS随机振动理论

§4.5随机振动（PSD）分析步骤

PSD分析包括如下六个步骤：

1．建造模型；

2．求得模态解；

3．扩展模态；

4．获得谱解；

5．合并模态；

6．观察结果。

以上六步中，前两步跟单点响应谱分析一样，后四步将在下面作详细讲解。

ANSYS/Professional产品中不能进展随机振动分析。

如果选用GUI交互方法进展分析，模态分析选择对话框〔MODOPT命令〕中包含有是否进展模态扩展选项〔MXPAND命令〕，将其设置为YES就可以进展下面的：

扩展模态。

这样，第二步〔求得模态解〕和第三步〔扩展模态〕就合并到一个步骤中进展计算。

§4.4.9建造模型

该步与其它分析类型建立模型的过程相似，即定义工作名、分析的标题、单元类型、单元实常数、材料性质、模型几何形状等。

注意以下两点：

·只有线性行为在谱分析中才是有效的。

任何非线性单元均作为线性处理。

如果含有接触单元，那么它们的刚度始终是初始刚度，不再改变；

·必须定义材料弹性模量〔EX〕〔或其他形式的刚度〕和密度〔DENS〕。

材料的任何非线性将被忽略，但允许材料特性是线性的、各向同性或各向异性以及随温度变化或不随温度变化。

§4.5.0获得模态解

构造的模态解〔固有频率和振型〕是计算谱解所必须的。

模态分析的具体过程在?

模态分析?

中已经阐述过，这里还需注意以下几点：

·使用Block　Lanczos法〔缺省〕、子空间法或缩减法提取模态。

非对称法、阻尼法、QR阻尼法以及PowerDynamics法对下一步谱分析是无效的；

·所提取的模态数目应足以表征在感兴趣的频率围构造所具有的响应；

·如果使用GUI交互式方法进展分析，模态分析设置[MODOPT]对话框的扩展模态选项置为NO状态，那么模态计算时将不进展模态扩展，但是可以选择地扩展模态〔参看MXPAND命令的SIGNIF输入项的用法〕。

否那么，将扩展模态选项置为YES状态。

·材料相关阻尼必须在模态分析中进展指定；

·必须在施加鼓励谱的位置添加自由度约束；

·求解完毕后退出SOLUTION处理器。

§4.5.1扩展模态

无论选用子空间法、Block　Lanczos法还是缩减法，都必须进展模态扩展。

关于模态扩展，?

动力学分析指南—模态分析?

局部“扩展模态〞一节有详细讲述。

另外还需注意以下几点：

·只有扩展后的模态才能在以后的模态合并过程中进展模态合并操作；

·如果对谱所产生的应力感兴趣，这时必须进展应力计算。

在缺省情况下，模态扩展过程是不包含应力计算的，这同时意味着谱分析将不包含应力结果数据。

·模态扩展可以作为一个独立的求解过程，也可以放在模态分析阶段；

·在模态扩展完毕之后，应执行FINISH命令退出求解器〔SOLUTION〕。

正如?

动力学分析指南—模态分析?

局部中讲述的那样，在进展模态分析时执行MXPAND命令就可以将模态求解和模态扩展合并成一步〔GUI交互方法和批处理方法〕。

§4.5.2获得谱解

功率谱密度谱求解时，系统数据库必须包含模态分析结果数据，以及模态求解获得的以下文件：

Jobname.MODE、Jobname.ESAV、Jobname.EMAT、Jobname.FULL〔仅子空间法和Block　Lanczos法有〕和Jobname.RST。

1.进入求解器　（/SOLU命令）

mand:

　/SOLU

GUI:

　Main　Menu　>　Solution

2.定义分析类型和分析选项

·对于谱分析类型（SPOPT命令），选择功率谱密度（PSD）；

·假设对应力结果感兴趣，那么翻开应力计算开关（SPOPT命令设置为ON）。

只有在扩展模态过程中要求过计算应力，这时才能计算由谱引起的应力。

3.定义载荷步选项。

下面的选项适用于随机振动：

·谱数据

Ø功率谱密度〔PSD〕类型

mand:

　PSDUNIT

GUI:

Main　Menu　>　Solution　>　Spectrum　>　-PSD-Settings

功率谱密度类型可以是位移、速度、力、压力或加速度。

在后面的第4.步和第5.步中将指定是根底鼓励还是节点鼓励。

如果施加压力功率谱密度，那么应在模态分析时就施加压力。

Ø定义功率谱密度—频率二维表

mand:

　PSDFREQ,　PSDVAL

GUI:

Main　Menu　>　Solution　>　Spectrum　>　-PSD-PSD　vs　Freq

Main　Menu>Solution>Spectrum>-PSD-Graph　Tables

PSDFEQ和PSDVAL命令是用来定义功率谱密度—频率二维表。

第6.步将描述其它功率谱密度鼓励的施加方法。

执行STAT命令可以显示功率谱密度表。

·阻尼〔动力特性选项〕

这里可以指定以下种类的阻尼：

a阻尼〔ALPHD命令〕、b阻尼〔BETAD命令〕、恒定阻尼比〔DMPRAT命令〕和频率相关阻尼比〔MDAMP命令〕。

注意，恒定阻尼比是利用DMPRAT命令指定给所有频率的。

如果定义了多种阻尼，ANSYS将计算出对应每一频率的有效阻尼比。

注意：

假设在PSD分析中没有定义阻尼，即缺省时将使用1％的DMPRAT。

·Alpha〔质量〕阻尼

mand:

　ALPHD

GUI:

Main　Menu　>　Solution　>　Load　Step　Opts　–Time/Frequence　>　Damping

·Beta〔刚度〕阻尼

mand:

　BETAD

GUI:

Main　Menu　>　Solution　>　Load　Step　Opts　–Time/Frequence　>　Damping

·恒定阻尼比

mand:

　DMPRAT

GUI:

Main　Menu　>　Solution　>　Load　Step　Opts　–Time/Frequence　>　Damping

·频率相关阻尼比

mand:

　MDAMP

GUI:

Main　Menu　>　Solution　>　Load　Step　Opts　–Time/Frequence　>　Damping

下面是随机振动分析的步骤：

4.在节点上施加功率谱密度〔PSD〕鼓励

当指定值1.0时，该节点就施加功率谱密度鼓励。

反之，指定值0.0（或空值）时，该节点的功率谱密度鼓励将被删除。

鼓励的方向由D命令（施加根底鼓励）中UX、UY、UZ的符号或者F命令（施加节点鼓励）中FX、FY、FZ的符号来决定。

对于节点鼓励，非1.0的值充当鼓励缩放系数。

对于压力功率谱密度，引入模态分析中生成的载荷向量（LVSCALE命令），也可以使用缩放系数。

注意，根底鼓励只能施加在模态分析中施加有约束的节点上。

mand:

D、DK、DL或DA〔施加根底鼓励〕

F或FK〔施加节点鼓励〕

LVSCALE〔施加压力PSD〕

GUI:

Main　Menu　>　Solution　>　-Loads-Apply　>　-Base　PSD　Excit-On　Nodes

5.开场计算上述PSD鼓励缩放系数

在PFACT命令的TBLNO域指定选用哪一个PSD表，Excit域指定是对根底鼓励还是节点鼓励的计算。

mand:

　PFACT

GUI:

Main　Menu　>　Solution　>　-Load　Step　Opts　–　Spectrum　>　-PSD-Calculate　PF

6.定义其它PSD鼓励

如果同一模型上有多个PSD鼓励，就按每一个功率谱密度表重复上面第3、4和5步的过程。

然后根据实际情况确定各鼓励间的相关程度，恰当地选用以下命令：

mand:

　COVAL〔共谱值〕

QDVAL〔二次谱值〕

PSDSPL〔空间关系〕

PSDWAV〔波传播关系〕

GUI:

Main　Menu　>　Solution　>　-Load　Step　Opts　–　Spectrum　>　-PSD-Correlation

在使用PSDSPL或PSDWAV命令时，PFACT命令的Parcor域分别设置为SPATIAL或WAVE。

对于多点根底鼓励，由于PSDSPL和PSDWAV间的关系可能会大大增加CPU的计算量。

在使用PSDSPL和PSDWAV命令〔例如，FY不能施加到一个节点而FZ施加到另外一个节点〕时，节点鼓励和根底鼓励输入必须是一致的。

PSDSPL和PSDWAV命令不能用于压力PSD分析。

7.设置输出控制项

该分析只有一条输出控制命令PSDRES，它定义写入结果文件的输出数据的数量和格式。

可以计算出三种结果数据：

位移解、速度解、或加速度解，每一种解都可以是绝对值或对于基准值的相对值。

mand:

　PSDRES

GUI:

Main　Menu　>　Solution　>　-Load　Step　Opts　–　Spectrum　>　-PSD-Calc　Controls

下表列出了所有可以获得的分析结果。

为了限制输入到结果文件的数据量，在模态扩展过程中执行OUTRES命令进展控制。

执行命令OUTPR,　NS　OL,　ALL将显示重要的模态方协差项的总列表。

PSD分析结果数据列表

速度求解〔PSDRES命令中

LABEL项为VELO〕

速度、应力速度和力速度等

相对、绝对或都不是

加速度求解〔PSDRES命令中

LABEL项为ACEL〕

加速度、应力加速度和力加速度等

相对、绝对或都不是

8.开场求解计算（SOLVE命令）

mand:

　SOLVE

GUI:

　Main　Menu　>　Solution　>　Current　LS

9.退出求解器（FINISH命令）

mand:

　FINISH

GUI:

退出求解器

§4.5.3合并模态

在求解过程中，模态合并可以作为独立步骤，其根本过程如下：

1.进入求解器

mand:

　/SOLU

GUI:

Main　Menu　>　Solution

2.指定分析类型

mand:

　ANTYPE

GUI:

Main　Menu　>　Solution　>　New　Analysis

·选项：

New　Analysis〔ANTYPE命令〕

选择新的分析。

·选项：

Analysis　Type：

Spectrum〔ANTYPE命令〕

选择谱分析。

3.选择模态合并方法

在随机振动中，只有PSD模态合并方法。

该方法将计算构造中的1s位移、应力等。

如果没有执行PSD命令，程序将不计算构造的1s响应。

mand:

　PSD

GUI:

Main　Menu　>　Solution　>　-Load　Step　Opts-Spectrum　>　PSD-Mode　bin

PSD模态合并方法〔PSD命令〕中的SIGNIF和ODE选项指定参加模态合并的数目〔PSD命令〕。

如果检验这两个选项，记住打印第四步〔获得谱解〕中模态协方差矩阵，研究趋向于最终结果的模态的相对分布。

4.开场求解

mand:

　SOLVE

GUI:

Main　Menu　>　Solution　>　-Solve-Current　LS

5.退出求解器

mand:

　FINISH

GUI:

退出求解器。

§4.5.4观察结果

随机振动分析的结果都写入结果文件Jobname.RST，它包括如下信息：

1.模态分析结果中的扩展模态形状；

2.根底鼓励静力解（PFACT,　,　BASE命令）；

3.如果要求进展模态合并（PSD命令），并且是利用PSDRES命令设置的，那么就有以下输出信息：

·1s位移解　（位移、应力、应变、力）；

·1s速度解　（速度、应力速度、应变速度、力速度）；

·1s加速度解　（加速度、应力加速度、应变加速度、力加速度）。

先在POST1后处理器中观察上述信息，然后在POST26处理器中计算响应PSD。

§4.5.4.1在POST1后处理器中观察结果

在观察结果之前，先要了解结果文件中结果数据构造，如下表所示。

注意：

如果只定义了节点PSD鼓励，第2载荷步的结果将是空的。

同样，如果用PSDRES命令放弃了位移、速度或加速度的求解,对应的载荷步也将是空的。

在功率谱密度分析时，将不生成载荷步3、4或5中超单元位移文件〔.DSUM〕。

PSD分析结果数据组织构造

载荷步

子步

容

1

1

2

3

等

第1阶模态的扩展了的模态解

第2阶模态的扩展了的模态解

第3阶模态的扩展了的模态解

等等

2

1

2

等

第1个PSD表的单位静态解

第2个PSD表的单位静态解

等等

3

1

1s位移解

4

1

1s速度解（如果要求了的话）

5

1

1s加速度解（如果要求了的话）

POST1后处理器中观察结果的步骤：

1．用SET命令将想要观察的结果数据读入数据库。

例如，要读入1s位移解，执行命令：

mand:

　SET

GUI:

　Main　Menu　>　General　Postproc　>　-Read　Results-First　Set

2．显示结果。

使用SPRS分析中一样的选项来显示结果。

注意：

在随机振动分析中，"应力"并不是实际的应力而是应力的统计值，由PLNSOL命令显示的节点平均应力可能是不合理的。

§4.5.4.2在POST26中计算响应PSDs

已有了Jobname.RST和Jobname.PSD文件，用户就可以计算并显示响应PSDs结果文件中的任何信息〔位移、速度和加速度〕。

计算响应PSDs的步骤：

1.进入时间－历程后处理器

mand:

　/POST26

GUI:

　Main　Menu　>　TimeHist　PostPro

2.存储频率向量。

NPTS是加在固有频率两边以使得频率向量变得"平滑"的频率点的数目（缺省值是5）。

频率向量保存为1。

mand:

　STORE,PSD,NPTS

GUI:

　Main　Menu　>　TimeHist　PostPro　>　Store　Data

3.定义保存感兴趣结果〔位移、应力和反力等〕的变量

mand:

　NSOL,ESOL,和/或RFORCE

GUI:

　Main　Menu　>　TimeHist　PostPro　>　Define　Variables

4.计算响应PSD并将其保存到一个指定变量，然后可用PLVAR命令来显示响应PSD。

mand:

　RPSD

GUI:

　Main　Menu　>　TimeHist　PostPro　>　Calc　Resp　PSD

§4.5.4.3在POST26中计算协方差

用户可以计算结果文件中任意两个量（位移、速度和/或加速度）之间的协方差：

1.进入时间－历程后处理器　/POST26

mand:

　/POST26

GUI:

　Main　Menu　>　TimeHist　PostPro

2.定义保存感兴趣结果（位移、应力和反力等）的变量

mand:

　NSOL,ESOL,和/或RFORCE

GUI:

　Main　Menu　>　TimeHist　PostPro　>　Define　Variables

3.计算每一个响应分量（相对或绝对响应）的大小，并保存到指定的对应变量中。

然后，可以利用PLVAR命令来绘制伴〔相对的〕模态分布图，同时包含准静态和对总体协方差响应混合局部的分布。

mand:

　CVAR

GUI:

　Main　Menu　>　TimeHist　PostPro　>　Calc　Covariance

4.获得协方差。

mand:

　*GET,　NameVARI,　n,　EXTREM,　CVAR

GUI:

　Utility　Menu　>　Parameters　>　Get　Scalar　Data