[教育]有限元方法與ansys應(yīng)用第8講動力分析

1、有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—動力分析 類別: 1 模態(tài)分析 2 諧響應(yīng)分析(周期載荷)穩(wěn)態(tài),非瞬態(tài) 3 瞬態(tài)動力分析(任意確定性載荷) 4 譜分析(隨機載荷),,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—動力分析 類別: 1 模態(tài)分析 2 諧響應(yīng)分析(周期載荷)穩(wěn)態(tài),非瞬態(tài) 3 瞬態(tài)動力分析(任意確定性載荷

2、) 4 譜分析(隨機載荷),,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 瞬態(tài)動力學(xué)分析（亦稱時間歷程分析）是用于確定承受任意的隨時間變化載荷結(jié)構(gòu)的動力學(xué)響應(yīng)的一種方法。 可以用瞬態(tài)動力學(xué)分析確定結(jié)構(gòu)在穩(wěn)態(tài)載荷、瞬態(tài)載荷和簡諧載荷的隨意組合作用下的隨時間變化的位移、應(yīng)變、應(yīng)力及力。,,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 載荷和時間的相關(guān)性

3、使得慣性力和阻尼作用比較重要。如果慣性力和阻尼作用不重要，就可以用靜力學(xué)分析代替瞬態(tài)分析。,,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 在任意給定的時間 ，這些方程可看作是一系列考慮了慣性力和阻尼力的靜力學(xué)平衡方程。ANSYS程序使用Newmark時間積分方法在離散的時間點上求解這些方程。兩個連續(xù)時間點間的時間增量稱為積分時間步長。,,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析

4、 瞬態(tài)動力學(xué)分析比靜力學(xué)分析更復(fù)雜，通常要占用更多的計算機資源和更多的人力。可以先做一些預(yù)備工作以理解問題的物理意義，從而節(jié)省大量資源。例如：,,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 1.首先分析和建立一個較為簡單的動力學(xué)模型(創(chuàng)建梁、質(zhì)量體和彈簧組成的模型)，簡單模型要更有利于全面了解所有的動力學(xué)響應(yīng),要以最小的代價獲得深入的動力學(xué)行為認(rèn)識。,,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例

5、分析—瞬態(tài)動力分析 2.如果分析包括非線性特性，建議首先利用靜力學(xué)分析掌握非線性特性對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響規(guī)律。在某些場合，動力學(xué)分析中是沒必要包括非線性特性的。,,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 3.掌握結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性。通過做模態(tài)分析計算結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，了解這些模態(tài)被激活時結(jié)構(gòu)的響應(yīng)狀態(tài)。同時，固有頻率對計算正確的積分時間步長十分有用。,,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元

6、案例分析—瞬態(tài)動力分析 4.對于非線性問題，考慮將模型的線性部分子結(jié)構(gòu)化以降低分析。,,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 三種方法:,,完全（Full）法、縮減（Reduced）法模態(tài)疊加法。 ANSYS/Professional產(chǎn)品中只允許用模態(tài)疊加法。,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 完全法:,,完全法采用完整的系統(tǒng)矩陣計算瞬態(tài)響應(yīng)（沒有矩陣縮減

7、）。它是三種方法中功能最強的，允許包括各類非線性特性（塑性、大變形、大應(yīng)變等）。,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 完全法----優(yōu)點:,,·容易使用，不必關(guān)心選擇主自由度或振型。·允許各種類型的非線性特性。·采用完整矩陣，不涉及質(zhì)量矩陣近似。·一次分析就能得到所有的位移和應(yīng)力。,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 完全法----

8、優(yōu)點:,,·允許施加所有類型的載荷：節(jié)點力、外加的（非零）位移（不建議采用）和單元載荷（壓力和溫度），還允許通過TABLE數(shù)組參數(shù)指定表邊界條件。·允許在實體模型上施加的載荷。,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 完全法----缺點:,,完全法是三種方法中最為耗時的一種。,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 模態(tài)疊加法:,,模態(tài)疊加法通過對模態(tài)分析得到的振

9、型（特征值）乘上因子并求和來計算結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。此法是 ANSYS/Professional程序中唯一可用的瞬態(tài)動力學(xué)分析法。,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 模態(tài)疊加法----優(yōu)點:,,·對于許多問題，它比縮減法或完全法更快開銷更??；·只要模態(tài)分析不采用PowerDynamics方法，通過 LVSCALE 命令將模態(tài)分析中施加的單元載荷引入到瞬態(tài)分析中；·允許考慮模態(tài)阻尼

10、。,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 模態(tài)疊加法----缺點:,,·整個瞬態(tài)分析過程中時間步長必須保持恒定，不允許采用自動時間步長；·唯一允許的非線性是簡單的點點接觸（間隙條件）；·不能施加強制位移（非零）位移。,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 縮減法:,,縮減法通過采用主自由度及縮減矩陣壓縮問題規(guī)模。在主自由度處的位移被計算出來后，AN

11、SYS可將解擴展到原有的完整自由度集上。,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 縮減法----優(yōu)點:,,比完全法求解速度快。,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 縮減法----缺點:,,·初始解只計算主自由度的位移，第二步進(jìn)行擴展計算，得到完整空間上的位移、應(yīng)力和力；·不能施加單元載荷（壓力，溫度等），但允許施加加速度。·所有載荷必須加在用戶定義

12、的主自由度上（限制在實體模型上施加載荷）。,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 縮減法----缺點:,,·整個瞬態(tài)分析過程中時間步長必須保持恒定，不允許用自動時間步長。·唯一允許的非線性是簡單的點—點接觸（間隙條件）。,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 完全法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,分析與操作步驟:,1.建造模型2.建立初始條件3.設(shè)置求解控制4.設(shè)置

13、其他求解選項5.施加載荷,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 完全法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,分析與操作步驟:,6.存儲當(dāng)前載荷步的載荷設(shè)置7.重復(fù)步驟3-6定義其他每個載荷步8.備份數(shù)據(jù)庫9.開始瞬態(tài)分析10.退出求解器11.觀察結(jié)果,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 完全法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,一、建造模型:,要指定文件名和分析標(biāo)題，然后用PREP7定義單元類型，單元

14、實常數(shù)，材料性質(zhì)及幾何模型。這些工作在大多數(shù)分析中是相似的。,要注意下面兩點：,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 完全法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,一、建造模型:,·可以用線性和非線性單元；·必須指定楊氏模量EX（或某種形式的剛度）和密度DENS（或某種形式的質(zhì)量）。材料特性可以是線性的或非線性的、各向同性的或各向異性的、恒定的或和溫度有關(guān)的。,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分

15、析—瞬態(tài)動力分析 完全法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,一、建造模型:,·網(wǎng)格密度應(yīng)當(dāng)密到足以確定感興趣的最高階振型；·對應(yīng)力或應(yīng)變感興趣的區(qū)域比只考察位移的區(qū)域的網(wǎng)格密度要細(xì)一些；,劃分合理的網(wǎng)格密度：,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 完全法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,一、建造模型:,·如果要包含非線性特性，網(wǎng)格密度應(yīng)當(dāng)密到足以捕捉到非線性效應(yīng)。例如，塑性分析要求在較大塑性變形梯度的區(qū)域

16、有合理的積分點密度（即要求較密的網(wǎng)格）；,劃分合理的網(wǎng)格密度：,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 完全法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,一、建造模型:,·如果對波傳播效果感興趣（例如，一根棒的末端準(zhǔn)確落地），網(wǎng)格密度應(yīng)當(dāng)密到足以解算出波動效應(yīng)?；緶?zhǔn)則是沿波的傳播方向每一波長至少有20個單元。,劃分合理的網(wǎng)格密度：,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 完全法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,

17、二、建立初始條件:,在執(zhí)行完全法瞬態(tài)動力學(xué)分析之前，用戶需要正確理解建立初始條件和正確使用載荷步。,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 完全法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,二、建立初始條件:,為了定義包含時間函數(shù)的載荷，用戶需要將載荷～時間關(guān)系曲線劃分成合適的載荷步。載荷～時間曲線上的每個“拐角”對應(yīng)一個載荷步，如圖所示。,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 完全法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,二

18、、建立初始條件:,第一個載荷步通常被用來建立初始條件，然后為第二和后繼瞬態(tài)載荷步施加載荷并設(shè)置載步選項。對于每個載荷步，都要指定載荷值和時間值，同時指定其它的載荷步選項，如采用階梯加載還是斜坡加載方式施加載荷以及是否使用自動時間步長等。,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 完全法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,二、建立初始條件:,然后，將每個載荷步寫入載荷步文件，最后一次性求解所有載荷步。,有限元法分析的基本理論與方法

19、,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 完全法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,二、建立初始條件:,施加瞬態(tài)載荷的第一步是建立初始條件（即零時刻時的情況）。 瞬態(tài)動力學(xué)分析要求給定兩種初始條件（因為要求解的方程是兩階的）：初始位移（ ）和初始速度（ ）,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 完全法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,二、建立初始條件:,如果沒有進(jìn)行特意設(shè)置， 和 都被假定為0。初始加速度（ ）一般假定為0，但可以通過

20、在一個小的時間間隔內(nèi)施加合適的加速度載荷來指定非零的初始加速度。,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 完全法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,二、建立初始條件:,這是缺省的初始條件，即如果 　= =0，則不需要指定任何條件。在第一個載荷步中可以加上對應(yīng)于載荷/時間關(guān)系曲線的第一個拐角處的載荷。,零初始位移和零初始速度,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 完全法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,二、建立初始

21、條件:,可以用IC命令設(shè)置這些初始條件。命令：ICGUI：Main　Menu>Solution>-Loads-Apply>Initial　Condit’n>Define,非零初始位移及/或非零初始速度,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 完全法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,二、建立初始條件:,注意：不要定義矛盾的初始條件。例如，在某單一自由度處定義了初始速度，則在所有其它自由度處的初始速度

22、將為0.0 ，潛在地會產(chǎn)生沖突的初始條件。,非零初始位移及/或非零初始速度,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 完全法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,二、建立初始條件:,注意：在大多數(shù)情形下,要在模型的每個未約束自由度處定義初始條件。,非零初始位移及/或非零初始速度,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 完全法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,二、建立初始條件:,非零速度是通過對結(jié)構(gòu)中需指定速度的部分加上

23、小時間間隔上的小位移來實現(xiàn)的。比如如果 　=0.25，可以通過在時間間隔0.004內(nèi)加上0.001的位移來實現(xiàn)，命令流如下：,零初始位移和非零初始速度,有限元法分析的基本理論與方法,...TIMINT,OFF!　Time　integration　effects　offD,ALL,UY,.001!　Small　UY　displ.　(assuming　Y-direction　velocity)TIME,.004!　Initial　ve

24、locity　=　0.001/0.004　=　0.25LSWRITE!　Write　load　data　to　load　step　file　(Jobname.S01)DDEL,ALL,UY!　Remove　imposed　displacementsTIMINT,ON!　Time　integration　effects　on...,,零初始位移和非零初始速度 ----命令流:,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)

25、動力分析 完全法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,二、建立初始條件:,和上面的情形相似，不過施加的位移是真實數(shù)值而非“小”數(shù)值。比如，若 　=　1.0且 　=　2.5，則應(yīng)當(dāng)在時間間隔0.4內(nèi)施加一個值為1.0的位移：命令流如下：,非零初始位移和非零初始速度,有限元法分析的基本理論與方法,... TIMINT,OFF!　Time　integration　effects　offD,ALL,UY,1.0!　Initial　displacement　

26、=　1.0TIME,.4!　Initial　velocity　=　1.0/0.4　=　2.5LSWRITE!　Write　load　data　to　load　step　file　(Jobname.S01)DDELE,ALL,UY!　Remove　imposed　displacementsTIMINT,ON!　Time　integration　effects　on...,,非零初始位移和非零初始速度 ----命令流:,有限元法分

27、析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 完全法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,二、建立初始條件:,需要用兩個子步[NSUBST,2]來實現(xiàn).所加位移在兩個子步間是階躍變化的[KBC,1]。如果位移不是階躍變化的（或只用一個子步），所加位移將隨時間變化，從而產(chǎn)生非零初速度。下面的例子演示了如何施加初始條件 　=1.0， =0.0：,非零初始位移和零初始速度,有限元法分析的基本理論與方法,...TIMINT,OFF!　Time　int

28、egration　effects　off　for　static　solutionD,ALL,UY,1.0!　Initial　displacement　=　1.0TIME,.001!　Small　time　intervalNSUBST,2!　Two　substepsKBC,1!　Stepped　loadsLSWRITE!　Write　load　data　to　load　step　file　(Jobname.S01),,非零初始位

29、移和零初始速度 ----命令流:,有限元法分析的基本理論與方法,!transient　solutionTIMINT,ON!　Time-integration　effects　on　for　transient　solutionTIME,...!　Realistic　time　intervalDDELE,ALL,UY!　Remove　displacement　constraintsKBC,0!　Ramped　loads　(if　ap

30、propriate)!Continue　with　normal　transient　solution　procedures...,,非零初始位移和零初始速度 ----命令流:,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 完全法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,二、建立初始條件:,可以近似地通過在小的時間間隔內(nèi)指定要加的加速度[ACEL]實現(xiàn)。例如，施加初始加速度為9.81的命令如下：,非零初始加速度,有限元法分析的基本理論與

31、方法,...ACEL,,9.81!　Initial　Y-direction　accelerationTIME,.001!　Small　time　intervalNSUBST,2!　Two　substepsKBC,1!　Stepped　loadsLSWRITE!　Write　load　data　to　load　step　file　(Jobname.S01),,非零初始加速度 ----命令流:,有限元法分析的基本理論與方法,!tr

32、ansient　solutionTIME,...!　Realistic　time　intervalDDELE,...!　Remove　displacement　constraints　(if　appropriate)KBC,0!　Ramped　loads　(if　appropriate)!Continue　with　normal　transient　solution　procedures...,,非零初始加速度 ----命令流

33、:,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 完全法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,三、設(shè)置求解控制:,設(shè)置求解控制涉及定義分析類型、分析選項以及載荷步設(shè)置。執(zhí)行完全法瞬態(tài)動力學(xué)分析，可以使用求解控制對話框進(jìn)行這些選項的設(shè)置。求解控制對話框提供大多數(shù)結(jié)構(gòu)完全法瞬態(tài)動力分析所需要的缺省設(shè)置，即用戶只需要設(shè)置少量的必要選項。,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 完全法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,三、設(shè)置求解

34、控制:,如果完全瞬態(tài)動力分析需要初始條件，必須在分析的第一個載荷步進(jìn)行，然后反復(fù)利用求解控制對話框為后續(xù)荷步設(shè)置載載荷步選項（即重復(fù)求解的3-6步）。,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 完全法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,四、施加載荷:,下表總結(jié)了瞬態(tài)動力分析允許施加的載荷。除慣性載荷外，其他載荷可以施加到實體模型（關(guān)鍵點、線和面）或有限元模型（節(jié)點和單元）上。,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬

35、態(tài)動力分析 完全法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,四、施加載荷:,下表總結(jié)了瞬態(tài)動力分析允許施加的載荷。除慣性載荷外，其他載荷可以施加到實體模型（關(guān)鍵點、線和面）或有限元模型（節(jié)點和單元）上。,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 完全法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,五、存儲當(dāng)前載荷步的載荷配置:,如建立初始條件中所述，需要針對載荷-時間曲線的每個拐點進(jìn)行施加載荷并存儲載荷配置到各自的載荷步文件。命令：LSWRITEGUI：

36、Main　Menu>Solution>Write　LS　File,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 完全法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,六、針對每個載荷步重復(fù)三～六:,定義完全法瞬態(tài)動力分析的其他載荷步，只要重復(fù)三～六步驟，即重新設(shè)置必須的求解控制和選項、施加載荷和將載荷配置寫進(jìn)文件。,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 完全法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,七、存儲數(shù)據(jù)庫備份文件:,

37、將數(shù)據(jù)庫保存到備份文件。這樣在重新進(jìn)入ANSYS程序后用命令RESUME便可恢復(fù)以前的模型。命令：SAVEGUI：Utility　Menu>File>Save　as,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 完全法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,八、瞬態(tài)求解:,使用下列其中一種方法進(jìn)行求解：命令：LSSOLVEGUI：　Main　Menu>Solution>-Solve-From　LS　Fil

38、es,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 完全法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,九、退出求解器:,使用下列其中一種方法退出求解器：命令：FINISHGUI：關(guān)閉Solution菜單,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 完全法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,十、觀察結(jié)果:,瞬態(tài)動力學(xué)分析生成的結(jié)果保存在結(jié)構(gòu)分析結(jié)果文件Jobname.RST中，所有數(shù)據(jù)都是時間的函數(shù)。包含下列數(shù)據(jù)：,有限元法分析的基

39、本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 完全法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,十、觀察結(jié)果:,1.基本數(shù)據(jù)：·節(jié)點位移（UX,UY,UZ,ROTX,ROTY,ROTZ）2.派生數(shù)據(jù)：·節(jié)點和單元應(yīng)力·節(jié)點和單元應(yīng)變·單元力·節(jié)點反力等等,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 完全法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,十一、后處理器:,可以用時間歷程后處理器POST2

40、6或者通用后處理器POST1來觀察這些結(jié)果。·POST26用于觀察模型中指定點處隨時間變化的結(jié)果。·POST1用于觀察指定時間點整個模型的結(jié)果。,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 完全法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,十二、注意要點:,·用POST1或POST26觀察結(jié)果時，數(shù)據(jù)庫中必須包含與求解模型相同的模型。·必須存在有效的結(jié)果文件Jobname.RST。,有限元法分

41、析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 模態(tài)疊加法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,模態(tài)疊加法通過乘以放大系數(shù)后的振型（從模態(tài)分析得到）,疊加求和來計算結(jié)構(gòu)的動力學(xué)響應(yīng)。,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 模態(tài)疊加法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,分析與操作步驟:,1.建造模型；2.獲取模態(tài)解；3.獲取模態(tài)疊加法瞬態(tài)分析解；4.擴展模態(tài)疊加解；5.觀察結(jié)果。,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析

42、—瞬態(tài)動力分析 模態(tài)疊加法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,一、 建造模型:,模態(tài)疊加法瞬態(tài)動力分析的建立模型與完全法一致。,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 模態(tài)疊加法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,二、獲取模態(tài)解:,“模態(tài)分析”中已經(jīng)介紹過獲取模態(tài)解的方法，這里必須注意下面幾點：,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 模態(tài)疊加法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,二、獲取模態(tài)解:,·模態(tài)提取法應(yīng)為子空間

43、法，分塊Lanczos法（缺?。?、縮減法、子空間法、PowerDynamics法或QR法（非對稱法或阻尼法不能用于模態(tài)疊加法）。,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 模態(tài)疊加法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,二、獲取模態(tài)解:,·務(wù)必提取出可能對動力學(xué)響應(yīng)有貢獻(xiàn)的所有模態(tài)；·如果采用縮減法提取模態(tài)，則一定要在那些定義了力和間隙條件的節(jié)點處指定主自由度；,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分

44、析—瞬態(tài)動力分析 模態(tài)疊加法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,二、獲取模態(tài)解:,·如果使用QR法提取模態(tài)，必須在前處理或模態(tài)分析過程中指定所需阻尼（在模態(tài)疊加法瞬態(tài)動力分析中指定的阻尼將被忽略）。,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 模態(tài)疊加法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,二、獲取模態(tài)解:,·如果有位移約束，指定之。如果約束是在模態(tài)疊加法的瞬態(tài)分析求解過程中指定的而不是在模態(tài)分析求解中指定，這些約束將被忽略。

45、,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 模態(tài)疊加法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,二、獲取模態(tài)解:,·如果在瞬態(tài)動力學(xué)分析中需要單元載荷（壓力、溫度、加速度等等），則必須在模態(tài)分析中施加它們。這些載荷在模態(tài)分析中將被忽略，但程序會計算出一個載荷向量并將其寫入振型文件（Jobname.MODE），然后可以在瞬態(tài)分析中用這個載荷向量。,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 模態(tài)疊加法瞬態(tài)

46、動力學(xué)分析:,,二、獲取模態(tài)解:,·模態(tài)疊加法不要求擴展模態(tài)。（但如果要觀察振型，則必須擴展振型。）；·在模態(tài)分析與瞬態(tài)分析之間不能改變模型數(shù)據(jù)（例如節(jié)點旋轉(zhuǎn)）。,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 模態(tài)疊加法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,三、獲取模態(tài)疊加法瞬態(tài)分析解:,在這一步中，程序利用從模態(tài)分析得到的振型來計算瞬態(tài)響應(yīng)。注意要點 ：,·振型文件（Jobname.MODE）必須存在

47、；·數(shù)據(jù)庫中必須包含和模態(tài)分析所用模型相同的模型。,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 模態(tài)疊加法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,三、獲取模態(tài)疊加法瞬態(tài)分析解:,主要步驟：,1.進(jìn)入SOLUTION。命令：/SOLUGUI：Main　Menu>Solution,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 模態(tài)疊加法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,三、獲取模態(tài)疊加法瞬態(tài)分析解:,主要步驟：

48、,2.定義分析類型和分析選項。除以下差別外，該步驟完全法中分析選項的基本相同：,有限元法分析的基本理論與方法,,三、獲取模態(tài)疊加法瞬態(tài)分析解:,主要步驟：2,·不能使用求解控制對話框定義模態(tài)疊加法瞬態(tài)分析類型和分析設(shè)置。不能使用求解控制對話框定義模態(tài)疊加法瞬態(tài)分析的分析類型和分析設(shè)置，而應(yīng)當(dāng)利用標(biāo)準(zhǔn)序列的ANSYS求解命令和對應(yīng)菜單進(jìn)行設(shè)置。,區(qū)別（與完全法比較）,有限元法分析的基本理論與方法,,三、獲取模態(tài)疊加法瞬態(tài)分析解:

49、,主要步驟：2,·一旦指定模態(tài)疊加法瞬態(tài)分析，對應(yīng)的求解菜單就會出現(xiàn)。求解菜單可能處于壓縮或展開狀態(tài)，完全取決于上次ANSYS求解的菜單狀態(tài)。壓縮菜單包僅僅含模態(tài)疊加法瞬態(tài)分析的有效選項和/或建議選項。如果處于壓縮菜單狀態(tài)，希望訪問其他求解選項，就選擇求解器中的“Unabridged　Menu(展開)”菜單。,區(qū)別（與完全法比較）,有限元法分析的基本理論與方法,,三、獲取模態(tài)疊加法瞬態(tài)分析解:,主要步驟：2,·指定準(zhǔn)

50、備用于求解的模態(tài)數(shù)[TRNOPT]。這個數(shù)目決定了瞬態(tài)分析解的精度。至少應(yīng)當(dāng)包含預(yù)計將對動力學(xué)響應(yīng)有影響的所有模態(tài)。例如，如果希望激活較高階頻率，指定的模態(tài)數(shù)應(yīng)當(dāng)包括較高階模態(tài)。缺省情形下采用在模態(tài)分析中計算出的所有模態(tài)。,區(qū)別（與完全法比較）,有限元法分析的基本理論與方法,,三、獲取模態(tài)疊加法瞬態(tài)分析解:,主要步驟：2,·如果不需要使用剛體（零頻率）模態(tài)，使用 TRNOPT 命令的 MINMODE 強制跳過它們。·

51、;不可用非線性選項[NLGEOM,SSTIF,NROPT]。,區(qū)別（與完全法比較）,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 模態(tài)疊加法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,三、獲取模態(tài)疊加法瞬態(tài)分析解:,主要步驟：,3.如果有間隙條件，就定義間隙。間隙條件只可以指定在兩個主節(jié)點之間或主節(jié)點與基礎(chǔ)之間。在使用非縮減法時，一主自由度就是一個非約束的激活自由度。,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 模態(tài)疊

52、加法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,三、獲取模態(tài)疊加法瞬態(tài)分析解:,主要步驟：,3.如果有間隙條件，就定義間隙。命令：GPGUI：Main　Menu>Solution>Dynamic　Gap　Cond>Define,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 模態(tài)疊加法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,三、獲取模態(tài)疊加法瞬態(tài)分析解:,主要步驟：,4. 在模型上施加載荷。在模態(tài)疊加法瞬態(tài)動力學(xué)分析中有下列加載限制：,有限

53、元法分析的基本理論與方法,,三、獲取模態(tài)疊加法瞬態(tài)分析解:,主要步驟：4,·可施加的載荷有力、平移加速度和模態(tài)分析中生成的載荷向量。外加的非零位移將被忽略?？梢杂肔VSCALE命令（GUI途徑 Main　Menu>Solution>-Loads-Apply>Load　Vector>For　Mode　Super）來施加在模態(tài)分析中生成的載荷向量。,限制：,有限元法分析的基本理論與方法,,三、獲取模態(tài)疊加法

54、瞬態(tài)分析解:,主要步驟：4,·如果使用縮減法提取的模態(tài)振型，則力只能加在主自由度上。·如果在瞬態(tài)分析中要用多載荷步來定義加載歷程，那么第一個載荷步用于建立初始條件，第二個和后繼的載荷步用于瞬態(tài)加載。,限制：,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 模態(tài)疊加法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,三、獲取模態(tài)疊加法瞬態(tài)分析解:,主要步驟：,5.建立初始條件。唯一要明確地建立的初始條件是初始位移。一般總要以一次

55、使用給定載荷的靜力學(xué)求解作為初始求解。,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 模態(tài)疊加法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,三、獲取模態(tài)疊加法瞬態(tài)分析解:,主要步驟：,6.執(zhí)行命令LSWRITE將第一個載荷步寫入載荷步文件(Jobname.S01）。命令：LSWRITEGUI：Main　Menu>Solution>-Solve-Write　LS　File,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)

56、動力分析 模態(tài)疊加法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,三、獲取模態(tài)疊加法瞬態(tài)分析解:,主要步驟：,7.指定瞬態(tài)載荷部分的載荷和載荷步選項，將每一個載荷步寫入一個載荷步文件[LSWRITE]。,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 模態(tài)疊加法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,三、獲取模態(tài)疊加法瞬態(tài)分析解:,主要步驟：,8.在模態(tài)分析階段，如果你選用分塊Laczos法（缺省）和子空間法，通過命令OUTRES,NSOL用節(jié)點分量來限制寫進(jìn)縮

57、減位移文件Jobname.RDSP的位移數(shù)據(jù)。,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 模態(tài)疊加法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,三、獲取模態(tài)疊加法瞬態(tài)分析解:,主要步驟：,9.保存數(shù)據(jù)庫到備份文件。命令：SAVEGUI：Utility　Menu>File>Save　as,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 模態(tài)疊加法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,三、獲取模態(tài)疊加法瞬態(tài)分析解:,主要步驟

58、：,10.開始瞬態(tài)分析求解。命令：LSSOLVEGUI：Main　Menu>Solution>-Solve-From　LS　Files,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 模態(tài)疊加法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,三、獲取模態(tài)疊加法瞬態(tài)分析解:,主要步驟：,11.離開SOLUTION。命令：FINISHGUI：關(guān)閉Solution菜單,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析

59、 模態(tài)疊加法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,四、擴展模態(tài)疊加解:,擴展處理的步驟和在縮減法中描述的相同。如果模態(tài)分析中用了縮減法，則擴展處理需要Jobname.TRI文件。擴展處理的輸出有結(jié)構(gòu)分析結(jié)果文件Jobname.RST，其中包含已擴展的結(jié)果。,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 模態(tài)疊加法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,五、觀察結(jié)果:,結(jié)果由用于擴展解的每一個時間點處的位移，應(yīng)力和反作用力組成?？梢杂肞OST26或POST

60、1觀察這些結(jié)果，正如在完全法中所述的那樣。,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 縮減法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,縮減（Reduced）法是用縮減矩陣來計算動力學(xué)響應(yīng)，在ANSYS/Multiphysics，ANSYS/Mechanical及ANSYS/Structural中均可采用。,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 縮減法瞬態(tài)動力學(xué)分析:,,分析與操作步驟:,1.建造模型；2.

61、獲取縮減解；3.觀察縮減法求解結(jié)果；4.擴展解（擴展處理）；5.觀察已擴展解的結(jié)果。,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析瞬態(tài)分析的關(guān)鍵技術(shù)細(xì)節(jié),,,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析瞬態(tài)分析的關(guān)鍵技術(shù)細(xì)節(jié),,瞬態(tài)分析的關(guān)鍵技術(shù)細(xì)節(jié)有：定義合理的積分時間步長、自動時間步長和阻尼等。,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析瞬態(tài)分析的關(guān)鍵技術(shù)細(xì)節(jié),,積

62、分時間步長選取準(zhǔn)則：,瞬態(tài)分析求解的精度取決于積分時間步長的大?。簳r間步長越小，精度越高。太大的積分時間步長將引發(fā)會影響較高階模態(tài)的響應(yīng)（從而影響整體響應(yīng)）的誤差。太小的時間積分步長將浪費計算機資源。,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析瞬態(tài)分析的關(guān)鍵技術(shù)細(xì)節(jié),,積分時間步長選取準(zhǔn)則：,1.解算響應(yīng)頻率時，時間步長應(yīng)當(dāng)足夠小以能求解出結(jié)構(gòu)的運動（響應(yīng)）。2.解算所加載荷/時間關(guān)系曲線時，時間步長應(yīng)當(dāng)小到足以

63、“跟隨”載荷函數(shù)。3.解算接觸頻率時，在涉及接觸（碰撞）問題中，時間步長應(yīng)小到足以捕捉到兩個接觸表面之間的動量傳遞。,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析瞬態(tài)分析的關(guān)鍵技術(shù)細(xì)節(jié),,積分時間步長選取準(zhǔn)則：,4.解算波傳播時，如對波傳播效果感興趣，則時間步長應(yīng)小到當(dāng)波在單元之間傳播時足以捕捉到波動效應(yīng)。 5.解算非線性時，大部分問題要求滿足前面四個準(zhǔn)則的時間步長就可捕捉到非線性行為，但也有少數(shù)例外情形：當(dāng)結(jié)構(gòu)

64、在載荷作用下趨于剛化，則必須求解被激活的高階模態(tài)。,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析瞬態(tài)分析的關(guān)鍵技術(shù)細(xì)節(jié),,積分時間步長選取準(zhǔn)則：,避免使用過小的時間步長，特別是建立初始條件時，因為過小的數(shù)值可能引起數(shù)值計算困難。例如，基于計算時間大小而言，小于相對 數(shù)量級的時間步長就會引起數(shù)值計算困難。,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析瞬態(tài)分析的關(guān)鍵技術(shù)細(xì)節(jié),,積分時間步長選取準(zhǔn)則

65、：,在用合適的準(zhǔn)則計算出時間步長后，在具體分析中應(yīng)該用最小的步長值?？梢圆捎米詣訒r間步長來讓ANSYS程序決定在求解中何時增大或減小時間步長。,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析瞬態(tài)分析的關(guān)鍵技術(shù)細(xì)節(jié),,自動時間步長：,自動時間步長（也稱作時間步長優(yōu)化）試圖按響應(yīng)頻率和非線性效果來調(diào)整求解期間的積分時間步長。此特征的主要好處是可以減少子步的總數(shù)，從而節(jié)省計算機資源。,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元

66、案例分析—瞬態(tài)動力分析瞬態(tài)分析的關(guān)鍵技術(shù)細(xì)節(jié),,自動時間步長：,同理，采用自動時間步長可以大大減少可能需要進(jìn)行重新分析（調(diào)節(jié)時間步長，非線性，等）的次數(shù)。,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析瞬態(tài)分析的關(guān)鍵技術(shù)細(xì)節(jié),,自動時間步長：,如果存在非線性，自動時間步長還會帶來另外一個好處：適當(dāng)?shù)卦黾虞d荷并在達(dá)不到收斂時回溯到先前收斂的解（二分法）。可以用命令A(yù)UTOTS激活自動時間步長。,有限元法分析的基本理論與

67、方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析瞬態(tài)分析的關(guān)鍵技術(shù)細(xì)節(jié),,阻尼：,大多數(shù)系統(tǒng)中存在阻尼，而且在動力學(xué)分析中應(yīng)當(dāng)指定阻尼。在ANSYS程序可以指定五種形式的阻尼：,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析瞬態(tài)分析的關(guān)鍵技術(shù)細(xì)節(jié),,阻尼：,·Aplha和Beta阻尼（Rayleigh阻尼）·和材料相關(guān)的阻尼·恒定的阻尼比·振型阻尼·單元阻尼,有限元法分

68、析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析瞬態(tài)分析的關(guān)鍵技術(shù)細(xì)節(jié),,阻尼：,在ANSYS/Professional程序中只有恒定阻尼比和振型阻尼可用。可以在模型中指定多種形式的阻尼，程序按所指定的阻尼之和形成阻尼矩陣[C]。下表列出了在不同結(jié)構(gòu)分析中可用的阻尼類型。,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析 瞬態(tài)分析的操作步驟視頻,,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析

69、瞬態(tài)動力學(xué)分析實例,,如圖所示板-梁結(jié)構(gòu)，板件上表面施加隨時間變化的均布壓力，計算在下列已知條件下結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)響應(yīng)情況。壓力載荷與時間的關(guān)系曲線見圖所示。,有限元法分析的基本理論與方法,★ 有限元案例分析—瞬態(tài)動力分析瞬態(tài)動力學(xué)分析實例,,全部采用A3鋼材料，特性：楊氏模量=2e11 泊松比=0.3密度=7.8e3 板殼：厚度=0.02 四條腿（梁）的幾何特性：截面面積=2e-4 慣性矩=2e-8 寬度=0.01