ansys瞬态分析PPT.ppt

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,ANSYS80,瞬态分析段志东制作,培训手册,瞬态动力分析,段志东制作,瞬态动力分析,A.,瞬态动力分析的定义和目的,B.,瞬态分析的基本术语和概念,C.,在,ANSYS,中如何进行瞬态分析,D.,瞬态分析实例,瞬态分析,定义和目的,什么是瞬态动力分析,?,分析结构在任意随时间变化载荷作用下的响应的技术,输入数据,作为时间函数的载荷（稍候详细说明）,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,瞬态分析,定义和目的,瞬态动力分析用在以下的设计中：,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：便携式电话、笔记本电脑和真空吸尘器等,瞬态分析,B.,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,瞬态分析,术语和概念,运动方程,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,在瞬态动力分析中，不同的分析方法允许包括各种类型的非线性特性（大变形、接触、塑性等）,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,完全法,缩减法,完全法,缩减法,瞬态分析,术语和概念,求解方法,运动方程的两种求解法：,模态叠加法（稍候做专题讨论）,直接积分法,运动方程直接对时间分步积分，并在每个时间点,(time=0,D,t,2,D,t,3,D,t,.),求解一组同时发生的静态平衡方程,(F=ma),提供了不同的积分方法：比如,Central difference,Average acceleration,Houbolt,Wilson,Q,Newmark,等,ANSYS,用,Newmark,积分方法：,不同的,a,和,d,值将导致积分方法的变化（,显式/隐式,/,平均加速度,)，ansys,可以使用替代参数,(gamma),只要将,设置为大于0的数，则方程就是无条件稳定的。通常设置,为0.005。,Newmark,是一种隐式方法。,ANSYS/LS-DYNA,使用显式方法（向前差分时间积分）。见第一章关于隐式和显式的讨论。,瞬态分析,-,术语和概念,求解方法,瞬态分析,-,术语和概念,求解方法,求解时即可用缩减结构矩阵，也可用完整结构矩阵。,缩减法,用于快速求解,不允许非线性,(,除间隙之外,),根据主自由度写出,K、C,和,M,等矩阵，主自由度是所有自由度的一个子集,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，但不在此讲座讨论,完全法,不进行缩减。,采用完整的,K、C,和,M,矩阵,允许非线性特性,在本手册中的全部讨论都是基于此种方法,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,D,t,）是时间积分法中的一个重要概念,ITS,是从一个时间点到另一个时间点的时间增量,D,t,积分时间步长决定求解的精确度，因而其数值应仔细选取,瞬态分析中，对于缩减法和模态叠加法，,ITS,是一个常数,瞬态分析中，对于完全法,在使用者定义的范围（以后讨论）内，,ANSYS,能够,自动调节,时间步长,积分时间步长（,ITS）,应小到足够获取下列数据：,响应频率,接触频率（如果存在的话）,波传播效应（如果存在的话）,非线性响应,(,塑性、蠕变和接触状态,),瞬态分析,-,术语和概念,积分时间步长,瞬态分析-术语和概念,积分时间步长,响应频率,不同类型载荷会在结构中激发不同的自然频率,响应频率是载荷引起全部频率的加权频率,ITS,应足够小到获取所关心的最高响应频率,每个循环中有20个时间点应是足够的，即：,D,t=1/20f,式中,f,是所关心的响应频率,响应周期,响应频率,(,接上页,),求解时，完全法给出响应频率和在每个周期的点数,目的是保持每个周期20个点,ANSYS,自动增加或减少,ITS,来保证每个周期默认有20个点。,需要加速度结果时,ITS,要更小些,瞬态分析-术语和概念,积分时间步长,瞬态分析,-,术语和概念,积分时间步长,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,应足够小到获取间隙“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，比此更大的,ITS,会造成能量损失，并且冲击可能不是完全弹性的,求解过程中，将给出响应频率和接触频率,瞬态分析-术语和概念,积分时间步长,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,ANSY,S-LS/DYNA,采用）可能对此更为适用,非线性响应,完全法的瞬态分析能够包含各种非线性特性,非线性特性可以归纳为3种类型,:,材料非线性,(,塑性、,蠕变、,超弹性,),几何非线性,(,大应力、大转角、屈曲,),单元非线性(接触,缆绳,),在每个时间点，非线性要求迭代求解,这些迭代被称为平衡迭代,瞬态分析-术语和概念,积分时间步长,非线性响应,(,接上页,),一般小的,ITS,有助于快速收敛,塑性、蠕变和摩擦非线性本质上是非保守的。这些非线性要求精确的加载历程。小的,ITS,有助于精确描述加载历程。,捕捉接触状态也要求小的,ITS,瞬态分析-术语和概念,积分时间步长,At time,=t,At time=,t+,D,t,非线性响应,(,接上页,),球撞击平板例子,在大的,D,t,时，球穿透平板,如果球穿透过多（超过球半径），接触将探测不到,瞬态分析-术语和概念,积分时间步长,怎样选择一个好的,ITS,呢？,ANSYS,推荐的办法是激活自动时间步长,(AUTOTS)，,然后提供,D,t,initial、,D,t,min,和,D,t,max,。ANSYS,用自动时间步长算法决定最优的,D,t,值,例如：如果,AUTOTS,开始时是,D,t,initial,=1,秒,D,t,min,=0.01,秒,并且,D,t,max,=10,秒,;ANSYS,开始计算时,ITS=1,秒，并且允许,ITS,的值在,0.01,和,10,之间变化,瞬态分析-术语和概念,积分时间步长,完全瞬态分析时，,AUTOTS,默认为打开。缩减法和模态迭加法时，不允许使用,AUTOTS,AUTOTS,在下列情况下将减少,ITS(,不小于,D,t,min,):,在响应频率少于20个点时,求解不收敛,非线性迭代次数增加（收敛缓慢）,在一个时间步内塑性应变累积超过,15%,蠕变率超过0,.1,如果接触状态将改变,(,大部分的接触单元的,KEYOPT(7),来控制,),瞬态分析-术语和概念,积分时间步长,瞬态分析,C.,步骤,在此节中只讨论,FULL,方法,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,瞬态分析步骤,建 模,模型,允许所有各种非线性,必须指定系统的杨式模量或某种形式的刚度,必须指定密度或某种形式的质量,其余建模要求同其它分析,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,选择完全瞬态求解,求解选项,-,将在下面讨论,阻尼,将在下面讨论,求解方法,选择大位移或小位移分析方法,不确定时，选择大位移瞬态分析法,瞬态分析步骤,选择分析类型和选项,指定输出控制（后面讨论）,指定加载步结束时的时间,自动时间步长（后面讨论）,指定初始时当前载荷步最小和最大值,D,t,自动时间步长,在瞬态分析时，自动计算合适的,ITS,建议选中该选项，并且指定最小和最大的,ITS,值,如果有非线性，选中,“Program Chosen”,选项,注意,:,总体求解控制选项,SOLCONTROL,缺省为打开。建议不要更改。更重要的是，在两个载荷步之间不要改动该选项,瞬态分析步骤,选择分析类型和选项,输出控制,用来决定结果文件中写进哪些计算结果。,使用,OUTRES,命令或主菜单选择,Solution Soln Control.Basic,典型的选择是将每个子步的所有结果都写入结果文件,允许结果相对时间的拟合曲线图,可能导致结果文件变大,瞬态分析步骤,选择分析类型和选项,打开/关闭瞬态效果,对提供初始条件有作用（后面讨论）,斜坡载荷或阶梯加载,指定阻尼（后面讨论）,时间积分参数使用缺省值,瞬态分析步骤,选择分析类型和选项,瞬态分析步骤,选择分析类型和选项,阻尼,阻尼和,b,阻尼两者均可以用,在大多数情况下，忽略,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,x,为阻尼比，,w,为主要响应频率,（rad/sec）,材料阻尼,(,即橡胶,),和单元阻尼,(,即减震器,),都可以使用。,瞬态分析步骤,选择分析类型和选项,选择求解器,ANSYS,默认选择,Sparse,求解器,对大的问题,(100000,个自由度,),使用,PCG,求解器,可参考谐波分析中对求解器的说明,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,瞬态分析步骤,规定边界条件和初始条件,初始条件,瞬态分析要求指定初始位移,(u,0,),和初始速度,(v,0,),缺省值,u,0,=v,0,=a,0,=0,可能要求非零初始条件的实例,飞机着陆装置,(v,0,0),高尔夫球棒击球,(v,0,0),物体跌落试验,(u,0,=v,0,=0,a0,0).,瞬态分析步骤,规定边界条件和初始条件,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,(u,0,，,已知,v,0,=0),用于需要施加非零初始加速度时,使用,IC,命令,Solution Loads-Apply Initial Condit,n Define+,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,瞬态分析步骤,规定边界条件和初始条件,实例,-,物体从静止状态下落,这种情况,a,0,=g（,重力加速度）,u,0,=v,0,=0,采用静载荷步法,载荷步,1:,关闭瞬态效应。用,TIMINT，OFF,命令或,Solution Soln Control Transient Transient Effects,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，,v,0,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,瞬态分析步骤,规定边界条件和初始条件,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,Acel,t,0.0005,0.001,Load step 1,Application of Temporal Acceleration,瞬态分析步骤,规定边界条件和初始条件,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,u,0,0，v,0,=0,用静载荷步法。,载荷步,1:,关闭瞬态效应。用,TIMINT，OFF,命令或,Solution Soln Control Transient Transient Effects,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，,v,0,就将是非零的）,在梁的自由端施加所要求的非零位移,求解,瞬态分析步骤,规定边界条件和初始条件,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,瞬态分析步骤,规定边界条件和初始条件,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，这时初始条件为,v,0,0。,同时又假定,u,0,=a,0,=0,在这种情况下使用,IC,命令法是方便的,选择球棒上的全部节点,用,IC,命令施加初始速度或,选择,Solution Loads-Apply Initial Conditn Define+,选用全部节点,选择方向并输入速度值,激活全部节点,规定终止时间，施加其它载荷条件（如果存在的话），然后求解,瞬态分析步骤,规定边界条件和初始条件,实例,承受冲击载荷的固定平板,此种情况下,u,0,=v,0,=a,0,=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,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,这类载荷有三种施加方法,:,函数工具,表数组输入法,多载荷步施加法,Load,t,Load,t,Load,t,瞬态分析步骤,施加时间-历程载荷并求解,函数工具,允许施加复杂的边界条件。选择,Solution Loads-Apply Functions-Define/Edit,建议,：如果边界条件可以直接用表数组法表示就不要使用函数工具,在,the Basic Analysis Guide,中的,“Applying Loads Using Function Boundary Conditions”,可以得到更多的信息。,瞬态分析步骤,施加时间-历程载荷并求解,表数组输入法,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,很方便，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,例如，要施加下图所示的力随时间变化曲线,:,1.,选择,Solution Loads-Apply Force/Moment On Nodes,然后拾取所需节点,0.5,Force,t,22.5,10,1.0,1.5,瞬态分析步骤,施加时间-历程载荷并求解,2.选择力方向和,“New table”,然后,OK,3.,输入表名和行数（时间点的数量），然后,OK,4.,填入时间和载荷值，然后,File Apply/Quit,瞬态分析步骤,施加时间-历程载荷并求解,5.规定终止时间和积分时间步长,Solution Time/Frequenc Time-Time Step,不必指定载荷的阶梯或线性递增条件，这已包含在载荷曲线中,6.,激活自动时间步，规定输出控制，然后求解（稍后讨论）,瞬态分析步骤,施加时间-历程载荷并求解,表加载关键命令流：,*,dim,zaihe,table,5,1,time,force,zaihe(1,0)=0,0.5,1.0,1.001,1.5,zaihe(1,1)=0,22.5,10,0,0,*vplot,zaihe(1,0),zaihe(1,1),！,加载,*,do,I,0,1.5,0.1,time,I,f,node,fz,zaihe(I),solve,*enddo,0.5,Force,t,22.5,10,1.0,1.5,瞬态分析步骤,施加时间-历程载荷并求解,多载荷步法,允许在单个的载荷步中施加载荷时间曲线中的部分载荷,数组参数，只需施加每段载荷并且求解该载荷步或者将其写入一个载荷步文件中,(LSWRITE),再一次求解,瞬态分析步骤,施加时间-历程载荷并求解,实例,，,施加前面所述的力随时间变化曲线,:,1.,对施加方法作出计划，这种情况需用三个载荷步：一个为递增线性载荷，一个为递减线性载荷，另一个为阶跃式的撤销载荷,Force,t,22.5,10,0.5,1.0,1.5,定义载荷步,1：,在要求的节点上施加,22.5,单位的力。,规定施加此力的终止时间,(0.5)，,指出时间步长和线性载荷,激活自动时间步功能,*，,规定输出控制,*，,或进行求解，或,将此载荷步写入载荷步文件中,time,0.5,f,node,fz,22.5,nsubst,kbc=0,outres,lswrite,瞬态分析步骤,施加时间-历程载荷并求解,3.定义载荷步,2:,改变力值为,10.0。,规定终止时间,(1.0)。,不必重新指定积分时间步长或线性载荷条件。,求解或将此载荷步写入载荷步文件中。,4.,定义载荷步,3:,删除力或将其值设置为零。,规定终止时间,(1.5),并阶梯加载。,求解或将此载荷步写入载荷步文件中,瞬态分析步骤,施加时间-历程载荷并求解,求解,采用,SOLVE,命令（或者，如果已写成了结果文件，则采用,LSSOLVE,）,在每个时间子步，,ANSYS,按照载荷-时间曲线计算载荷值,瞬态分析步骤,察看结果,建模,选择分析类型和选项,指定边界和初始条件,施加时间-历程载荷并求解,察看结果,由三步构成,:,绘制结构中某些特殊点的结果-时间曲线,确定临界时间点,(,通常是峰值响应,),察看在这些临界时间点处整个结构上的结果,采用,POST26，,时间-历程后处理器,采用,POST1，,通用后处理器,瞬态分析步骤,察看结果,-POST26,绘制结果-时间曲线,:,首先定义,POST26,的变量,节点或单元数据列表,用一个,2,的编号来识别,变量,1,含有各时间点，程序自动定义的,瞬态分析步骤,察看结果,-POST26,定义变量,（,接上页）,拾取那些变形最大的节点，然后选择自由度的方向,更新变量定义表,瞬态分析步骤,察看结果,-POST26,变量一旦已定义，就可以对它们绘图或列表,在时间范围内的响应曲线图,变量名,画变量,瞬态分析步骤,察看结果,-POST26,确定临界点,采用各种极值列表（,List Extremes）,菜单,记下发生最小和最大值时的时间点,瞬态分析步骤,察看结果,-POST1,察看在各临界时间点处整个结构上的结果,进入,POST1，“By Time/Freq.”,读出结果，并输入近似时间值,绘制变形后的形状和应力等值线图,瞬态分析步骤,察看结果,-POST1,瞬态分析结果,察看结果,-POST1,瞬态分析步骤,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,察看结果,D:,实例,瞬态分析,在此实例中，考察一个物块跌落在横梁上并弹起的瞬态响应。,详细情况请参阅动力学实例,(,块体反弹，,W-25,).,描述:,一个6,x6x1-,inch,尺寸的物块从100,inch,高处落到一长100,inch,的梁上。求当此物块在梁上反弹时的运动图。假设碰撞的间隙接触刚度为2000lb/in。梁两端完全固支，唯一的载荷为重力加速度，其大小为,386 in/sec,2,。,物块与梁由相同的材料制成:,杨氏模量=1,000,000,psi,密度=0.001,lb-sec,2,/in,4,泊松比=0.3,瞬态分析实例,物块反弹,分析步骤指南：,1.,清空数据库，读入,bounce.inp文件，以建立其模型,2.,定义瞬态分析（完全法）,3.,固定梁的两个端点的所有自由度,4.,用,APDL,计算积分时间步长(,ITS):,kgap=2000,-,间隙接触刚度,mgap=6*6*0.001=0.036,-,物块质量,pi=acos(-1),fgap=,sqrt(kgap/mgap)/(2*pi),-,间隙频率,its=1/(fgap*30),-,计算积分时间步长,瞬态分析实例,物块反弹,5.采用两个载荷步求解。,载荷步,1(,对非零初加速度):,固定物块所有节点的所有的自由度,施加一个大小为,386 in/sec,2,的,加速度,在,Solution Control,菜单中,选择“大位移瞬态分析,”,设时间=0.001,2,子步,要求输出所有子步的所有结果到结果文件,分步加载静力求解(时间积分效应设定为,off),设,beta,阻尼为.0003183,求解,瞬态分析实例,物块反弹,载荷步 2(瞬态):,回到求解控制菜单并设定,时间=1.5,打开自动时间载荷步,开始,ITS=0.02,最小,ITS=its(,从第 4步)，最大,ITS=0.02,瞬态求解(时间积分效应设定为,on),释放物块,求解,瞬态分析实例,物块反弹,6.查看结果:,图示梁的中点及物块的,UY,位移与时间的关系。,图示约束之一处的,FY反力与时间的关系。,将随时间过去的结果制成动画 注意：为了保存制作动画所需的全部画面，也许要减小图形窗口的尺寸。,瞬态分析实例,物块反弹,7.不要退出,ANSYS:,一会儿可以用重启动继续此实例,瞬态分析实例,物块反弹,瞬态分析实例,帮助文档中的部分范例,VM71 Transient Response of a Spring-Mass-Damper System,VM72 Logarithmic Decrement,VM73 Free Vibration with Coulomb Damping,VM74 Transient Response to an Impulsive Excitation,VM75 Transient Response to a Step Excitation,VM77 Transient Response to a Constant Force,VM79 Transient Response of a Bilinear Spring Assembly,