《瞬态动力学》PPT课件.ppt

瞬态动力学分析瞬态动力学分析Module4Training ManualWorkbench-Simulation Dynamics4-2概述柔体动力学分析使用户能够确定结构系统在任何类型的时变载荷作用下的柔体动力学分析使用户能够确定结构系统在任何类型的时变载荷作用下的动态响应动态响应与刚体动力学不同的是，物体可以是刚性的还可以是柔性的对于柔性体，可与刚体动力学不同的是，物体可以是刚性的还可以是柔性的对于柔性体，可以包含非线性材料，能够获得应力和应变结果以包含非线性材料，能够获得应力和应变结果柔体动力学同时也称为时程分析或者瞬态动力学分析柔体动力学同时也称为时程分析或者瞬态动力学分析要进行柔体动力学分析，要进行柔体动力学分析， 必须要有以下必须要有以下license： ANSYS Structural,ANSYS Mechanical, 或者或者ANSYS Multiphysics Assembly shown here is from an Autodesk Inventor sample modelTraining ManualWorkbench-Simulation Dynamics4-3主题A.柔体动力学分析介绍柔体动力学分析介绍B.初步线性动力学探讨初步线性动力学探讨C.非线性分析背景非线性分析背景D.演示：冲击问题演示：冲击问题 E.零件指定和网格零件指定和网格 F.非线性材料非线性材料 G.接触、连接和弹簧接触、连接和弹簧 H.初始条件初始条件 I.载荷、支撑和连接条件载荷、支撑和连接条件 J.阻尼阻尼 K.柔体动力学分析设置柔体动力学分析设置L.查看结果查看结果 M.演示：刚柔混合动力学演示：刚柔混合动力学Training ManualWorkbench-Simulation Dynamics4-4A. 介 绍柔体动力学分析用于评估惯性效应不可忽视的柔性体系统的动力学响应柔体动力学分析用于评估惯性效应不可忽视的柔性体系统的动力学响应如果惯性和阻尼效应可以忽略的话，可以考虑用线性或非线性静力分析替代如果惯性和阻尼效应可以忽略的话，可以考虑用线性或非线性静力分析替代如果载荷呈正弦变化以及响应是线性的，采用谐响应分析会更为有效如果载荷呈正弦变化以及响应是线性的，采用谐响应分析会更为有效如果物体可以被认为是刚性体，而且是只关注系统的运动学性能，采用刚体动如果物体可以被认为是刚性体，而且是只关注系统的运动学性能，采用刚体动力学分析能够节省计算成本力学分析能够节省计算成本对于其它情况，则采用柔体动力学分析，因为其是动力学分析的最通用的类型对于其它情况，则采用柔体动力学分析，因为其是动力学分析的最通用的类型Training ManualWorkbench-Simulation Dynamics4-5 介 绍在柔体动力学分析中，在柔体动力学分析中， Workbench Simulation 是求解如下运动控制方是求解如下运动控制方程：程： 几个注意点几个注意点:施加的载荷和连接条件可以是时间的函数施加的载荷和连接条件可以是时间的函数从以上可以看出，惯性和阻尼效应已经被包含，因此必须在模型中输入密度和从以上可以看出，惯性和阻尼效应已经被包含，因此必须在模型中输入密度和阻尼阻尼通过刚度矩阵的更新，包含非线性效应，比如几何非线性、材料非线性和接触通过刚度矩阵的更新，包含非线性效应，比如几何非线性、材料非线性和接触非线性非线性Training ManualWorkbench-Simulation Dynamics4-6 介 绍柔体动力学分析使用范畴比结构静力分析和刚体动力学分析更广，其允许柔体动力学分析使用范畴比结构静力分析和刚体动力学分析更广，其允许存在所有的连接类型、载荷和支撑。

存在所有的连接类型、载荷和支撑进行柔体动力学分析一个很重要的考虑因素就是时间步长：进行柔体动力学分析一个很重要的考虑因素就是时间步长：时间步长必须足够小才能正确地描述随时间变化的载荷；时间步长必须足够小才能正确地描述随时间变化的载荷；时间步长控制着动力学响应的准确性因此在时间步长控制着动力学响应的准确性因此在Section B 中建议首先进行一次中建议首先进行一次模态分析；模态分析；时间步长同样控制着非线性系统的准确性和收敛行为在时间步长同样控制着非线性系统的准确性和收敛行为在Section C会有会有 Newton-Raphson 背景信息的相关阐述背景信息的相关阐述Training ManualWorkbench-Simulation Dynamics4-7B. 初始模态分析虽然柔体动力学分析采用自动时间步长，选择合适的初始、最小、最大时虽然柔体动力学分析采用自动时间步长，选择合适的初始、最小、最大时间步长对于动力学响应的计算准确性是非常重要的：间步长对于动力学响应的计算准确性是非常重要的：不同于采用显式时间积分的刚体动力学分析，柔体动力学采用的是隐式时间积不同于采用显式时间积分的刚体动力学分析，柔体动力学采用的是隐式时间积分。

因此柔体动力学分析的时间步长通常会较大因此柔体动力学分析的时间步长通常会较大动力学响应可以认为是结构在载荷激励作用下引起的不同模态振型的组合初动力学响应可以认为是结构在载荷激励作用下引起的不同模态振型的组合初始时间步需要基于系统的模态（或者固有频率）确定始时间步需要基于系统的模态（或者固有频率）确定推荐使用自动时间步长（缺省）：推荐使用自动时间步长（缺省）：最大的时间步长根据精度要求确定该值可以与初始时间步一样或者稍大一点最大的时间步长根据精度要求确定该值可以与初始时间步一样或者稍大一点最小的时间步长可以用于防止最小的时间步长可以用于防止Workbench Simulation无限次地进行求解最小时无限次地进行求解最小时间步长可以指定为初始时间步长的间步长可以指定为初始时间步长的 1/100 或者或者 1/1000Training ManualWorkbench-Simulation Dynamics4-8 初始模态分析初始时间步长选择建议采用以下方程确定：初始时间步长选择建议采用以下方程确定： fresponse 是所关心的最高阶模态振型的频率是所关心的最高阶模态振型的频率为了确定所关心的最高阶的模态，在柔体动力学分析之前需要首先进行系为了确定所关心的最高阶的模态，在柔体动力学分析之前需要首先进行系统的模态分析统的模态分析 。

通过这种方式，就可以确定结构的振型（即结构动态响应时可能激活的振动形通过这种方式，就可以确定结构的振型（即结构动态响应时可能激活的振动形态）同样可以确定同样可以确定fresponse 的具体值的具体值Training ManualWorkbench-Simulation Dynamics4-9 初始模态分析注意点注意点:自动时间步算法在求解过程中会根据计算的反应频率，增大或者减小时间自动时间步算法在求解过程中会根据计算的反应频率，增大或者减小时间步长的大小步长的大小自动时间步算法仍然依赖于初始、最小、最大的时间步长；自动时间步算法仍然依赖于初始、最小、最大的时间步长；如果最小的时间步长被使用，表明初始时间步长被设置得太大了可以在如果最小的时间步长被使用，表明初始时间步长被设置得太大了可以在Solution Information 分支下的分支下的Details中，选择中，选择“Solution Output: Time Increment”显示时间步长的大小显示时间步长的大小当进行模态分析确定合适的反应频率值时，仅获取一些模态并使用计算得当进行模态分析确定合适的反应频率值时，仅获取一些模态并使用计算得到的最大频率，这样做是不充分的。

最好是考察不同的模态振型，最后确到的最大频率，这样做是不充分的最好是考察不同的模态振型，最后确定哪些模态是对结构的响应的有贡献的，进而确定所关心的最高阶的模态定哪些模态是对结构的响应的有贡献的，进而确定所关心的最高阶的模态频率Training ManualWorkbench-Simulation Dynamics4-10C. 包含非线性非线性的行为具有几种来源，柔体动力学分析通常会包含以下几种非线性：非线性的行为具有几种来源，柔体动力学分析通常会包含以下几种非线性：几何非线性几何非线性:如果结构发生了大变形，变化后的如果结构发生了大变形，变化后的 几何构型会引起非线性行为几何构型会引起非线性行为材料非线性材料非线性: 非线性的应力应变关系，比如右非线性的应力应变关系，比如右 图所示的金属的塑性，是另外一种非线性的来源图所示的金属的塑性，是另外一种非线性的来源接触接触: 包含接触效应是状态非线性的一种，包含接触效应是状态非线性的一种， 部件之间发生接触或者分离的时候引起刚部件之间发生接触或者分离的时候引起刚 度的突然变化度的突然变化Training ManualWorkbench-Simulation Dynamics4-11 包含非线性性分析中，施加的力性分析中，施加的力F 和系统的位移和系统的位移x关系如下：如关系如下：如果力的大小增大一倍，则相应的位移、应力和应变也增果力的大小增大一倍，则相应的位移、应力和应变也增大一倍大一倍 假设初始和变形后的几何形状改变是可以忽略不计的，因假设初始和变形后的几何形状改变是可以忽略不计的，因为采用的刚度矩阵为采用的刚度矩阵K 是一样的是一样的.在非线性分析中，施加的力在非线性分析中，施加的力F和位移和位移x的关系事先是未知的关系事先是未知的的因为结构几何发生了大变形，所以刚度矩阵因为结构几何发生了大变形，所以刚度矩阵K 会发生变化会发生变化求解非线性问题需要用牛顿求解非线性问题需要用牛顿-拉普森（拉普森（Newton-Raphson）方法求解方法求解 .KFxFxTraining ManualWorkbench-Simulation Dynamics4-12 包含非线性非线性分析需要多次求解迭代非线性分析需要多次求解迭代:施加的载荷与变形的实际关系事先是未知的（如图绿色点划线所示）施加的载荷与变形的实际关系事先是未知的（如图绿色点划线所示）Newton-Raphson方法方法,要进行一系列待修正的线性近似要进行一系列待修正的线性近似在在Newton-Raphson 法中法中, 第一次迭代施加全载荷第一次迭代施加全载荷Fa， 结果为结果为 x1. 通过位移可计算通过位移可计算内力内力F1 ，如果，如果 Fa F1, 系统就不平衡。

因此，就要利用当前条件计算新的刚度矩阵系统就不平衡因此，就要利用当前条件计算新的刚度矩阵（蓝线的斜率）（蓝线的斜率）.重复上述过程直到重复上述过程直到Fa =Fi ，此时解收敛，此时解收敛有时，需要按照增量形式施加的载荷有时，需要按照增量形式施加的载荷Fa ， 以保证收敛以保证收敛.因此，对于突变载荷，因此，对于突变载荷， 需要有小的时间步长以保证收敛需要有小的时间步长以保证收敛.xFa1234F1x1Training ManualWorkbench-Simulation Dynamics4-13 包含非线性如前所述，时间步长的大小同样对非线性分析有所影响如前所述，时间步长的大小同样对非线性分析有所影响:时间步长必须足够小，使时间步长必须足够小，使Newton-Raphson方法获得力的平衡（收敛）方法获得力的平衡（收敛）用户也需要基于非线性的考量，指定初始、最小、最大的时间步长用户也需要基于非线性的考量，指定初始、最小、最大的时间步长通常，像在通常，像在Section B 中阐述的选择时间步长的考量已经足够充分中阐述的选择时间步长的考量已经足够充分.因为因为Workbench Simulation 只采用一组时间步长设置，重新求解动力学响应只采用一组时间步长设置，重新求解动力学响应通常能够能为重新求解非线性效应提供足够小的时间步通常能够能为重新求解非线性效应提供足够小的时间步.根。