第四章 瞬态动力分析 第四章：瞬态动力分析  第一节：瞬态动力分析的定义和目的 第二节：瞬态分析状态的基本术语和概念 第三节：在ANSYS中如何进行瞬态分析 第四节：瞬态分析实例 瞬态分析第一节：定义和目的 什么是瞬态动力分析? 它是确定随时间变化载荷（例如爆炸）作用下结构响应的技术； 输入数据： 作为时间函数的载荷 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（接上页） 瞬态动力分析可以应用在以下设计中： 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：移动电话、笔记本电脑和真空吸尘器等。 瞬态分析第二节：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 用于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； 按照求解方法， ANSYS 允许在瞬态动力分析中包括各种类型的非线性- 大变形、接触、塑性等等。 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 （接上页） 运动方程的两种求解法： 模态叠加法（在第六章中讨论） 直接积分法： 运动方程可以直接对时间按步积分。在每个时间点，需求解一组联立的静态平衡方程（F=ma）； ANSYS 采用Newmark 法这种隐式时间积分法； ANSYS/LS-DYNA 则采用显式时间积分法； 有关显式法和隐式法的讨论请参见第一章。  瞬态分析- 术语和概念求解方法（接上页） 求解时即可用缩减结构矩阵，也可用完整结构矩阵； 缩减矩阵： 用于快速求解； 根据主自由度写出[K]， [C]， [M]等矩阵，主自由度是完全自由度的子集； 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，但不在此讨论。 完整矩阵： 不进行缩减。 采用完整的[K]， [C]， 和 [M]矩阵； 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 Dt ）是时间积分法中的一个重要概念 ITS = 从一个时间点到另一个时间点的时间增量 Dt ； 积分时间步长决定求解的精确度，因而其数值应仔细选取。  ITS 应足够小以获取下列数据： 响应频率 载荷突变 接触频率（如果存在的话） 波传播效应（若存在） 瞬态分析 - 术语和概念积分时间步长（接上页） 响应频率 不同类型载荷会在结构中激发不同的频率（响应频率）； ITS应足够小以获取所关心的最高响应频率 （最低响应周期）； 每个循环中有20个时间点应是足够的，即： 	Dt = 1/20f 	式中 ，f 是所关心的最高响应频率。 瞬态分析 - 术语和概念积分时间步长（接上页） 载荷突变 ITS 应足够小以获取载荷突变 瞬态分析 - 术语和概念积分时间步长（接上页） 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应足够小以获取间隙“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，比此更小的ITS 会造成能量损失，并且冲击可能不是完全弹性的。 瞬态分析 - 术语和概念积分时间步长（接上页） 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ANSYS-LS/DYNA采用）可能对此更为适用 瞬态分析第三节：步骤 在此节中只讨论完整矩阵 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 记住要输入密度！ 其余参见第一章建模所要考虑的问题 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 求解方法和其它选项- 将在下面讨论 阻尼 – 将在下面讨论 瞬态分析步骤选择分析类型和选项（接上页） 求解方法 完整矩阵方法为缺省方法。允许下列非线性选项： 大变形 应力硬化 Newton-Raphson 解法  集中质量矩阵 主要用于细长梁和薄壁壳或波的传播  公式求解器 由程序自行选择 瞬态分析步骤选择分析类型和选项命令（接上页） TRNOPT，FULL NLGEOM，… SSTIF，… NROPT，… LUMPM，… EQSLV，...  瞬态分析步骤选择分析类型和选项（接上页） 阻尼  α和b阻尼均可用； 在大多数情况下，忽略α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）。 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命令(接上页) DK，…	! 或 D或 DSYM DL，… DA，…  ACEL，… OMEGA，...  瞬态分析步骤规定边界条件和初始条件（接上页） 初始条件 时间t = 0时的条件：u0， v0， a0  它们的缺省值为， u0 = v0 = a0 = 0  可能要求非零初始条件的实例： 飞机着陆 (v0?0) 高尔夫球棒击球 (v0?0) 物体跌落试验 (a0?0) 瞬态分析步骤规定边界条件和初始条件（接上页） 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； 用于需要施加非零初始加速度时。  使用IC 命令 Solution   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（接上页） 实例 -  物体从静止状态下落 这种情况 a0=g （重力加速度）v0=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   Time/Frequenc   Time Integration... 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， v0 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命令（接上页） ! 载荷步 1 TIMINT，OFF	! 关闭瞬态效应 TIME，0.001	! 小的时间间隔 NSEL，…	             ! 选择所有小物体的所有节点 D，ALL，ALL，0	! 并在所有方向上定义固定约束 NSEL，ALL ACEL，…	             ! 加速度值 NSUBST，2	! 两个子步 KBC，1	             ! 阶梯载荷 SOLVE   瞬态分析步骤规定边界条件和初始条件（接上页） 载荷步 2： 打开瞬态效应； 释放物体，例如， 删除
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