ansys_workbench瞬态动力分析(4)分析
(完整版)ansys动力学瞬态分析详解
非零速度是通过对结构中需指定速度的部分加上小时间间隔上的小位移来实现的。比如如果 =0.25，可以通过在时间间隔0.004内加上0.001的位移来实现，命令流如下：
...
TIMINT,OFF! Time integration effects off
注─如果并不想包括任何非线性，应当考虑使用另外两种方法中的一种。这是因为完全法是三种方法中开销最大的一种。
完全法的优点是：
·容易使用，不必关心选择主自由度或振型。
·允许各种类型的非线性特性。
·采用完整矩阵，不涉及质量矩阵近似。
·在一次分析就能得到所有的位移和应力。
·允许施加所有类型的载荷：节点力、外加的（非零）位移（不建议采用）和单元载荷（压力和温度），还允许通过TABLE数组参数指定表边界条件。
·唯一允许的非线性是简单的点—点接触（间隙条件）。
§3.4 完全法瞬态动力学分析
首先，讲述完全法瞬态动力学分析过程，然后分别介绍模态叠加法和缩减法与完全法不相同的计算步骤。完全法瞬态动力分析（在ANSYS/Multiphsics、ANSYS/Mechauioal及ANSYS/Structural中可用）由以下步骤组成：
D,ALL,UY,.001! Small UY displ. (assuming Y-direction velocity)
TIME,.004! Initial velocity = 0.001/0.004 = 0.25
LSWRITE! Write load data to load step file (Jobname.S01)
对于完全法瞬态动力学分析，注意下面两点：
ansysworkbench瞬态动力学实例
在本文中，我将为您撰写一篇关于ANSYS Workbench瞬态动力学实例的文章。
我们将深入探讨ANSYS Workbench在瞬态动力学仿真方面的应用，从简单到复杂、由浅入深地讨论其原理和实践操作，并共享个人观点和理解。
第一部分：介绍ANSYS Workbench瞬态动力学仿真ANSYS Workbench是一种用于工程仿真的全面评台，包含了结构、流体、热传递、多物理场等多种仿真工具。
瞬态动力学仿真是ANSYS Workbench的重要应用之一，它能够模拟在时间和空间上随机变化的动力学过程，并对结构在外部力作用下的动力响应进行分析。
在瞬态动力学仿真中，ANSYS Workbench可以模拟诸如碰撞、冲击、振动等动态载荷下的结构响应，用于评估零部件的耐久性、振动特性、动态稳定性等重要工程问题。
通过对这些现象的模拟和分析，工程师可以更好地了解结构在实际工况下的性能，进而进行有效的设计优化和改进。
第二部分：实例分析为了更直观地展示ANSYS Workbench瞬态动力学仿真的应用，我们以汽车碰撞仿真为例进行分析。
假设我们需要评估汽车前部结构在碰撞事故中的动态响应，我们可以通过ANSYS Workbench建立汽车前部结构的有限元模型，并对其进行碰撞载荷下的瞬态动力学仿真。
我们需要构建汽车前部结构的有限元模型，包括车身、前保险杠、引擎盖等部件，并设定材料属性、连接方式等。
接下来，我们可以在仿真中引入具体的碰撞载荷，如40km/h车速下的正面碰撞载荷，并进行瞬态动力学仿真分析。
通过仿真结果，我们可以获取汽车前部结构在碰撞中的应力、应变分布，以及变形情况，从而评估其在碰撞事故中的性能表现。
第三部分：个人观点与总结通过以上实例分析，我们可以看到ANSYS Workbench瞬态动力学仿真在工程实践中的重要应用价值。
瞬态动力学仿真不仅能够帮助工程师分析结构在动态载荷下的响应，还可以为设计优化、安全评估等工程问题提供重要参考。
【ANSYS动力学】M4-瞬态动力分析
ITS 1 30 fc
fc
1
2
k m
fc contactfrequency k gap stiffness m effectivemass
M4-13
瞬态分析 - 术语和概念
积分时间步长（接上页）
波传播
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
典型命令: /SOLU ANTYPE，TRANS，NEW
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ABiblioteka el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。
响应周期
M4-11
瞬态分析 - 术语和概念
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
M4-19
M4-20
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 为阻尼比，w 为主要响应频率 （rad/sec）。
workbench瞬态动力分析
Dx IT20 L 波长方向的长度 c 弹性波速 E 杨氏模量 E
质量密度
非线性响应
• 非线性响应
–全瞬态分析可包括任何非线性类型. – 更小的 ITS 通常有助于平衡迭代收敛. – 塑性、蠕变及摩擦等非线性本质上是非保守的，需 要精确地遵循载荷加载历程.小的 ITS 通常有助于精 确跟踪载荷历程. – 小的ITS可跟踪接触状态的变化.
– 模态叠加法 – 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（time = 0, Dt , 2Dt, 3Dt,….) ，需求解一组联立的静态平衡方程 （F=ma）；
– 需假定位移、速度和加速度是如何随时间而变化的， (积分方案选择) – 有多种不同的积分方案，如中心差分法，平均加速度 法, Houbolt, WilsonQ, Newmark 等.
积分时间步长
• 如何选择 ITS? • 推荐打开自动时间步长选项 (AUTOTS), 并设置 初始时间步长Dtinitial和最小时间步长Dtmin 、最 大时间步长Dtmax. ANSYS 会利用自动时间步长 功能来自动决定最佳时间步长Dt. • 例如: 如果AUTOTS 是打开的， 并且Dtinitial= 1 sec, Dtmin= 0.01 sec, and Dtmax= 10 sec; 那 ANSYS 起始采用 ITS= 1 sec ，并依据结构的响 应允许其在0.01 和 10 之间变动.
缩减/完整结构矩阵
• 求解时既可用缩减结构矩阵，也可用完整结构矩阵； • 缩减矩阵：
– 用于快速求解； – 不允许非线性因素存在 – 根据主自由度写出[K]、[C]和[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。
ansys动力学瞬态分析详解
§3.1瞬态动力学分析的定义瞬态动力学分析（亦称时间历程分析）是用于确定承受任意的随时间变化载荷结构的动力学响应的一种方法。
可以用瞬态动力学分析确定结构在稳态载荷、瞬态载荷和简谐载荷的随意组合作用下的随时间变化的位移、应变、应力及力。
载荷和时间的相关性使得惯性力和阻尼作用比较重要。
如果惯性力和阻尼作用不重要，就可以用静力学分析代替瞬态分析。
瞬态动力学的基本运动方程是：其中：[M] =质量矩阵[C] =阻尼矩阵[K] =刚度矩阵{}=节点加速度向量{}=节点速度向量{u} =节点位移向量在任意给定的时间，这些方程可看作是一系列考虑了惯性力（[M]{}）和阻尼力（[C]{}）的静力学平衡方程。
ANSYS程序使用Newmark时间积分方法在离散的时间点上求解这些方程。
两个连续时间点间的时间增量称为积分时间步长（integration time step）。
§3.2学习瞬态动力学的预备工作瞬态动力学分析比静力学分析更复杂，因为按“工程”时间计算，瞬态动力学分析通常要占用更多的计算机资源和更多的人力。
可以先做一些预备工作以理解问题的物理意义，从而节省大量资源。
例如，可以做以下预备工作：1.首先分析一个较简单模型。
创建梁、质量体和弹簧组成的模型，以最小的代价深入的理解动力学认识，简单模型更有利于全面了解所有的动力学响应所需要的。
2.如果分析包括非线性特性，建议首先利用静力学分析掌握非线性特性对结构响应的影响规律。
在某些场合，动力学分析中是没必要包括非线性特性的。
3.掌握结构动力学特性。
通过做模态分析计算结构的固有频率和振型，了解这些模态被激活时结构的响应状态。
同时，固有频率对计算正确的积分时间步长十分有用。
4.对于非线性问题，考虑将模型的线性部分子结构化以降低分析代价。
<<高级技术分指南>>中将讲述子结构。
§3.3三种求解方法瞬态动力学分析可采用三种方法：完全（Full）法、缩减（Reduced）法及模态叠加法。
Ansys_Workbench动力学分析
单自由度线性系统在谐波激励下的响应仍然是谐波。
响应频率等于激励频率。
振幅X与激励的幅值A成比例。 相位差 表示响应滞后于激励的相位角。
系统的全解为：
x(t) Cent cos(dt ) A H() cos(t )
有阻尼自由振动的解 瞬态解
瞬态响应 逐渐衰减
稳态振动的解 稳态解 稳态响应
结构体系
输入
input
质量、刚度 阻尼、约束 频率、振型
动力响应
输出 Output
位移 内力 数值
应力
动位移 加速度 速度 动应力 动力系数
时间函数
第二节 结构动力学研究的内容
第一类问题：反应分析（结构动力计算）
输入 （动力荷载）
结构 （系统）
输出 （动力反应）
第二类问题：参数（或称系统）识别
输入 （动力荷载）
结构 （系统）
输出 （动力反应）
第三类问题：荷载识别
输入 （动力荷载）
结构 （系统）
第四类问题：控制问题
输入 （动力荷载）
结构 （系统）
控制系统 （装置、能量）
输出 （动力反应）
输出 （动力反应）
第三节 动力学分析类型
1.动荷载 静荷载：
大小、方向和作用点不随时间变化或变化很 缓慢的荷载。如：结构的自重、雪荷载等。
m
m
m
令：
A F k
c m
2n
k m
n2
得：
&x&(t) 2n x&(t) n2x(t) n2 Acost
式中： 为阻尼比
设其解为：
x(t) X cos(t )
代入原方程，可得： X
A
ANSYS workbench齿轮啮合瞬态动力学分析
ANSYS workbench齿轮啮合瞬态动力学分析齿轮传动是机械系统传动方式中应用最为广泛的一种，今天给介绍一下如何利用workbench实现齿轮啮合的瞬态动力学分析。
有限元分析流程分为3大步、3小步，如下图所示。
今天将以这种方式介绍使用workbench实现齿轮啮合的分析流程。
图1 有限元分析流程一、前处理1.1 几何模型的构建本文几何模型在SolidWorks中创建，并导入workbench中，如图所示图2 齿轮对几何模型1.2 材料定义材料选用结构钢：密度：7850kg/m3，杨氏模量：2.1e11Pa，泊松比：0.31.3 有限元模型的构建有限元模型的构建包括材料赋予、网格划分以及连接关系的构建1.3.1 材料赋予双击瞬态动力学分析流程中的Model，进入Mechanical界面，单击项目树Geometry 下的两个零件，左下角细节框中，Material处指派steel材料1.3.2 网格划分为便于分析及收敛，对网格进行一个简单的控制：首先在左侧项目树Mesh处插入一个method，选中两个齿轮，划分方法为MultiZone；然后插入两个Size，对几个参与啮合的齿面进行尺寸控制，得到了如图所示的网格模型。
图3 网格模型1.3.3 连接关系的构建连接关系包括两部分：接触和运动副，运动副可以实现齿轮的转动，接触可以实现齿轮的传力。
由于workbench会自动创建向邻近位置之间的接触，但默认接触为绑定接触，不符合实际情况，故直接删除，后续手动创建相应接触。
首先在左侧项目树Connections下插入一个Frictional contact，接触面选择其中一个齿轮参与接触的几个齿面，目标面选择另一个齿轮参与接触的几个齿面。
摩擦系数为0.15，Normal Stiffness为1，Update Stiffness为Each iteration，Time Step Controls为Automatic Bisection。
WORKBENCH中的动力学分析简介
…求解结果
• 对应于Frequency Finder 分支得ANSYS 命令如下:
– 假如Frequency Finder 分支被选上, 对应于ANTYPE,MODAL 命令 – 定义模态得阶数使用 nmodes 命令, 定义“搜索频率”得最小和最大范围使
用MODOPT,,nmodes,freqb,freqe 命令得freqb 和 freqe,振型被放大通过 MXPAND 命令、 为了节省磁盘空间和计算时间,单元求解选项不能打开,除 非需要得到应力或者应变结果、
影响。 – FE Modeler 用来把Nastran得网格转化到ANSYS中使用。
WORKBENCH中得动力学分析
… ANSYS WORKBENCH概述
Design Simulation ANSYS Workbench
DesignXplorer
DesignModeler
FE Modeler
WORKBENCH中得动力学分析
– 边界条件对于模态分析来说,就是很重要得。因为她们能影响部件得振型和固 有频率、 因此需要仔细考虑模型就是如何被约束得、
– 压缩约束就是非线性得,因此在此分析中将不能被使用、 • 如果存在得话, 压缩约束通常会表现出与无摩擦约束相似、
ANSYS License DesignSpace Entra DesignSpace Professional Structural Mechanical/Multiphysics
们会转化为绑定或者无间隙接触方式来替代并产生作用、
– 假如有间隙存在, 非线性得接触行为将就是自由无约束得(也就就是说, 好像 就是没有接触一样)、 绑定得和无间隙得接触将取决于pinball 区域得大小、
• pinball 区域由缺省值自动产生
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积分时间步长
Training Manual
• AUTOTS对于全瞬态分析缺省是打开的. 对于缩 减法和模态叠加法，是不可用的. • AUTOTS 会减小ITS (直到 Dtmin) 在下列情况:
– – – – – – 在响应频率处，小于20个点 求解发散 求解需要大量的平衡迭代（收敛很慢） 塑性应变在一个时间步内累积超过15% 蠕变率超过0.1 如果接触状态要发生变化 ( 决大多数接触单元可由 KEYOPT(7) 控制)
缩减/完整结构矩阵
Training Manual
• 求解时既可用缩减结构矩阵，也可用完整结构矩阵； • 缩减矩阵：
– 用于快速求解； – 不允许非线性因素存在 – 根据主自由度写出[K]、[C]和[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。
Training Manual
DYNAMICS 11.0
• 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
• 方程求解器
– 由程序自行选择
分析选项
• 求解选项 • 选择大位移瞬态分析 或小变形瞬态分析 .
DYNAMICS 11.0
• 完整矩阵：
– 不进行自由度缩减，采用完整的[K]、[C]和[M]矩阵； – 下面的讨论都是基于此种方法。
积分时间步长
Training Manual
• 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 = 两个时刻点间的时间增量 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。 – 对于缩减矩阵法与模态叠加法瞬态分析ANSYS 只 允许ITS常值. – 完全法瞬态分析， ANSYS 可以自动调整时间步大 小在用户指定的范围内
• 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 (v00) • 高尔夫球棒击球 (v00) • 物体跌落试验 (a00)
Training Manual
DYNAMICS 11.0
施加初始条件的两种方法
瞬态动力分析的工程应用
• 瞬态动力分析可以应用在以下设计中：
Training Manual
– 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。
HHT 方法 –求解中间时间点的运动 方程然后外推到 t n+1. (Note: 缺省HHT方法 am = 0 )
求解方法
Training Manual
DYNAMICS 11.0
• 时间积分方案 - 时间积分参数, γ, a, d, af, am, 通过 求解控制选项输入
– TRNOPT, FULL ,,, ,, NMK|HHT ! 缺省 Newmark – [TINTP,GAMMA,ALPHA,DELTA,THETA ,,, ,,, ALPHAF,ALPHAM]
DYNAMICS 11.0
分析过程
• 讨论完全法瞬态分析过程. • 五个主要步骤:
– – – – – 建立模型 选择分析类型和选项 指定边界条件和初始条件 施加载荷历程并求解 查看结果
Training Manual
DYNAMICS 11.0
模型： 所有的非线性因素可允许注意要求密度！
分析选项
– – – – 进入求解阶段，并选择瞬态分析. 选择完全法 求解选项 阻尼
Training Manual
第四章 瞬态动力分析
瞬态动力分析总论
• 定义：
– 确定结构在任意随时间变化载荷作用下系统瞬 态响应特性的技术。
Training Manual
DYNAMICS 11.0
• 输入数据：
– 最一般形式是载荷为时间的任意函数；
• 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。
Training Manual
DYNAMICS 11.0
Dt = 1/20f
式中 ，f 是所关心的最高响应频率。
响应周期
载荷突变
• 载荷突变
– ITS 小到足够获取载荷 突变现象
Load
Training Manual
DYNAMICS 11.0
t
Load
t
接触频率
• 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小到足够获取间隙“弹簧”频 率； – 建议每个循环三十个点，才足以获 取两物体间的动量传递。更小的 ITS 会造成能量损失，并且冲击可 能不是完全弹性的。
积分时间步长
Training Manual
DYNAMICS 11.0
• 如何选择 ITS? • 推荐打开自动时间步长选项 (AUTOTS), 并设置 初始时间步长Dtinitial和最小时间步长Dtmin 、最 大时间步长Dtmax. ANSYS 会利用自动时间步长 功能来自动决定最佳时间步长Dt. • 例如: 如果AUTOTS 是打开的， 并且Dtinitial= 1 sec, Dtmin= 0.01 sec, and Dtmax= 10 sec; 那 ANSYS 起始采用 ITS= 1 sec ，并依据结构的响 应允许其在0.01 和 10 之间变动.
分析选项
• 瞬态效应 on/off
– 用来设置初始条件
Training Manual
DYNAMICS 11.0
• 阶跃或渐进载荷
• 指定阻尼 • 使用缺省积分参数值
分析选项
• 阻尼
Training Manual
DYNAMICS 11.0
– α和b阻尼均可用； – 在大多数情况下，忽略α阻尼（粘性阻尼），仅指定b 阻尼（由滞后造成的阻尼）：
Training Manual
DYNAMICS 11.0
1 ITS 30 f c 1 fc 2 k m
f c 接触频率 k 间隙刚度 m 有效质量
波传播
• 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 ，并且在波 传播方向需要精细的网格 – 显式积分法（在ANSYSLS/DYNA采用）可能对此更 为适用
• 不同的a 和d 造成积分方案的变化 (隐式 / 显式 / 平均加速度 ). • Newmark 是隐式积分方案. • ANSYS/LS-DYNA 利用显式积分方案.
求解方法
• 时间积分方案 HHT 方法 :
Training Manual
DYNAMICS 11.0
Newmark 方法是求解 t n+1时刻的运动 方程
• 以静载荷步开始
Training Manual
– 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。
DYNAMICS 11.0
• 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。
DYNAMICS 11.0
运动方程
• 基本运动方程
C u K u F t M u
Training Manual
DYNAMICS 11.0
• 这是动力学最通常的方程形式，载荷 可以是任意随时间变化的. • 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.
DYNAMICS 11.0
积分时间步长
• ITS 小到足够获取下列动力学现象：
– – – – 响应频率 载荷突变 接触频率 波传播效应
Training Manual
DYNAMICS 11.0
响应频率
• 响应频率
– 不同类型载荷激发系统不同的响 应频率； – ITS小到足够获取所关心的最高 响应频率（最低响应周期）； – 每个循环中有20个时刻点应是足 够的，即：
DYNAMICS 11.0
分析选项
• 输出控制
Training Manual
DYNAMICS 11.0
–用来控制写到结果文件的内容. –使用命令 OUTRES 或选择 Solution > Sol’n Control.. > Basic –通常的选项用来将每个子步的结果写到结果文件中去.
• 可光滑绘制结果与时间的关系曲线. • 可能造成结果文件庞大.
零初始位移和零初始速度
Training Manual
DYNAMICS 11.0
• 是缺省的初始条件，即如果u0 = v0 = 0 ，则不需 要指定任何条件。 • 在第一个载荷步中可以加上对应于载荷 — 时间 关系曲线的第一个拐角处的载荷。 • 非零初始位移及 / 或非零初始速度 ─ 可以用 IC 命 令设置这些初始条件。 • 命令：IC
– 当不确定时，就选择 大变形瞬态分析
指定载荷步结束时间
自动时间步长 (discussed next)
Training Manual
DYNAMICS 11.0
指定初始、最大、最小时间步长 Dt.
输出控制 controls (discussed next)
分析选项