ANSYS结构静力学与动力学分析教程
ANSYS动力学分析
第5章动力学分析结构动力学研究的是结构在随时间变化载荷下的响应问题，它与静力分析的主要区别是动力分析需要考虑惯性力以及运动阻力的影响。
动力分析主要包括以下5个部分：模态分析：用于计算结构的固有频率和模态。
谐波分析（谐响应分析）：用于确定结构在随时间正弦变化的载荷作用下的响应。
瞬态动力分析：用于计算结构在随时间任意变化的载荷作用下的响应，并且可涉及上述提到的静力分析中所有的非线性性质。
谱分析：是模态分析的应用拓广，用于计算由于响应谱或PSD输入（随机振动）引起的应力和应变。
显式动力分析：ANSYS/LS-DYNA可用于计算高度非线性动力学和复杂的接触问题。
本章重点介绍前三种。
【本章重点】•区分各种动力学问题；•各种动力学问题ANSYS分析步骤与特点。
5.1 动力学分析的过程与步骤模态分析与谐波分析两者密切相关，求解简谐力作用下的响应时要用到结构的模态和振型。
瞬态动力分析可以通过施加载荷步模拟各种何载，进而求解结构响应。
三者具体分析过程与步骤有明显区别。
5.1.1 模态分析1.模态分析应用用模态分析可以确定一个结构的固有频率利振型，固有频率和振型是承受动态载荷结构设计中的重要参数。
如果要进行模态叠加法谐响应分析或瞬态动力学分析，固有频率和振型也是必要的。
可以对有预应力的结构进行模态分析，例如旋转的涡轮叶片。
另一个有用的分析功能是循环对称结构模态分析，该功能允许通过仅对循环对称结构的一部分进行建模，而分析产生整个结构的振型。
ANSYS产品家族的模态分析是线性分析，任何非线性特性，如塑性和接触(间隙)单元，即使定义也将被忽略。
可选的模态提取方法有6种，即Block Lanczos(默认)、Subspace、Power Dynamics、Reduced、Unsymmetric、Damped及QR Damped，后两种方法允许结构中包含阻尼。
2.模态分析的步骤模态分析过程由4个主要步骤组成，即建模、加载和求解、扩展模态，以及查看结果和后处理。
ANSYS Workbench 培训教程之静力学
4-12
Static Structural Analysis
…组件 – 接触总结
• 在模拟中可以使用的接触类和选项的总结：
Training Manual
Contact Geometry Solid Body Face
Solid Body Edge
Surface Body Face Surface Body Edge
中，可以选择保存所有文件以备后用 – Solver Units： Active System 或 manual. – Solver Unit System：如果以上设置是人工的，那
当Mechanical APDL共享数据的时候，就可以选 择8个求解单位系统中的一个来保证一致性（在用 户操作界面中不影响结果和载荷显示）
对称接触
非对称接触
4-8
Static Structural Analysis
…组件 – 实体接触
• 可以使用的五种接触类型：
Contact Type Bonded No Separation Frictionless Rough Frictional
Iterations 1 1
Multiple Multiple Multiple
Offset： 接触面在正向或相反方向上 偏移一个指定的距离（可以程序设置
偏移量）
Adjusted to touch：不考虑实际的间距 ，把接触面移向目标面，给出一个初始
接触
4-10
Static Structural Analysis
…组件 – 实体接触
• Advanced 选项 （更多细节参见第三 章的pinball区域的细节设置）：
• 记住关于线性静态结构分析的假设是很重要的。非线性静态分析和动态分析在后 面章节讲解。
实验三：ANSYS结构静力分析
实验三：ANSYS结构静⼒分析实验三：ANSYS结构静⼒分析静⼒分析实验1—⾃⾏车框架的结构分析⾃⾏车框架的结构分析具体步骤1.定义⼯作名、⼯作标题（学号）过滤参数①定义⼯作名：Utility menu > File > Jobname②⼯作标题：Utility menu > File > Change Title2.选择单元类型Main Menu >Preprocessor > Element Type > Add/Edit/Delete① 3D elastic straight pipe②单击Element Types 对话框中的Options按钮，单击K6，在下拉列表框中选择Include Output选项，然后单击OK按钮。
这样在输出结果数据时，将得到应⼒和扭距值。
单击Element Type 对话框中Close按钮，结束单元类型参数定义操作。
3.单元实常数设定Main Menu >Preprocessor > Real Constants > Add/Edit/Delete在弹出的对话框中单击Add按钮，选择Type 1 PIPE6（在只有⼀个单元类型时系统默认选定状态）。
单击OK按钮。
键⼊下⾯的⼏何参数：外径（Outside diameter OD）：25管壁厚度（Wall thickness TKWALL）：2定义了外径为25mm，壁厚为2mm 的管。
单击OK按钮。
4.设置材料属性Main Menu >Preprocessor > Material Props > Material Models> Structural > Linear > Elastic >Isotropic弹性模量EX＝70000泊松⽐PRXY＝0.335.实体建模根据以给定的坐标值，建⽴8个关键点，并对应连接各点构成⾃⾏车的三维桁架结构其中L=（500+学号）mm①创建关键点操作：Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Keypoints > In Active CS②由关键点⽣成线的操作：Preprocessor > Modeling > Create > Lines > Lines > In Active Coord保存结果Toolbar: SAVE_DB6.划分⽹格①设定⽹格尺⼨：Meshing > Size Cntrls > ManualSize > Lines > All Lines在SIZE 栏中，键⼊想得到的单元长度，在本例中取单元长度为20mm，在数据栏中键⼊20②划分⽹格：Preprocessor > Meshing > Mesh > Lines在Mesh Lines对话框中单击Pick All钮完成⽹格划分。
【ANSYS分析】结构静力分析
第一章结构静力分析1．1 结构分析概述结构分析的定义：结构分析是有限元分析方法最常用的一个应用领域。
结构这个术语是一个广义的概念，它包括土木工程结构，如桥梁和建筑物；汽车结构，如车身骨架；海洋结构，如船舶结构；航空结构，如飞机机身等；同时还包括机械零部件，如活塞，传动轴等等。
在ANSYS产品家族中有七种结构分析的类型。
结构分析中计算得出的基本未知量（节点自由度）是位移，其他的一些未知量，如应变，应力，和反力可通过节点位移导出。
静力分析---用于求解静力载荷作用下结构的位移和应力等。
静力分析包括线性和非线性分析。
而非线性分析涉及塑性，应力刚化，大变形，大应变，超弹性，接触面和蠕变。
模态分析---用于计算结构的固有频率和模态。
谐波分析---用于确定结构在随时间正弦变化的载荷作用下的响应。
瞬态动力分析---用于计算结构在随时间任意变化的载荷作用下的响应，并且可计及上述提到的静力分析中所有的非线性性质。
谱分析---是模态分析的应用拓广，用于计算由于响应谱或PSD输入（随机振动）引起的应力和应变。
曲屈分析---用于计算曲屈载荷和确定曲屈模态。
ANSYS可进行线性（特征值）和非线性曲屈分析。
显式动力分析---ANSYS/LS-DYNA可用于计算高度非线性动力学和复杂的接触问题。
此外，前面提到的七种分析类型还有如下特殊的分析应用：●断裂力学●复合材料●疲劳分析●p-Method1结构分析所用的单元：绝大多数的ANSYS单元类型可用于结构分析，单元型从简单的杆单元和梁单元一直到较为复杂的层合壳单元和大应变实体单元。
1．2 结构线性静力分析静力分析的定义静力分析计算在固定不变的载荷作用下结构的效应，它不考虑惯性和阻尼的影响，如结构受随时间变化载荷的情况。
可是，静力分析可以计算那些固定不变的惯性载荷对结构的影响（如重力和离心力），以及那些可以近似为等价静力作用的随时间变化载荷（如通常在许多建筑规范中所定义的等价静力风载和地震载荷）。
ANSYS结构动力学分析
substeps (6) 求解 求解当前载荷步。
命令：SOLVE GUI：Main Menu>Solution>Solve>Current Ls (7) 结果后处理和分析 瞬态动力学分析结果保存于结果文件Jobname.RST中。可以用POST1和 POST26观察和分析。其中，POST1用于观察在给定时间整个模型的结果， POST26用于观察模型中指定处(节点、单元等)响应随频率变化的历程分 析结果。
Kx F
(11)
如果惯性力或阻尼力足够大到必须加以考虑时，那么系统 的受力平衡方程式必须写成：
MxCxKx F (1 2)
动力效应什么时侯需考虑在力平衡方程式中？什么时侯动力效应才称为 “足够大”？
一个最保险的方法是：时刻不忽略动力效应；或者是静力分析及动力分 析各做一次，当两次分析的结果差异在可接受范围时(结果差异5%以内)， 即表示动力效应是可以忽略的，反之则是不可忽略的。
3 结构模态分析(Modal Analysis)
当外力是0时，方程式1-2即为代表模态分析的控制方程式：
MxCxKx 0 (13)
从数学的观点来看，式1-3是一个特征值问题(eigenvalue problem)，其特征值代表结构的自然振动频率(natural frequencies)和模态阻尼(Modal damping)，而每一个特征值相 对的特征向量(eigenvector)代表振动形状(vibration shapes)。所 以模态分析的结果是自然振动频率、模态阻尼和对应的振动 形状。
4 结构谐响应分析(Harmonic Response Analysis)
ansys动力学分析全套讲解
ansys动⼒学分析全套讲解. .第⼀章模态分析§1.1模态分析的定义及其应⽤模态分析⽤于确定设计结构或机器部件的振动特性（固有频率和振型），即结构的固有频率和振型，它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数。
同时，也可以作为其它动⼒学分析问题的起点，例如瞬态动⼒学分析、谐响应分析和谱分析，其中模态分析也是进⾏谱分析或模态叠加法谐响应分析或瞬态动⼒学分析所必需的前期分析过程。
ANSYS的模态分析可以对有预应⼒的结构进⾏模态分析和循环对称结构模态分析。
前者有旋转的涡轮叶⽚等的模态分析，后者则允在建⽴⼀部分循环对称结构的模型来完成对整个结构的模态分析。
ANSYS产品家族中的模态分析是⼀个线性分析。
任⾮线性特性，如塑性和接触（间隙）单元，即使定义了也将被忽略。
ANSYS提供了七种模态提取法，它们分别是⼦空间法、分块Lanczos法、PowerDynamics 法、缩减法、⾮对称法、阻尼法和QR阻尼法。
阻尼法和QR阻尼法允在结构中存在阻尼。
后⾯将详细介绍模态提取法。
§1.2模态分析中⽤到的命令模态分析使⽤所有其它分析类型相同的命令来建模和进⾏分析。
同样，⽆论进⾏种类型的分析，均可从⽤户图形界⾯（GUI）上选择等效于命令的菜单选项来建模和求解问题。
后⾯的“模态分析实例（命令流或批处理式）”将给出进⾏该实例模态分析时要输⼊的命令（⼿⼯或以批处理式运⾏ANSYS 时）。
⽽“模态分析实例（GUI式）” 则给出了以从ANSYS GUI中选择菜单选项式进⾏同⼀实例分析的步骤。
（要想了解如使⽤命令和GUI选项建模，请参阅<>）。
<>中有更详细的按字母顺序列出的ANSYS命令说明。
§1.3模态提取法典型的⽆阻尼模态分析求解的基本程是经典的特征值问题：其中：=刚度矩阵,=第阶模态的振型向量（特征向量）,=第阶模态的固有频率（是特征值）,=质量矩阵。
有多数值法可⽤于求解上⾯的程。
基于ANSYS WORKBENCH的刚体动力学-静力学分析
基于ANSYS Workbench的刚体动力学-静力学分析在机械系统中，大量构件处于运动状态。
在构件的运动过程中，在某些时刻，它处于最危险的工况。
那么，如何对于一个运动的机构中某个别构件进行强度分析呢？按照以往的方法，是先使用多体动力学软件例如ADAMS进行刚体动力学分析，得到铰链处的约束力，然后再在有限元软件例如ANSYS中对感兴趣的构件划分网格，并导入从ADAMS中得到的载荷，对之进行强度分析。
ANSYS提供了一套完善的解决方案，使得直接在WORKBENCH中就可以完成全过程。
其方法如下：1. 从工具箱中，拖拽一个刚体动力学模板到项目示意图中，然后按照正常步骤创建一个刚体动力学分析，施加力，力偶等，然后插入所需要的求解结果物体。
2. 在图形窗口中确定感兴趣的时间点。
3. 选择某个求解结果物体，然后在右键菜单中选择Export Motion Loads，并指定一个载荷文件名。
4. 在项目示意图中，拷贝一个rigid dynamics分析系统。
并把它用static structural 分析系统进行取代。
5.编辑static structural分析系统，压制不需要的构件，而只留下需要分析其强度刚度的构件。
6. 把该构件的刚度行为从rigid改变成flexible.7. 把网格求解器设置从ANSYS Rigid Dynamics改成ANSYS Mechanical8. 删除或者压制所有在Rigid Dynamics分析中所使用的载荷。
9.选择static structural分支，然后在其右键菜单汇总选择Insert> Motion Loads....，从而导入前面文件中的载荷。
10.删除原有的结果物体，添加新的应力，变形等物体。
11. 求解得到此时刻(t=0.49495s)构件的应力和变形。
12.返回workbench工作平面。
ANSYS结构静力分析
当结构经历大变形时应该考虑到载荷将发生了什么变化。在许多情况中，无论结构如 何变形施加在系统中的载荷保持恒定的方向。而在另一些情况中，力将 改变方向，随着单 元方向的改变而变化。
复力（对应于单元应力的载荷）和所加载荷的差值。程序然后使用非平衡载荷进行线性求解，
且核查收敛性。如果不满足收敛准则，重新估算非平衡载荷，修改刚度矩阵，获得新解。持
续这种迭代过程直到问题收敛。
ANSYS 程序提供了一系列命令来增强问题的收敛性，如自适应下降，线性搜索，自动
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ANSYS非线形分析指南
第5页
ANSYS非线形分析指南
基本过程
图 1─7 非守恒（过程相关的）过程 子步
当使用多个子步时，你需要考虑精度和代价之间的平衡；更多的子步骤（也就是，小 的时间步）通常导致较好的精度，但以增多的运行时间为代价。ANSYS 提供两种方法来控 制子步数： ·子步数或时间步长 我们即可以通过指定实际的子步数也可以通过指定时间步长控制子步数。 ·自动时间步长 ANSYS 程序，基于结构的特性和系统的响应，来调查时间步长 子步数 如果你的结构在它的整个加载历史期间显示出高度的非线性特点，而且你对结 构的行为子 解足够好可以确保深到收敛的解，那么你也许能够自己确定多小的 时间步长是必需的， 且对所有的载荷步使用这同一时间步。（务必允许足够大的 平衡迭代数）。 自动时间分步
图 1─4 传统的 NR 方法与弧长方法的比较
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ANSYS结构静力学与动力学分析教程
第一章：ANSYS结构静力学分析基础
ANSYS是一种常用的工程仿真软件，可以进行结构静力学分析，帮助工程师分析和优化设计。
本章将介绍ANSYS的基本概念、步骤和常用命令。
1.1 ANSYS的基本概念
ANSYS是一款基于有限元方法的仿真软件，可以用于解决各
种工程问题。
其核心思想是将结构分割成有限数量的离散单元，
并通过求解线性或非线性方程组来评估结构的行为。
1.2 结构静力学分析的步骤
进行结构静力学分析一般包括以下步骤：
1）几何建模：创建结构的几何模型，包括构件的位置、大小
和形状等信息。
2）网格划分：将结构离散为有限元网格，常见的有线性和非
线性单元。
3）边界条件：定义结构的边界条件，如固定支座、力、力矩等。
4）材料属性：定义结构的材料属性，如弹性模量、泊松比等。
5）加载条件：施加外部加载条件，如力、压力、温度等。
6）求解方程：根据模型的边界条件和加载条件，通过求解线
性或非线性方程组得到结构的响应。
7）结果分析：分析模拟结果，如应力、应变、变形等。
1.3 ANSYS常用命令
ANSYS提供了丰富的命令，用于设置分析模型和求解方程。
以下是一些常用命令的示例：
1）/PREP7：进入前处理模块，用于设置模型的几何、边界条
件和材料属性等。
2）/SOLU：进入求解模块，用于设置加载条件和求解方程组。
3）/POST1：进入后处理模块，用于分析和可视化模拟结果。
4）ET：定义单元类型，如BEAM、SOLID等。
5）REAL：定义单元材料属性，如弹性模量、泊松比等。
6）D命令：定义位移边界条件。
7）F命令：定义力或压力加载条件。
第二章：ANSYS结构动力学分析基础
ANSYS还可以进行结构动力学分析，用于评估结构在动态载
荷下的响应和振动特性。
本章将介绍ANSYS的动力学分析理论和实践应用。
2.1 结构动力学分析的理论基础
结构动力学分析是研究结构在动态载荷下的响应和振动特性的
学科。
它基于质量、刚度和阻尼三个基本量，通过求解动态方程
来描述结构的振动行为。
2.2 结构动力学分析的应用
结构动力学分析在工程实践中具有广泛的应用，主要包括以下
几个方面：
1）自由振动分析：研究结构在没有外部激励下的振动特性，
如固有频率、振型等。
2）强迫振动分析：研究结构在外部周期性激励下的响应，如
共振现象、动态应力等。
3）冲击响应分析：研究结构在瞬态载荷（如冲击、爆炸等）
下的响应，如振幅、应力等。
4）模态分析：研究结构的振动模态和模态参量，如固有频率、振型等。
2.3 ANSYS动力学分析的方法
ANSYS提供了多种方法用于进行结构动力学分析，常见的方法包括以下几种：
1）频域分析：在频域上进行结构响应求解，适用于稳态激励和线性结构。
2）时域分析：在时域上进行结构响应求解，适用于瞬态激励和非线性结构。
3）随机振动分析：研究结构在随机激励（如地震、风载等）下的响应。
4）模态超级位置法：基于模态分析的方法，结合频域或时域分析，用于复杂结构和非线性系统。
第三章：ANSYS结构静力学与动力学分析案例分析
本章将通过实际案例的分析，展示如何使用ANSYS进行结构静力学和动力学分析，并对结果进行解读。
3.1 结构静力学分析案例
以钢梁为例，通过ANSYS进行结构静力学分析，可以评估梁的变形和应力等情况。
通过设置加载条件和边界条件，可以模拟不同情况下的梁的行为。
3.2 结构动力学分析案例
以建筑结构为例，通过ANSYS进行结构动力学分析，可以评估建筑在地震等外部冲击下的响应。
通过模态分析和时域分析等方法，可以计算结构的频率、振型和最大位移等指标。
3.3 结构优化案例
在结构分析的基础上，可以通过ANSYS进行结构优化，以改进结构的性能和效果。
通过设计变量和约束条件的设置，可以使用优化算法寻求最佳结构方案。
总结：
本文介绍了ANSYS在结构静力学与动力学分析中的应用。
通过掌握ANSYS的基本概念、步骤和常用命令，可以进行准确、高效的结构分析。
通过实际案例的分析，展示了ANSYS在不同场景下的应用方式和结果解读方法。