模态与瞬态动力学分析2010

模态分析中的四个主要步骤： • 建模(与静力分析一样) • 选择分析类型和分析选项 • 施加边界条件并求解 • 评价结果
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建模： • 需要杨氏模量和密度, 必须定义密度 • 只能使用线性单元和线性材料，非线性性质将被忽略 • 有关建模要考虑的因素与静力分析一致
选择分析类型和选项
命令法是有用的。
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规定边界条件和初始条件（接上页）
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实例 – 承受冲击载荷的固定平板
• 此种情况下 u0 = v0 = a0 = 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。
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施加边界条件并求解（接上页）
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位移约束（接上页）： • 对称边界条件只产生对称的振
型，所以将会丢失一些振型。
完整模型
对称边界
反对称边界
观察结果
模态扩展： • 对于缩减法而言，扩展意味着从缩减振型中计算出全
部振型； • 对于其它方法而言，扩展意味着将振型写入结果文件
中； • 如果想进行下面任何一项工作，必须扩展模态：
– 在后处理中观察振型； – 计算单元应力； – 进行后继的频谱分析。
典型命令：
MXPAND，...
施加边界条件并求解
位移约束： • 施加必需的约束来模拟实际的固定情况； • 除位移约束之外的其他载荷将被忽略； • 不允许有非零位移约束。
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观察结果（接上页）
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观察振型 （接上页）： • 振型可以制作动画： Utility Menu > PlotCtrls >
Animate > Mode Shape...
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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
论 • 阻尼 – 将在下面讨论
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
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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
模态分析是所有动力学分析的基础和前提。
模态分析的好处：
• 使结构设计避免共振或以特定频率进行振动（例如扬声 器）；
• 使工程师可以认识到结构对于不同类型的动力载荷是如 何响应的；
• 有助于在其它动力分析中估算求解控制参数（如时间步 长）。
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模态分析步骤
施加时间-历程载荷并求解（接上页）
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列表输入法
• 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；
• 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很方便；
• 例如，要施加下图所示的力随时间变化曲线：
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)
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规定边界条件和初始条件（接上页）
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瞬态动力学分析
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什么是瞬态动力学分析? • 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：
• 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，另一个为阶梯式的除 去载荷；
动力学分析的意义
静力分析也许能确保一个 结构可以承受稳定载荷的 条件，但这些还远远不够， 尤其在载荷随时间变化时 更是如此。
著名的美国塔科马海峡吊 桥（Galloping Gertie） 在 1940年11月7日，也就是在 它刚建成4个月后，受到风 速为42英里/小时的平稳载 荷时发生了倒塌。
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施加时间-历程载荷并求解
建模
选择分析类型和选项
Load
规定边界条件和初始条件
施加时间-历程载荷和求解
Load
• 时间- 历程载荷是随时间变化 的载荷
• 这类载荷有两种施加方法：
– 列表输入法
Load
– 多载荷步施加法
– 函数载荷法
– Ansys命令流程序
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t t t
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模态分析实例-----飞机机翼 的模态分析
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参数:E=30GPa，v=0.26，DENS=1580kg/m3 A(0,0), B(2,0), C(2.5,0.2), D(1.8,0.45), E(1.1,0.3)
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飞机机翼的有限元模型
1. 选择 Solution > Apply > Force/Moment > On Nodes， 然后拾取所需节点
Force
22.5 10
0.5 1.0 1.5 t
施加时间-历程载荷并求解（接上页）
2. 选择力方向和 “新表New
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table”， 然后确定（OK）；
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模态提取选项：
• 方法： 建议对大多数情况使用
Block Lanczos 法
• 振型数目： 必须指定（缩减法
除外）
• 频率范围： 缺省为全部，但可
以限定于某个范围内 （FREQB to FREQE）
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选择分析类型和选项 （接上页） Training Manual
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• 进入通用后处理器POST1 • 列出各自然频率 • 观察振型 • 观察模态应力
列出自然频率： • 在通用后处理器菜单中选择 “Results Summary”； • 注意，每一个模态都保存在单独的子步中。观察结ຫໍສະໝຸດ （接上页）观察结果（接上页）
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模态应力：
• 如果在选择分析选项时激活了单元应力计算选项，则可以得到模 态应力
• 应力值并没有实际意义，但如果振型是相对于单位矩阵归一的， 则可以在给定的振型中比较不同点的应力，从而发现可能存在的 应力集中。
– 随时间变化的位移和其它的导出量，如：应力和应变。
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。
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模态分析
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模态分析是用来确定结构的振动特性的一种技术： – 自然频率 – 振型 – 振型参与系数 （即在特定方向上某个振型在多大程 度上参与了振动）
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• 动力学分析通常分析下 列物理现象:
– 振动 – 模态分析，如由 于旋转机械引起的振动
– 冲击 -瞬态动力学分析， 如汽车碰撞，锤击
– 交变作用力 – 谐分析， 如各种曲轴以及其它回 转机械等
– 地震载荷 – 谱分析，如 地震，冲击波等
– 随机振动 -随机振动分析， 如火箭发射，太空船和 飞机等
瞬态分析步骤
• 五个主要步骤： – 建模---记住要输入密度！ – 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
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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