有限元基础理论 瞬态分析
ANSYS瞬态分析实例
ANSYS瞬态分析实例ANSYS（ANalysis SYStem）是一种流行的工程模拟软件，广泛应用于各个领域，包括结构力学、流体力学、热传导和电磁场分析等方面。
在ANSYS中，瞬态分析是一种在物体受到短暂或周期性载荷作用下，模拟其动态响应的方法。
下面将介绍一个ANSYS瞬态分析的实例。
这个实例是根据汽车上的减震器设计一个座椅的瞬态分析。
在汽车行驶过程中，道路的不平整会导致减震器不断进行压缩和回弹，从而对座椅作用力产生冲击。
为了确保座椅能够有效地吸收冲击并保证驾驶员和乘客的舒适性，需要进行瞬态分析。
首先，需要根据座椅的几何模型进行建模。
使用ANSYS的CAD工具，可以绘制出座椅的三维几何模型。
然后，根据座椅材料的力学特性，如弹性模量、泊松比等，对座椅进行材料属性的定义。
接下来，需要对座椅的约束条件进行定义。
在这个实例中，假设座椅与地面之间存在一个理想刚度的连接。
这意味着座椅无法在垂直方向上移动，而只能进行压缩和回弹。
然后，需要定义一个驾驶员上座的载荷。
在这个实例中，假设驾驶员对座椅的作用力具有一个正弦波形的周期性载荷，模拟道路不平整带来的冲击。
在定义完约束条件和载荷后，需要进行网格划分。
ANSYS使用有限元分析方法，将物体离散成许多小的有限元，并使用计算方法对每个有限元进行求解。
因此，对座椅进行网格划分是必要的。
接下来，可以进行求解。
在这个实例中，座椅受到周期性载荷的作用，因此需要进行瞬态分析。
ANSYS会对每个时间步长进行求解，模拟座椅的动态响应。
在求解过程中，可以观察座椅的位移、应变等结果。
最后，可以对结果进行后处理。
ANSYS提供了各种可视化和分析工具，可以对模拟结果进行动画演示、应变云图、频谱分析等。
这些工具可以帮助工程师更直观地理解座椅在瞬态载荷下的动态行为，并优化设计方案。
通过以上步骤，可以利用ANSYS进行座椅的瞬态分析。
这个实例是ANSYS瞬态分析在汽车工程中的一个应用，但实际上瞬态分析可以用于各种领域，如航空航天、建筑结构等。
有限元分析基础知识
2000，4
ANSYS单元分类
1. 杆单元，包括二维杆单元和三维杆单元，线性调节 元，主要包括： LINK1，LINK8，LINK10，LINK11，LINK180等。 2. 弹簧阻尼单元，包括COMBIN系列： COMBIN7,COMBIN14,COMBIN37,COMBIN40等。 3. 质量元，MASS21。
ANSYS/Structural求解功能
ANSYS/Structural求解功能
Static -- 结构静力问题（包括线性和非线性问题） Modal -- 模态振动特性计算分析（结构固有频率和振型） Harmonic -- 谐波分析 Transient -- 瞬态分析 Spectrum -- 谱分析 Eigen Buckling -- 特征值屈曲分析（线性） Substructural -- 子结构分析 。。。。。。
2000，4
有限元分析步骤（续）
• 集合所有单元的平衡方程，集合依据的是所有相邻 单元在公共节点 处的位移相等；建立总体的有限元方程组。 • 引入边界条件 • 求解有限元方程组，得到未知节点位移 • 计算单元应力，对不同的单元，对应力的处理还有不同的方法
2000，4
ANSYS文件结构
二进制文件 Jobname.db （数据库文件） Jobname.dbb （备份文件） Jobname.rst （结构分析结果文件） Jobname.rth （热分析结果文件） Jobname.rmg （电磁场分析结果文件） Jobname.rfl （流体分析结果文件） Jobname.tri （三角化刚度矩阵文件） Jobname.emat （单元矩阵文件） Jobname.esav （单元保存文件）
2000，4
简例（续）
Ansys动力学瞬态动力的分析
将结果以图表或报告的形式输出，便于分析和评 估。
05 案例分析
案例一：桥梁的瞬态动力分析
总结词
复杂结构模型，高精度模拟，长 期稳定性
详细描述
使用ANSYS动力学瞬态分析对大 型桥梁进行模拟，考虑风载、车 流等动态因素，评估桥梁在不同 频率下的振动响应和稳定性。
案例二：汽车碰撞的瞬态动力分析
根据实际系统建立数学模型，包括确定系统的自由度和约束条件， 以及选择合适的单元类型和材料属性。
加载和求解
根据问题的实际情况，施加适当的边界条件和载荷，然后使用 ANSYS等有限元分析软件进行求解。
结果后处理
对求解结果进行后处理，包括查看位移、应力、应变等输出结果， 并进行必要的分析和评估。
瞬态动力学的应用场景
瞬态动力学是研究系统在随时间变化的载荷作用下的动力响应，其基本原理基于牛 顿第二定律和弹性力学的基本方程。
瞬态动力学考虑了时间的因素，因此需要考虑系统的初始条件和边界条件，以及载 荷随时间的变化。
瞬态动力学中，系统的响应不仅与当前时刻的载荷有关，还与之前的载荷历史有关。
瞬态动力学的分析步骤
建立模型
求解设置
选择求解器
01
根据模型特点选择合适的求解器，如直接求解器或迭代求解器。
设置求解参数
02
设置合适的求解参数，如时间步长、积分器等。
开始求解
03
启动求解过程，ANSYS将计算并输出结果。
结果后处理
查看结果
在后处理模块中查看计算结果，如位移、应力、 应变等。
分析结果
对结果进行分析，判断结构的响应和性能。
06 结论与展望
瞬态动力学的未来发展方向
更加精确的模型
三相同步发电机的瞬态短路有限元分析
序 将会 自动 生成Ｍａｗｅｌ Ｄ 模 型， ｘ ｌ２ 并且 自动 缩小 至最 小单位 模 型［。通过 对模 型进 行运 动属性 的 修 改 ，外 电路的设 置及求 解器 的设置 等 。最终 的
模 型建立 如 图 １ 。
真模 型 ，并对 同步发 电机 的 电流和 电磁 转矩 在短
１％ ０ ０
（） ２
第 ｌ 期
王 春 迎 等 ：三 相 同 步 发 电机 的瞬 态 短 路 有 限元 分 析
７ ３
式中，
一 空 载 电动 势 ；
行 突然 三相 短路 的仿真 波形 。图 中给 出机 端 Ｂ相 短 路 电流瞬 时值变 化 曲线 。
Ｕ ， ～额 定 电压 ；
三 相 同步发 电机 ，按照项 目管 理窗 口中 的顺 序依 次输入 电机 的各项 参数 。三相 同步发 电机 的主要
２ 同步 发 电机 的 电压 调整 率
在 同步发 电机 的优化 设计过程 中，要保证 发
电机 的端 电压不 随 负载 电流 的变化 而剧烈 波动 以 致绝 缘被 击穿 ，就要 充分考 虑到 同步发 电机 的固 有 电压 调整 率［。 训 △ ％：
图 １ 电机模 型
模 型采用一 键式直接 导入到 ２ Ｄ界面 中； 是通过 三 Ａ ｔＣ Ｄ、Ｃ 认 等 绘 图软 件 ，画好分 析 中需要 ｕｏ Ａ 的模 型之后 导入￣ Ｍａｗｅｌ Ｊ ｌ ｘ ｌ 中去 ， 这种 方法生成 的 模型 自由度 比较 高 。【 Ｊ
Ｒ ｐｔ Ｍｘ ｒ ￣快速提供基于磁路法的分析结果Ｌ， ２ Ｊ
路期 间进行 仿真研 究 ，为 电机 的优化 设计提供 必
要 的理论依据 。
１ 模 型 建 立
在Ｍａｗ ｌ 限元 分析 中 ，一般 有三种 模 型 ｘ ｅｌ 有 建 立 的方式 ：一是使 用软件一些常用 的定转 子冲 片模 型；二 是
有限元分析基础
有限元分析基础第⼀讲第⼀章有限元的基本根念Basic Concepts of the Finite Element Method1.1引⾔(introduction)有限元(FEM 或FEA)是⼀种获取近似边值问题的计算⽅法。
边值问题(boundary valueproblems, 场问题field problem )是⼀种数学问题(mathematical problems)(在所研究的区域，⼀些相关变量满⾜微分⽅程如物理⽅程、位移协调⽅程等且满⾜特定的区域边界)。
边值问题也称为场问题，场是指我们研究的区域，并代表⼀种物理模型。
场变量是满⾜微分⽅程的相关变量，边界条件代表场变量在场边界上特定的值(物理边界转化为数学边界)。
根据所分析物理问题的不同，场变量包括位移、温度、热量等。
1.2有限元法的基本思路 (how does the finite element methods work)有限元法的基本思路可以归结为：将连续系统分割成有限个分区或单元，对每个单元提出⼀个近似解，再将所有单元按标准⽅法组合成⼀个与原有系统近似的系统。
下⾯⽤在⾃重作⽤下的等截⾯直杆来说明有限元法的思路。
等截⾯直杆在⾃重作⽤下的材料⼒学解答图1.1 受⾃重作⽤的等截⾯直杆图1.2 离散后的直杆受⾃重作⽤的等截⾯直杆如图所⽰，杆的长度为L ，截⾯积为A ，弹性模量为E ，单位长度的重量为q ，杆的内⼒为N 。
试求：杆的位移分布，杆的应变和应⼒。
)()(x L q x N -=EAdxx L q EA dx x N x dL )()()(-==-==x x Lx EA q EA dx x N x u 02)2()()((1))(x L EAq dx du x -==ε )(x L AqE x x -==εσ等截⾯直杆在⾃重作⽤下的有限元法解答 (1) 离散化如图1.2所⽰，将直杆划分成n 个有限段，有限段之间通过⼀个铰接点连接。
下颌骨-牙种植体有限元建模与瞬态分析
ｇ ｓｗｅ ｅｃ ｎ ｅ ｅ ｎｏ ａ ｔｒｅ ｄｍｅ ｓｏ ａ Ｅ（ ｎｔ ｌｍｅ ｔ ｍｏ ｅ． Ｔ ｅ Ｆ ｄ ｌ ｔｄａ ｅ ｒ ｏ ｖ ｒ ｄ ｉｔ ｅ — ｉ ｎ ｉｎ Ｆ ｆ ｉ ｅｅ ｎ ） ｔ ｈ ｌ ｉ ｅ ｄ １ ｈ Ｅ ｍｏ ｅ’ ｍａｅ ｌ Ｓ
摘 要 ： 过逆 向工 程技 术 ， 二 维 的下 颌 骨 Ｃ 图片 转 化为 三 维有 限元模 型． 通 将 Ｔ 根据 Ｃ 图片像 素 Ｔ
的 Ｈｏ ｎｆ ｌ 将 颌 骨材 料划 分 为 １ ｕｓｅ ｉ ｄ值 Ｏ种 材 料属 性 ， 并建 立含 种 植体 的下 颌 骨有 限元 计 算模 型．
以冲 击载荷 模 拟牙 齿 咀嚼 时的力作 用 ， 计算 下颌 骨一 植 体在 此冲 击 载荷 作 用 下 的响 应 ： 种 当应 力 波首 次传 到 种植 体 一下 颌 骨 界 面 时 ， 种 植 体 上 部 第 １圈 螺 纹 的 根 部 出现 局 部 的 应 力 峰 值 在
第４ Ｏ卷 第 ４期
２１ ０ ０年 ７月
东 南 大 学 学 报 （自然科 学版 ）
Ｊ Ｒ Ｌ Ｏ Ｏ Ｈ ＡＳ Ｉ Ｅ ＳＴ （ ａｕａ ＳｉｎｅＥ ｉｏ ） ＯＵ ＮＡ Ｆ Ｓ ＵＴ Ｅ ＴＵＮ Ｖ Ｒ Ｉ Ｙ Ｎ ｔｒｌ ｃ ｃ ｄｔ ｎ ｅ ｉ
空间薄壁圆管瞬态温度场有限元分析
型 空 间 结 构往 往 采 用 由薄 壁 杆 件 组 成 的 桁 架 结 构 ， 以 这 是 一 个 非 线 性 、 态 、 杂 结 构 的 温 所 瞬 复
度场分析问题 。对于大型空间结构在热载荷 ４
下 的 温 度 场 以及 由温 度 场 导 致 结 构 热 变 形 的研 究 ，ｈｒｔｎ１等 人 作 出 了 很 大 的 贡 献 ， 出 了 Ｔ ｏｎｏ ｌ 给 典 型 的昼 夜 交 替 突 加 热 流 作 用 下对 称 帆 板 模 型 热结 构 响应 的 分 析 方 法 。清 华 大 学 的 教 授 和研
ｓ ｆ ａ ｅ ｈ ｕ ｅ ｆｔ ｅ ｍａ ｎ ｂ ａ ｏ ｗ ｒ ．Ｔ ｅ ｒ ｌｓ ｏ ｉ ｅ ｍ ｔ ｍｐ ｒ ｔ ｒ ｉｔ ｂ ｔ ｎ ｃ ａ ｇｎ ｉ ｉ ｅ ｅ ｏ ｔｉ ｅ ｙ ｔ ｈ ｅ ｅ ａｕ ｅ ｄ ｓｒ ｕ ｉ ｈ ｎ ｉｇ ｗ ｔ ｔ ｉ ｏ ｈ ｍｅ ｗ ｒ ｂ ａｎ ｄ ｂ ｔ ｅ ｓｍｕ ａｉ ｎ ｄ ｒ ｇ ａ ｃｒ ｌ ｆｔ ｅ ｓ ｎ ｉｅ ａ ｄ ｓ ｎ ｅ ．Ｔ ｅ ｒ ｓ ｌ ｈ ｗ ｔ ａ ｔ ｅ ｔ ｍｐ ｒ ｔｒ ａ ｅ ａ ｈ ｉ ｌｔ ｕ ｉ ｉ ｅ ｏ ｕ ｒ ｎ ｕ ｓ ｔ ｈ ｅ ｕ ｔ ｓ ｏ ｔ ｈ ｅ ｅ ａｕ ｅ ｈ ｖ ｏ ｎ ｃ ｈ ｓ ｓ ｈ ｓ ｅ ｄ ｓｒ ｕ ｉｎ ａｏ ｇ ａ ｃ ｏ ｓ ｓ ｃｉ ｎ ｏ ｅ ｍａｎ ｂ ａ ｉ ｉｔ ｂ ｔ ｌ ｎ ｒ ｓ — ｅ ｔ ｆ ｈ ｉ ｅ ｍ．Ｔ ｅ ｔ ｂ ｒ ｓ — ｅ ｔ ｎ ｗｉ ｅ ｃ ｔ ａ ｙ ｔ ｍ— ｎ ｉ ｏ ｏ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｓ ｓ ｃｉ ｌ ｒ ａ ｈ ｓ ｄ ｕ ｏ ｌ ｅ ｅ ｐ ｒ ｔ ｒ ｔｔ ｔａ ｏ ｔ１ ０ ０ ｓ ｃ ｎ ｓ ｗ ｅ ｈ ｉ ｅ ｍ ｓ ｉ ｈ ｕ ｓ ｉ ｅ ｂ ｔａ ｏ ｔ１ ０ ｓ ｃ ｎ ｓ ｅ ａｕ ｅ ｓ ｅ ａ ｂ ｕ ０ ｅ ｏ ｄ ｈ ｎ ｔ ｅ ｍａｎ ｂ ａ ｉ ｎ ｔ ｅ ｓ ｎ ｈ ｎ ｕ ｂ ｕ ５ ｅ ｏ ｄ ａ
兆瓦级直驱风力发电机瞬态短路有限元分析
用 Ａ ｎ ｓ ｏ ｌ软 件建 立 永 磁 同 步 风力 发 电 机 模 型 ｆ
的具体过程如下 ：首先 ，把永磁同步发电机的几何 尺寸 和 材料 属 性输 入 Ｒ Ｍ ｘ ｐ ｒ ｔ 模 块 中 ，由软 件对 所
输入 项 进 行 求解 ， 自动 生 成 几 何 模 型 （ 见图 ２ ） 。 在Ｒ Ｍｘ ｐ ｒ ｔ 模 块 中求 解 出绕 组 每相 电阻值 和 端部 漏 感 ，方便有 限元 分析 时应用 ；随后 ，使 用一键 有 限 元程 序 自动 生 成 Ｍａ ｘ ｗ ｅ ｌ ｌ ２ Ｄ模 型 ，并 且 自动缩 小 至最 小单元 模 型 ；在 生成 的几 何模 型里 对转 子永磁 体重 新建模 ，重新 定 义 电机 的材料 屙 ｌ 生、边界 条件 和绕 组 的激 励 源 ，二 维仿真模 型是 整个模 型 的八分 之一 （ 见图 ３ ） ；确 定 运 动界 限 、转子 转 速 、有 限 元分 析 的时间 步长 ，细 化 软件 自适 用 网格 等 ｌ ３ １ ，最
一
重技 了 ｌ ｃ
应用０ 露
Ｈ ＝ ２ ２ ３ ４ ０ Ｏ ｅ ；相对 回复磁 导率 ／ Ｊ ￣ ｒ ＝ １ ． ０ ５ ；剩 磁 温度
１ 建 立模 型
１ ． １ Ａ ｎ ｓ ｏ ｆ仿 真 基本步 骤
系数 Ｏ Ｌ ＝ 一 ０ ． １ １ ％・ ｃ Ｃ 一 ； 矫 顽 力 温 度 系 数
流程 图 （ 电机基 本参数
本文以 ３ ． ０ ＭＷ 直驱 永磁 风 力发 电机 为 分析 对 象 ，其 额定 功率 ３ ０ ０ ０ ｋ Ｗ ；额定 电压 ７ ３ ０ Ｖ；额 定 转速 ｌ ２ ． ５ ｒ ／ ａｉ ｒ ｎ ；额 定 频 率 １ ０ ． ４ Ｈｚ ； 功 率 因 数 ０ ． ９ ２ ；三 相 绕 组 星 型连 接 ；双 层 绕 组 ；外 转 子 结
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第8章 瞬态动力学分析
✓后处理 时间历程后处理 定义变量，提取数据，绘制变量的时间变化曲线（在实例中讲解） 实例1（静力分析）
实例1（瞬态分析，方法1）
实例1（瞬态分析，方法2）
第8章 瞬态动力学分析
共振（瞬态分析，方法1）
第8章 瞬态动力学分析
共振（瞬态分析，方法2）
第8章 瞬态动力学分析
第8章 瞬态动力学分析
8.2.3缩减法（Reduced method）。 采用主自由度和缩减矩阵来压缩问题的规模。主自由度处的位移计算出来 后，扩展到初始的完整DOF集上。 特点: 比Full法快，开销小； ✓所有载荷必须施加在用户定义的自由度上，不能在实体模型和单元上施 加载荷； ✓整个瞬态分析过程中时间步长必须保持恒定，不允许用自动时间步长； ✓唯一允许的非线性是点-点接触； ✓不允许非零位移； ✓初始解只计算出主自由度的位移。要得到完整的位移、应力和力的解需 进行扩展处理。
第8章 瞬态动力学分析
8.1 瞬态动力学分析概述
瞬态动力学分析（也称时间历程分析）用于受任意随时间变 化载荷的结构动力学响应。
8.2 瞬态动力学分析方法
8.2.1完全法（full method）。 采用完整的系统矩阵计算瞬态响应。功能最强，允许包含各类非线性特 性（塑性、大变形、接触）。 优点: 容易使用，不必关心和选取主自由度； 允许包含各类非线性； 在一次处理过程中计算出所有的位移和应力； 允许施加各种类型的载荷； 允许采用实体模型上所加的载荷。
第8章 瞬态动力学分析
8.3Full法瞬态动力学分析基本步骤
✓前处理（建立模型、划分网格） ✓建立初始条件； ✓设置求解控制； ✓设置求解选项； ✓施加载荷（不随时间变化的载荷和边界条件）； ✓设定载荷步和变化载荷； ✓瞬态求解； ✓后处理。
第8章 瞬态动力学分析
✓前处理（建立模型、划分网格） 可以采用各种非线性； ✓建立初始条件； 第一个载荷步通常被用来建立初始条件。初始条件应该是零时刻的情况，但 由于求解时间必须大于零，所以初始条件一般设定一个小的时间，也可在瞬 态分析中的第一载荷步中设置。 ✓设置求解控制； 指定在载荷步的载荷发生变化的形式是阶跃（默认的）载荷还是斜坡载荷； 设定此步载荷步的子步数目，可以打开自动子步来优化。 ✓设置求解选项； 预应力； 阻尼； 质量矩阵的形式。
第8章 瞬态动力学分析
8.2.2模态叠加法（mode superposition method）。 通过对模态分析得到的振型（特征值）乘上因子并求和来计 算出结构的响应。
特点: 比Full法快，开销小； ✓整个瞬态分析过程中时间步长必须保持恒定，不允许用自动时间步长； ✓唯一允许的非线性是点-点接触； ✓不允许非零位移。
实例1（静力分析）
第8章 瞬态动力学分析
最最大大节节点点应应力力时时间间历历程程（（sstteepp）ped）
瞬态分ห้องสมุดไป่ตู้（第六步，力最大）
方法1最大节点应力时间历程（ramped）
第8章 瞬态动力学分析
方法2最大节点应力时间历程（ramped）
第8章 瞬态动力学分析
✓施加载荷（不随时间变化的载荷和边界条件）； 为考虑惯性力的影响，需设置材料的密度； 其它载荷施加与静力分析一样。 ✓设定载荷步和变化载荷； Time,… KBC,… Loads,… Lswrite,i ✓瞬态求解； 多载荷步求解:Solution->Solve->From LS Files; APDL: lssolve,i,j