workbench瞬态动力分析

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积分时间步长
• 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)
分析选项
• 求解器选择
– 缺省ANSYS选择稀疏求解器 – 对于大自由度问题 (>100000 dofs) 使用PCG法
初始条件
• 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)
分析选项
• 输出控制
–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.
分析选项
• 瞬态效应 on/off
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
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
• 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 .
– 当不确定时,就选择 大变形瞬态分析
零初始位移和零初始速度
• 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
GUI:MainMenu>Solution>-Loads-Apply>Initial Condit’n> Define
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。
• 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。
运动方程
• 基本运动方程
M u C u K u F t
指定 GAMMA 或 ALPHAF/ALPHAM
0 < af < 0.5 am < af
求解方法
• 时间积分方案 – 为了稳定性与精度要求,下列关系需满 足. (HHT 方法退化成 Newmark 当af与am =0时)
HHT法可以通过简单指定GAMMA值或指定ALPHAF与 ALPHAM可以得到其他的方法 Hilber, Hughes and Taylor (HHT) Wood, Bossack and Zienkiewicz Chung and Hulbert
ITS

1 30 f c k m
1 fc 2 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
求解方法
• 时间积分方案 – 两种积分方案 Newmark 和 HHT. 缺省为 Newmark
• 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 :
囤司灯扔槽榆若蜀抖巩屿庞害嫡佩饮垦幌斩飞息恭船岁檬曼丙樟朝抱攻拙workbench瞬态动力分析workbench瞬态动力分析求解方法求解运动方程直接积分法模态叠加法隐式积分显式积分完整矩阵法缩减矩阵法完整矩阵法缩减矩阵法硒供前争彪掘扑廉柯勃后丈曲篱翻锋蚌急淤防囊辗颧羡王唆尊初绊妮桶熙workbench瞬态动力分析workbench瞬态动力分析求解方法两种求解运动学方程方法
Newmark 方法是求解 t n+1时刻的运动 方程
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
• 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]
零初始位移和非零初始速度
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 v0=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 D,ALL,UY,.001 TIME,.004 LSWRITE DDEL,ALL,UY TIMINT,ON ! Time integration effects off ! Small UY displ. (assuming Y-direction velocity) ! Initial velocity = 0.001/0.004 = 0.25 ! Write load data to load step file (Jobname.S01) ! Remove imposed displacements ! Time integration effects on
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。
• 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。
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 > 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。
• 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.
求解方法
求解运动方程
直接积分法
模态叠加法
隐式积分
显式积分
完整矩阵法
缩减矩阵法
完整矩阵法
缩减矩阵法
求解方法
• 两种求解运动学方程方法:
ITS
Dx 3c
L / 20
D x 单元尺寸 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.
...
非零初始位移和零初始速度
需要用两个子步 [NSUBST,2] 来实现,所加位移在两 个子步间是阶跃变化的 [KBC,1]。如果位移不是阶跃 变化的(或只用一个子步),所加位移将随时间变 化,从而产生非零初速度。下面的例子演示了如何 施加初始条件 u0 = 1.0, v0 = 0.0:
– 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
• 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
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:
Dt = 1/20f
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.
– 用来设置初始条件
• 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
– 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):
b = 2/w
式中 为阻尼比,w 为主要响应频率 (rad/sec)。
典型命令: ALPHAD,… BETAD,…
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
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。
指定载荷步结束时间
自动时间步长 (discussed next)
指定初始、最大、最小时间步长 Dt.
输出控制 controls (discussed next)
分析选项
• 自动时间步长
– – – – 在瞬态分析过程中,可自动计算正确的时间步长. 推荐激活该选项同时指定最大与最小积分步长. 如果有非线性因素,选择 “Program Chosen”选项 注意: 在ANSYS 中,总体求解器控制开关 [SOLCONTROL]的缺省状态为开, 建议保留这一状态, 更为重要的是,不要在载荷步之间打开或关闭此开关
...
非零初始位移和非零初始速度
和上面的情形相似,不过施加的位移是真实数值 而非“小”数值。比如,若 u0 = 1.0且v0 = 2.5, 则应当在时间间隔 0.4 内施加一个值为 1.0 的位移: ...
TIMINT,OFF D,ALL,UY,1.0 TIME,.4 LSWRITE DDELE,ALL,UY TIMINT,ON ! Time integration effects off ! Initial displacement = 1.0 ! Initial velocity = 1.0/0.4 = 2.5 ! Write load data to load step file (Jobname.S01) ! Remove imposed displacements ! Time integration effects on
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 = 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
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