柔体动力学-瞬态分析

• 二分是自动时间步长算法的一部分.在二分时，求解器退回到前一步时间ti 的收敛解，采用更小的时间步长ti.
– 二分提供了一种更准确求解非线性问题或者克服收敛困难的自动方法.
– 注意：二分会导致使用更多的求解时间，因为求解会退回到上一步收敛的解 ，然后采用更小的时间步长.因此，选择合适的初始和最大的施加步长可以减 小二分的次数.
– 刚性体是刚性的，没有计算应力、应变和相对变形，因此不需要网格； – 在内部处理中，刚性体是表示为位于惯性坐标系统中中心的点质量。
On the figure on the right, one can
see flexible bodies (meshed) and
rigid bodies (not meshed) in the
– 不同于刚体动力学分析，而是指定实际的自由度，而不是相对的自由度.
The animation on the right shows an assembly using cylindrical and revolute joints
Assembly shown here is from an Autodesk Inventor sample model
– 时间步长必须足够小才能正确地描述随时间变化的载荷；
– 时间步长控制着动力学响应的准确性。因此建议首先进行一次模态分析；
– 时间步长同样控制着非线性系统的准确性和收敛行为。在Section C会有 Newton-Raphson 背景信息的相关阐述。
4-6
Workbench-Simulation Dynamics
Workbench-Simulation Dynamics
E. 零件指定
Training Manual
• 在柔体动力学分析中，部件可以是柔性或者刚性的：
– 在 “Geometry” 分支, “Stiffness Behavior”可以从“Flexible” 改变为 “Rigid”
– 在同一个模型中，可以同时存在刚性体和柔性体
4-17
Workbench-Simulation Dynamics
…弹簧
• 弹簧可以在不同体之间或者体与地面之间定义：
– 弹簧可以定义表面的刚度和阻尼
• 阻尼的细节参考 Section I
– 弹簧可以在刚形体和柔性体上定义 – 弹簧是纵向的，所以刚度或者阻尼是相对于弹簧的长度改变
• 弹簧的长度不能为0 • 弹簧可以在顶点、边或者面上定义
件的质心被定义
4-14
Workbench-Simulation Dynamics
…零件指定
Training Manual
• 对于柔性体，网格密度是基于如下考虑：
– 网格必须足够细，才能捕捉到结构相应的振型（动态响应）； – 如果关心应力和应变，网格要足够细才能准确捕捉到梯度变化；
• 对于刚性体，不用产生网格
– 同样可以确定fresponse 的具体值。
4-8
Workbench-Simulation Dynamics
… 初始模态分析
注意点:
Training Manual
• 自动时间步算法在求解过程中会根据计算的反应频率，增大或者减小时 间步长的大小。
– 自动时间步算法仍然依赖于初始、最小、最大的时间步长；
– 如果最小的时间步长被使用，表明初始时间步长被设置得太大了。可以在 Solution Information 分支下的Details中，选择“Solution Output: Time Increment”显示时间步长的大小。
• 当进行模态分析确定合适的反应频率值时，仅获取一些模态并使用计算 得到的最大频率，这样做是不充分的。最好是考察不同的模态振型，最 后确定哪些模态是对结构的响应的有贡献的，进而确定所关心的最高阶 的模态频率。
– 柔体动力学同时也称为时程分析或者瞬态动力学分析。
Assembly shown here is from an Autodesk Inventor sample model 4-2
Workbench-Simulation Dynamics
A. 介 绍
Training Manual
• 柔体动力学分析用于评估惯性效应不可忽视的柔性体系统的动力学响应
柔体动力学分析
Workbench-Simulation Dynamics
概述
Training Manual
• 柔体动力学分析使用户能够确定结构系统在任何类型的时变载荷作用下 的动态响应。
– 与刚体动力学不同的是，物体可以是刚性的还可以是柔性的。对于柔性体， 可以包含非线性材料，能够获得应力和应变结果。
4-16
Workbench-Simulation Dynamics
…连接
Training Manual
• 在柔体动力学分析中，还有指定连接行为的另外选项:
– “Rigid” (默认)行为意味着选取的表面不会变形，而当做刚性面.这就意味着在 分析过程中，圆柱面仍然保持为圆柱面.
– “Deformable” 行为意味着虽然连接能够满足， 但是选取的表面能够自由变形.这就意味着在分 析过程当中，圆柱面可能不再保持为圆柱面.
– 默认的初始条件是所有的体都处于静止状态
• 无需另外的操作
– 如果有些体初始位移为0，但是初始速度不为0， 可以按照如下输入:
• 只有体能够被指定 • 输入常值初始速度 (这种方法不能输入多个常值初始速度)
4-19
Workbench-Simulation Dynamics
… 初始条件
Training Manual
• 通过多个载荷步定义初始位移和速度：
– 对于其它情况，必须采用这种方法
– 让 “Initial Conditions” 保持为 “At Rest.” 对于 “Analysis Settings” ， 采用在短时间间隔内分两个载荷步：
• 第一步在Details 中设置非常小的 “Step End Time”. 同时, 第一个载荷步改变 “Time Integration: Off”和“Auto Time Stepping: Off”. 修改“Define by: Substeps” 为“Number of Substeps: 1”.
• 柔性体部分需要考虑的内容同静力分析中一样：
– 指定恰当的材料属性，比如密度、弹性模量、泊松比等 – 非线性材料属性，比如塑性或者超弹性
• 对于刚形体：
– 只有3D 单体部件可以指定为刚形体； – 密度是唯一需要的材料属性，用于计算质量
属性，其它的材料属性将会被忽略； – “Inertial Coordinate System”会自动在部
– 如果惯性和阻尼效应可以忽略的话，可以考虑用线性或非线性静力分析替代 – 如果载荷呈正弦变化以及响应是线性的，采用谐响应分析会更为有效
– 如果物体可以被认为是刚性体，而且是只关注系统的运动学性能，采用刚体 动力学分析能够节省计算成本
– 对于其它情况，则采用柔体动力学分析，因为其是动力学分析的最通用的类 型
– 在载荷步1，施加合适的位移约束值. 在载荷步2， 删除该位移。
– 这种方法的理念在于第一个载荷步通过一个很短的时间步长t1 ，根据施加的 强制位移xinitial ，得到初始位移和速度.
vinitial
xinitial 1
t1
如果时间步长t1 足够小，对实际结束时间的影响是可以忽略不记的.
4-20
… 初始模态分析
• 初始时间步长选择建议采用以下方程确定：
tinitial
20
1 f resp o n se
fresponse 是所关心的最高阶模态振型的频率。
Training Manual
• 为了确定所关心的最高阶的模态，在柔体动力学分析之前需要首先进行 系统的模态分析 。
– 通过这种方式，就可以确定结构的振型（即结构动态响应时可能激活的振动 形态）。
– 通过刚度矩阵的更新，包含非线性效应，比如几何非线性、材料非线性和接 触非线性

4-5
Workbench-Simulation Dynamics
…介 绍
Training Manual
• 柔体动力学分析使用范畴比结构静力分析和刚体动力学分析更广，其允 许存在所有的连接类型、载荷和支撑。
• 进行柔体动力学分析一个很重要的考虑因素就是时间步长：
4-9
Workbench-Simulation Dynamics
…包含非线性
Training Manual
• 如前所述，时间步长的大小同样对非线性分析有所影响:
– 时间步长必须足够小，使Newton-Raphson方法获得力的平衡（收敛） – 用户也需要基于非线性的考量，指定初始、最小、最大的时间步长
4-10
Workbench-Simulation Dynamics
…包含非线性
• 自动时间步长算法考虑了如下非线性效应:
– 如果不满足力平衡（或者其它收敛准则）,时间步长自动二分; – 如果最大的塑性应变增量超出了15%,时间步长自动二分; – 另外: 如果接触状态发生突变，时间步长自动二分.
Training Manual
Workbench-Simulation Dynamics
I. 载荷、支撑和边界条件
Training Manual
• 对于刚形体，在刚体动力学分析中，只支持惯性载荷、远端载荷和连接 条件。
– 刚形体不能够变形，所以不要施加结构和热载荷。
• 对于变形体，所有载荷类型都可以施加：
窗口中设置 .
– 如果用户想根据接触状态打开时间步长设置，可以在具体接触区域的Details 窗口中的“Time Step Controls” 设置.
• 使用该选项可以减小时间步长，保证像在冲击问题中正确地传递动量