abaqus中的动态分析方法

ABAQUS线性动态分析如果你只对结构承受载荷后的长期响应感兴趣，静力分析（static analysis）是足够的。

然而，如果加载时间很短（例如在地震中）或者如果载荷在性质上是动态的（例如来自旋转机械的荷载），你就必须采用动态分析（dynamic analysis）。

本章将讨论应用ABAQUS/Standard进行线性动态分析；关于应用ABAQUS/Explicit进行非线性动态分析的讨论，请参阅第9章“非线性显式动态分析”。

7.1 引言动态模拟是将惯性力包含在动力学平衡方程中：+PuMI-=其中M结构的质量。

u 结构的加速度。

I在结构中的内力。

P 所施加的外力。

在上面公式中的表述是牛顿第二运动定律（F = ma）。

在静态和动态分析之间最主要的区别是在平衡方程中包含了惯性力（M u ）。

在两类模拟之间的另一个区别在于内力I的定义。

在静态分析中，内力仅由结构的变形引起；而在动态分析中，内力包括源于运动（例如阻尼）和结构的变形的贡献。

7.1.1 固有频率和模态最简单的动态问题是在弹簧上的质量自由振动，如图7-1所示。

图7–1 质量－弹簧系统在弹簧中的内力给出为ku ，所以它的动态运动方程为mu ku P +-=0 这个质量－弹簧系统的固有频率（natral frequency ）（单位是弧度/秒（rad/s ））给出为ω= 如果质量块被移动后再释放，它将以这个频率振动。

若以此频率施加一个动态外力，位移的幅度将剧烈增加，这种现象即所谓的共振。

实际结构具有大量的固有频率。

因此在设计结构时，非常重要的是避免使可能的载荷频率过分接近于固有频率。

通过考虑非加载结构（在动平衡方程中令0P =）的动态响应可以确定固有频率。

则运动方程变为M u I +=0 对于无阻尼系统，I Ku =，因此有M u Ku +=0 这个方程的解具有形式为t i e u ωφ=将此式代入运动方程，得到了特征值（eigenvalue ）问题K M φλφ= 其中2λω=。

该系统具有n 个特征值，其中n 是在有限元模型中的自由度数目。

记j λ是第j 个特征值；它的平方根j ω是结构的第j 阶模态的固有频率（natural frequency ），而j φ是相应的第j 阶特征向量（eigenvector ）。

特征向量也就是所谓的模态（mode shape ）（也称为振型），因为它是结构以第j 阶模态振动的变形形状。

在ABAQUS/Standard 中，应用频率的提取过程确定结构的振型和频率。

这个过程应用起来十分容易，你只要指出所需要的振型数目或所关心的最高频率即可。

7.1.2 振型叠加在线性问题中，可以应用结构的固有频率和振型来定性它在载荷作用下的动态响应。

采用振型叠加（modal superposition ）技术，通过结构的振型组合可以计算结构的变形，每一阶模态乘以一个标量因子。

在模型中的位移矢量u 定义为∑∞==1i ii u φα其中i α是振型i φ的标量因子。

这一技术仅在模拟小变形、线弹性材料和无接触条件的情况下是有效的，换句话说，即线性问题。

在结构的动力学问题中，结构的响应往往被相对较少的几阶振型控制，在计算这类系统的响应时，应用振型叠加成为特别有效的方法。

考虑一个含有10,000个自由度的模型，对动态运动方程的直接积分将在每个时间点上同时需要联立求解10,000个方程。

如果通过100个振型来描述结构的响应，则在每个时间增量步上只需求解100个方程。

更重要的是，振型方程是解耦的，而原来的运动方程是耦合的。

在计算振型和频率的过程中，开始时需要一点成本，但是，在计算响应时将会节省大量的计算花费。

如果在模拟中存在非线性，在分析中固有频率会发生明显的变化，因此振型叠加法将不再适用。

在这种情况下，只能要求对动力平衡方程直接积分，它所花费的时间比振型分析昂贵得多。

必须具备下列特点的问题才适合于进行线性瞬态动力分析：•系统应该是线性的：线性材料行为，无接触条件，以及没有非线性几何效应。

• 响应应该只受相对少数的频率支配。

当在响应中频率的成分增加时，诸如是打击和碰撞的问题，振型叠加技术的效率将会降低。

•载荷的主要频率应该在所提取的频率范围之内，以确保对载荷的描述足够精确。

•应用特征模态，应该精确地描述由于任何突然加载所产生的初始加速度。

• 系统的阻尼不能过大。

7.2 阻尼如果允许一个无阻尼结构做自由振动，则它的振幅会是一个常数。

然而在实际中，能量被结构的运动耗散，振动的幅度减小直至振动停止。

这种能量耗散被称为阻尼（damping ）。

通常假定阻尼为粘滞的，或者正比于速度。

包含阻尼的动力平衡方程可以重新写为Mu I P I Ku Cu +-==+0 其中C 是结构的阻尼矩阵u是结构的速度。

能量耗散来自于诸多因素，其中包括结构连接处的摩擦和局部材料的迟滞效应。

阻尼是一种很方便的方法，它包含了重要的能量吸收而又无需模拟具体的效果。

在ABAQUS/Standard 中，特征模态的计算是关于无阻尼系统的。

然而，大多数工程问题都包含某种阻尼，尽管阻尼可能很小。

对于每个模态，在有阻尼和无阻尼的固有频率之间的关系是ωωξd =-12其中 d ω 是阻尼特征值，0c c =ξ 是临界阻尼比， c是该振型的阻尼， 0c 是临界阻尼。

对于ξ的较小值（1.0<ξ），有阻尼系统的特征频率非常接近于无阻尼系统的相应值；当ξ增大时，无阻尼系统的特征频率成为不太准确的；而当ξ接近于1时，采用无阻尼系统的特征频率就成为无效的。

如果结构是处于临界阻尼（1=ξ），在任何扰动后，结构不会有摆动而是尽可能迅速地恢复到它的初始静止构形。

（见图7-2）图7–2 阻尼7.2.1 在ABAQUS/Standard 中阻尼的定义对于瞬时模态分析，在ABAQUS/Standard 中可以定义一些不同类型的阻尼：直接模态阻尼（direct modal damping ），瑞利阻尼（Rayleigh damping ）和复合模态阻尼（composite modal damping ）。

阻尼是针对模态动力学过程定义的，阻尼是分析步定义的一部分，每阶模态可以定义不同量值的阻尼。

直接模态阻尼应用直接模态阻尼可以定义与每阶模态相关的临界阻尼比ξ，其典型的取值范围是在临界阻尼的1%到10%之间。

直接模态阻尼允许用户精确地定义系统的每阶模态的阻尼。

Rayleigh 阻尼在Rayleigh 阻尼中，假设阻尼矩阵是质量和刚度矩阵的线性组合，K M C βα+=，其中α和β是由用户定义的常数。

尽管阻尼是正比于质量和刚度矩阵的假设没有严格的物理基础，实际上我们对于阻尼的分布知之甚少，也就不能保证其它更为复杂的模型是正确的。

一般的，这个模型对于大阻尼系统不可靠；即超过临界阻尼的大约10%。

相对于其它形式的阻尼，你可以精确地定义系统的每阶模态的Rayleigh 阻尼。

对于一个给定模态i ，临界阻尼值为i ξ，而Rayleigh 阻尼值α和β的关系为i ii βωωαξ22+=复合阻尼 在复合阻尼中，对于每种材料定义一个临界阻尼比，这样就得到了对应于整体结构的复合阻尼值。

当结构中有多种不同的材料时，这一选项是有用的。

在本指南中将不对复合阻尼做进一步的讨论。

7.2.2 选择阻尼值在大多数线性动力学问题中，恰当地定义阻尼对于获得精确的结果是十分重要的。

但是，在某种意义上阻尼只是近似地模拟了结构吸收能量的特性，并非试图去模拟引起这种效果的物理机制。

因此，在模拟中确定所需要的阻尼数据是很困难的。

偶尔，你可以从动态试验中获得这些数据，但是，你不得不通过查阅参考资料或者经验获得这些数据。

在这些情况下，你必须十分谨慎地解释模拟结果，并通过参数分析研究来评估模拟对于阻尼值的敏感性。

7.3 单元选择事实上，ABAQUS的所有单元均可用于动态分析，选取单元的一般原则与静力分析相同。

但是，在模拟冲击和爆炸载荷时，应该选用一阶单元，因为它们具有集中质量公式，这种公式模拟应力波的效果优于二阶单元采用的一致质量公式。

7.4 动态问题的网格剖分当你正在设计应用于动态模拟的网格时，你需要考虑在响应中将被激发的振型，并且使所采用的网格能够充分地反映出这些振型。

这意味着能够满足静态模拟的网格，不一定能够计算由于加载激发的高频振型的动态响应。

例如，考虑图7-3所示的板。

一阶壳单元的网格对于板受均布载荷的静力分析是适合的，并也适合于一阶振型的预测。

但是，该网格是明显地过于粗糙以至于不能够精确地模拟第六阶振型。

图7–3 板的粗网格图7-4显示了同样的板采用了一阶单元的精细网格的模拟。

现在，第六阶振型的位移形状看起来明显变好，对于该阶振型所预测的频率更加准确。

如果作用在板上的动态载荷会显著地激发该阶振型，则必须采用精细的网格；采用粗网格将得不到准确的结果。

图7–4 板的精细网格7.5 例题：货物吊车—动态载荷这个例子采用在第6.4节“例题：货物吊车”中已分析过的同样的货物吊车，现在要求研究的问题是当10 kN的载荷在0.2秒的时间中落到吊车挂钩上所引起的响应。

在A, B, C和D点（见图7-5）处的连接仅能够承受的最大拉力为100 kN。

你必须决定这些连接的任何一个是否会断裂。

图7–5 货物吊车加载的持续时间很短意味着惯性效应可能是很重要的，基本上要进行动态分析。

这里没有提供关于结构的阻尼的任何信息。

由于在桁架和交叉支撑之间采用的是螺栓连接，因此由摩擦效应引起的能量吸收可能是比较显著的。

因此，基于经验可以对每一阶振型选择5％的临界阻尼。

施加载荷的值与时间的关系，如图7-6所示。

图7–6 载荷－时间特性在本手册的在线文档第A.5节“Cargo crane – dynamic loading”提供了输入文件。

当通过ABAQUS/CAE运行这个输入文件时，将创建关于该问题的完整的分析模型。

根据下面给出的指导如果你遇到困难，或者如果你希望检查你的工作，则可以运行这个输入文件。

在附录A“Example Files”中，给出了如何提取和运行输入文件的指导。

如果你没有进入ABAQUS/CAE或者其它的前处理器，可以人工创建关于这个问题的输入文件，关于这方面的讨论，见Getting Started with ABAQUS/Standard：Keywords Version，第9.5节“Example：Cargo crane – dynamic loading”。

7.5.1 修改模型打开模型数据库文件Crane.cae，将Static模型复制成一个名为Dynamic的模型。

除了下面描述的修改之外，动态分析的模型基本上与静力分析的模型相同。

材料在动态分析中，必须给定每种材料的密度，这样才能形成质量矩阵。

在吊车中钢的密度为7800 kg/m3。