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Ansys瞬态动力学介绍及APDL代码实例

2022年11月20日 CAE 阅读 553 views 次

1、 瞬态动力学定义

瞬态动力学分析(亦称时间历程分析),是用于确定承受任意的,随时间变化载荷结构的动力学响应的一种方法。可以用瞬态动力学分析确定结构在稳态载荷、瞬态载荷和简谐载荷的随意组合作用下的,随时间变化的位移、应变、应力及力。载荷和时间的相关性使得惯性力和阻尼作用比较重要,如果惯性力和阻尼作用不重要,就可以用静力学分析代替瞬态分析。

2、瞬态动力学分析方法

瞬态动力学分析可采用三种方法:完全 (Full) 法、缩减 (Reduced) 法及模态叠加法。
完全法

完全法采用完整的系统矩阵计算瞬态响应(没有矩阵缩减)。它是三种方法中功能最强的,允许包括各类非线性特性(塑性、大变形、大应变等)。

如果并不想包括任何非线性,应当考虑使用另外两种方法中的一种。这是因为完全法是三种方法中开销最大的一种。

完全法的优点:

  • 容易使用,不必关心选择主自由度或振型;
  • 允许各种类型的非线性特性;
  • 采用完整矩阵,不涉及质量矩阵近似;
  • 在一次分析中就能得到所有的位移和应力;
  • 允许施加所有类型的载荷:节点力、外加的(非零)位移(不建议采用)和单元载荷(压力和温度),还允许通过TABLE数组参数指定表边界条件;
  • 允许在实体模型上施加的载荷。

完全法的缺点

  • 它比其它方法开销大。

模态叠加法

模态叠加法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结构的响应,此法是ANSYS/Professional程序中唯一可用的瞬态动力学分析法。

模态叠加法的优点:

  • 对于许多问题,它比缩减法或完全法更快、开销更小;
  • 只要模态分析不采用PowerDynamics方法,通过LVSCALE命令将模态分析中施加的单元载荷引入到瞬态分析中;
  • 允许考虑模态阻尼(阻尼比作为振型号的函数)。

模态叠加法的缺点:

  • 整个瞬态分析过程中时间步长必须保持恒定,不允许采用自动时间步长;
  • 唯一允许的非线性是简单的点点接触(间隙条件);
  • 不能施加强制位移(非零)位移。

缩减法

缩减法通过采用主自由度及缩减矩阵压缩问题规模,在主自由度处的位移被计算出来后,ANSYS可将解扩展到原有的完整自由度集上。

缩减法的优点:

  • 比完全法快,且开销小。

缩减法的缺点:

  • 初始解只计算主自由度的位移,第二步进行扩展计算,得到完整空间上的位移、应力和力;
  • 不能施加单元载荷(压力,温度等),但允许施加加速度;
  • 所有载荷必须加在用户定义的主自由度上(限制在实体模型上施加载荷);
  • 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简单的点—点接触(间隙条件)。

步长选取准则

瞬态分析的关键技术,就是积分步长的选择,瞬态积分的精度取决于时间步长dt 的大小。时间步长越小,精度越高,但如果太小就会浪费计算资源;太大的时间步长会引起高阶模态响应误差,影响整体的响应。因此,选取合适的步长就十分重要了。如果能够求出整体结构有贡献最高的模态频率f,则时间步长可以为1/20f

载荷突变时要有足够小的时间步长,能够捕捉到载荷的突变。在接触问题,时间步长应能够捕捉两个接触体之间的能量传递。对于新手来说,建议选用自动时间步长。

实例分析

用beam188梁单元做瞬态动力学分析,将梁的低端固定,在顶端施加沿X方向的载荷,分析0.5s钟的响应,APDL代码如下:

APDL代码:

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