ANSYS16.1工程实例：瞬态动力学分析

1.瞬态动力学分析概述

瞬态动力学分析是用于确定结构承受任意随时间变化载荷的动力学响应的一种方法。瞬态动力学分析可以确定结构在静载荷、瞬态载荷和简谐载荷的随意组合作用下随时间变化的位移、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显著。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动力学分析。瞬态动力学分析可以采用两种方法：Full（完全法）及Mode Superposition（模态叠加法）。

（1）Full法

Full法采用完整的系统矩阵计算结构瞬态响应，允许包含各类非线性特性（塑性、大变形、大应变等）。

（2）Mode Superposition法

Mode Superposition法通常通过模态分析得到的振型（特征向量）乘以因子并求和来计算结构的响应。

2.瞬态动力学分析步骤

瞬态动力学分析过程主要包含建模、加载求解及观察求解结果3个主要步骤。

（1）建模

瞬态动力学分析的建模过程与其他分析的建模过程类似，即首先定义工作文件名和工作标题，然后定义单元类型、单元实常数和材料特性，最后建立有限元模型。但在瞬态动力学分析中建模应注意以下两个问题：

●可以使用线性和非线性单元。

●必须指定弹性模量EX（或某种形式的刚度）和密度DENS（或某种形式的质量），材料的性质可以是线性的、非线性的、恒定的或与温度相关的。但非线性材料特性将被忽略。

（2）加载求解

1）进入ANSYS求解器。

Command：/SOLU

GUI：Main Menu︱Solution

2）定义分析类型及分析选项。

表4-5是瞬态动力学分析中可以使用的选项。

表4-5 分析类型和分析选项

●New Analysis（ANTYPE）

若要进行新的分析，选择New Analysis；若想重启动一次失败的非线性分析，则选择Restart。

●Analysis Type（ANTYPE）

此选项用于指定分析类型，应选择Transient。

●Solution Method（TRNOPT）

此选项用于指定瞬态动力学的分析方法，可选择Full法及Mode Superposition法两种分析方法中的一种。

●Large Deformation Effects（NLGEOM）

在分析中存在大变形（细长杆的弯曲）和大应变（金属成形）时，选择ON，默认值为OFF。

●Mass Matrix Formulation（LUMPM）

使用该选项可以选定采用默认的质量矩阵形成方式或集中质量矩阵近似方式。通常选择质量矩阵形成方式，但对于某些包含“薄膜”结构的问题，如细长梁和非常薄的壳，采用集中质量矩阵近似通常可以产生良好的效果。

●Equation Solver（EQSLV）

可以使用下列求解器中的任何一个：

①Sparse direct equation（SPAR）solver

②Jacobi Conjugate Gradient（JCG）solver

③JCG out-of-memory solver

④Incomplete Cholesky Conjugate Gradient（ICCG）solver 

⑤Quasi-Minimal Residual iterative equation（QMR）solver 

⑥Preconditioned Conjugate Gradient（PCG）solver 

⑦Iterative（程序自动检测，仅对线性静态分析和完全瞬态结构分析有效） 

●Stress Stiffening Effect（SSTIF） 

应力刚化属于几何非线性，在下列情况下选择ON： 

在小变形分析中希望结构中的应力能显著增加或降低结构的刚度，如承受法向压力的圆形薄膜。 (www.xing528.com)

在大变形分析中需要用此选项帮助收敛。 

●Newton-Raphson Option（NROPT） 

此选项用于指定求解期间切割矩阵被刷新的频度。 

3）在模型上加载。 

瞬态动力学分析包含随时间变化的载荷，要指定这样的载荷，需将载荷对时间的关系曲线划分成合适的载荷步。在载荷时间曲线上的每个“拐角”都应作为一个载荷步，如图4-2所示。 

图4-2 载荷-时间关系曲线示意图

第1个载荷步通常被用来建立初始条件，然后再指定后续的瞬态载荷及加载步选项。对于每一个载荷步，都要指定载荷值和时间值，同时要指定其他的载荷步选项，例如载荷是按照阶跃方式（Stepped）还是按照斜坡方式（Ramped）施加，是否使用自动时间步长等，最后将每一个载荷步写入文件并一次性求解所有的载荷步。 

●施加初始条件 

施加瞬态载荷的第1步是建立初始关系（零时刻的情况）。瞬态动力学分析要求给定两种初始条件：初始位移和初始速度，如果没有进行特别设置，这两项都被假定为0，可以通过在一个较小的时间间隔内施加合适的位移载荷来指定非零的初始速度。 

非零初始位移及非零初始速度的设置： 

Command：IC 

GUI：Main Menu︱Solution︱Define Loads︱Apply︱Initial Condit'n︱Define 

●施加瞬态载荷 

表4-6列出了适用于瞬态动力学分析的载荷。 

表4-6 瞬态动力学分析中可施加的载荷 

4）载荷步选项。 

瞬态动力学分析可用的载荷步选项见表4-7～表4-10。

表4-7 普通载荷步选项 

表4-8 动力学选项

（续）

表4-9 非线性选项

表4-10 输出控制选项

5）存储文件。

Command：SAVE

GUI：Utility Menu︱File︱Save As

6）开始求解计算。

Command：SOLVE

GUI：Main Menu︱Solution︱Solve︱Current LS

7）退出求解器。

Command：FINISH

GUI：Main Menu︱Finish

（3）观察求解结果

瞬态动力学分析结果被保存到结果文件Jobname.RST中。可以使用POST1和POST26后处理器对结果进行观察。