结构动力学解算器及频率响应分析

第8章和第9章介绍的模态分析着重于分析结构本身的振动固有特性，没有考虑阻尼的影响。实际的结构都有阻尼，以承受动态载荷为主的动力响应分析需要考虑阻尼的影响。结构动力学主要研究结构在动载荷（与时间相关或频率相关）作用下，结构自身位移、应力、速度、加速度和频率等物理量的响应情况。有限元结构动力学是在动力学数学模型（不同的动力问题，其数学模型有所不同）基础上，采用模态分析法、直接时间积分法等数值计算方法来求解结构的动力响应。

NX Nastran动力学功能包括正则模态、直接频率响应、瞬态频率响应、随机响应、响应谱和动力灵敏度等的计算和分析，可以考虑各种阻尼（如结构阻尼、材料阻尼和模态阻尼）效应的作用，它提供的解算器集合了MSC.Nastran、I-deals和Adina等知名有限元软件的动力学分析功能，分析类型及其含义如表10-1所示。

表10-1 NX Nastran提供的结构动力学解算器及其含义

频率响应分析是把问题由时域转化为频域，用来计算结构对稳态振荡激励的响应，SOL111解算方案首先计算结构的正则模态，然后计算使用降阶模态表示的结构的频率响应。振荡激励的例子可以是旋转的机械、不平衡的轮胎和直升机的桨叶等。通常使用直接法或频率法来计算频率响应分析。这两种方法的使用可以参照表10-2所示的准则。

表10-2 直接法与频率法建议使用准则

通常，在模态频率响应中，模型规模越大，求解效率也越高，因为数值求解通常是对较小的非耦合方程系进行求解。如果固有频率和模态形状是在分析的早期阶段计算的，则模态法尤其优越。在这种工况下，只需执行一次重启动（请参阅NX帮助文件《动态分析中的重启动》）。使用模态法非常高效，即使对于数量庞大的激励频率也是如此。另一方面，模态频率响应分析工作的主要部分就是对模态进行计算。对于具有大量模态的大型系统，此运算的运算量与直接求解一样大，对于高频率激励尤其如此。为了在模态求解过程中捕获高频率响应，必须计算不太准确的高频率模态。对于具有较少激励频率的小模型，直接方法可能更高效，因为它直接对方程进行求解，而不首先计算模态。由于存在模态截断，直接方法通常比模态方法更准确。

在执行频率响应分析时，一个主要的考虑事项就是选择在哪个频率下进行求解。可以使用6个模型数据输入项来选择求解频率，如表10-3所示。切记，所指定的每个频率都导致在指定的激励频率下生成一个独立的解。(www.xing528.com)

表10-3 直接法与频率法建议使用准则

注：（1）仅适用于模态求解。

模态频率响应分析中的阻尼可以模拟结构的能量损耗特征。阻尼可以表现为粘性阻尼、材料内部摩擦、外部摩擦、结构铰接中的不连续变形等各种形式。由于很难准确地用数值模型计算阻尼，多数情况下采用实验法测定阻尼。阻尼可以表示为与运动速度成比例的粘性阻尼、与结构变形有关的结构阻尼、与运动质量有关的质量阻尼。在NX Nastran动力学分析中常用【%Viscous】和【%Hysteretic】两个参数来表达。工程中常使用阻尼比来定义动力分析中所需要的阻尼参数，一些常见结构的阻尼比参考值如表10-4所示。

表10-4 一些常见结构的阻尼比参考值

注：关于振动响应分析中的质量、阻尼，频率响应分析中使用的直接频率响应与模态频率响应及频率响应分析中的频率范围、频率分辨率等可以参考NX帮助文档或相关文献资料。