动力学分析-课件2.ppt
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1、2023-1-21第四章 动力学分析动力学分析概述动力学分析类型基本概念和术语动力学分析概述n什么是动力学分析什么是动力学分析?M1-2动力学分析是用来确定动力学分析是用来确定惯性惯性(质量)、刚度和阻尼质量)、刚度和阻尼起着起着重要作用时结构或构件重要作用时结构或构件动力学特性动力学特性的技术。的技术。振动特性振动特性(振动幅值、相位和振动频率)(振动幅值、相位和振动频率)时间变化载荷效应,包括随机载荷和周期载荷时间变化载荷效应,包括随机载荷和周期载荷 动力学分析概述n动力学分析的物理现象动力学分析的物理现象:n周期振动周期振动-如由于旋转机械引起的振动如由于旋转机械引起的振动n随机振动随机
2、振动-如火箭发射,道路运输等如火箭发射,道路运输等n冲击冲击-如汽车碰撞,锤击如汽车碰撞,锤击n交变作用力交变作用力-如各种曲轴以及其它回转机械等如各种曲轴以及其它回转机械等nn上述每一种情况都由一个特定的动力学分析类型来处上述每一种情况都由一个特定的动力学分析类型来处理理M1-3动力学分析类型n人体振动固有频率与发动机的固有频率相同时,就人体振动固有频率与发动机的固有频率相同时,就可能会产生不适。那么,怎样才能避免这种结果呢可能会产生不适。那么,怎样才能避免这种结果呢?n受应力(离心力)作用的涡轮叶片会表现出不同的受应力(离心力)作用的涡轮叶片会表现出不同的动力学特性,如何解释这种现象呢动力
3、学特性,如何解释这种现象呢?M1-4模态分析模态分析动力学分析类型n汽车防撞挡板应能承受得住低速冲击汽车防撞挡板应能承受得住低速冲击n一个网球排框架应该设计得能承受网球的冲击,但会稍一个网球排框架应该设计得能承受网球的冲击,但会稍稍发生弯曲稍发生弯曲 M1-5瞬态动力学分析瞬态动力学分析 动力学分析类型谐响应分析谐响应分析一种将一种模态分析的结果与一个已知的谱联系起来一种将一种模态分析的结果与一个已知的谱联系起来M1-6p确定结构对随机荷载和随时间变化荷载(路面不平度、确定结构对随机荷载和随时间变化荷载(路面不平度、风载、海洋波浪等)的动力响应情况风载、海洋波浪等)的动力响应情况动力学分析基本
4、概念 不同分析类型是对这个方程的不同形式进行求解不同分析类型是对这个方程的不同形式进行求解 n模态分析:设定模态分析:设定F F(t t)为零为零 ,而矩阵,而矩阵 C C 通常被忽通常被忽略;略;n谐响应分析:假设谐响应分析:假设F F(t t)和和 u u(t t)都为谐函数,都为谐函数,例如例如 XsinXsin(wtwt)n瞬态分析:方程保持上述的形式。瞬态分析:方程保持上述的形式。M1-7通用运动方程通用运动方程 tFuKuCuM 动力学分析基本概念非线性非线性 (大变形,接触,塑性等等):(大变形,接触,塑性等等):n仅在完全瞬态动力学分析中允许使用。仅在完全瞬态动力学分析中允许使
5、用。n在所有其它动力学类型中非线性问题均被忽略在所有其它动力学类型中非线性问题均被忽略材料性质材料性质:n需要定义杨氏模量和需要定义杨氏模量和密度密度几何形状和网格划分几何形状和网格划分:一般与静力学分析要考虑的问题类似一般与静力学分析要考虑的问题类似要包括能充分描绘模型必须的资料要包括能充分描绘模型必须的资料M1-82023-1-291.动力学绪论2.模态分析3.谐分析第四章 动力学分析2023-1-210第四章 动力学分析模态分析的模态分析的经典定义:将线性定常系统振动微分方程经典定义:将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标,使方程组解耦,组中的物理坐标变换为模态坐标,使方
6、程组解耦,成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程,以成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程,以便求出系统的模态参数。坐标变换的变换矩阵为模态便求出系统的模态参数。坐标变换的变换矩阵为模态矩阵,其每列为模态振型。矩阵,其每列为模态振型。模态分析是用来确定结构的振动特性的一种技术模态分析是用来确定结构的振动特性的一种技术M2-11模态分析是所有动力学分析类型的最基础的内容模态分析是所有动力学分析类型的最基础的内容。第四章 动力学分析模态分析中的四个主要步骤:模态分析中的四个主要步骤:n建模建模n选择分析类型和分析选项选择分析类型和分析选项n施加边界条件并求解施加边界条件并求解n评价结果评价
7、结果M2-12施加边界条件并求解位移约束:位移约束:施加必需的约束来模拟实际的固定情况;施加必需的约束来模拟实际的固定情况;在没有施加约束的方向上将计算刚体振型;在没有施加约束的方向上将计算刚体振型;不允许有非零位移约束不允许有非零位移约束。M2-13施加边界条件并求解M2-14自由模态和约束模态自由模态和约束模态自由和约束模态分析只是边界条件不同的两种模自由和约束模态分析只是边界条件不同的两种模态分析而已;态分析而已;在实际问题中,自由和约束两种边界条件均存在在实际问题中,自由和约束两种边界条件均存在结构的模态是与结构本身的特性和约束有关的,结构的模态是与结构本身的特性和约束有关的,求解自由
8、模态还是约束模态,取决于实际工作的求解自由模态还是约束模态,取决于实际工作的条件条件。观察结果观察结果观察结果进入通用后处理器进入通用后处理器POST1POST1列出各自然频率列出各自然频率观察振型观察振型观察模态应力观察模态应力M2-15观察结果列出自然频率列出自然频率:n在通用后处理器菜单中选择在通用后处理器菜单中选择“Results Summary”Results Summary”;n每一个模态都保存在单独的子步中。每一个模态都保存在单独的子步中。M2-16观察结果观察振型观察振型:首先采用首先采用“First First Set”Set”、“Next Set”Next Set”或或“B
9、y Load Step”By Load Step”然后绘制模态变形图:然后绘制模态变形图:shapeshape:General General Postproc Plot Postproc Plot Results Deformed Results Deformed ShapeShape注意图例中给出了振型注意图例中给出了振型序号序号 (SUB SUB )和频率和频率 (FREQ FREQ)。M2-17观察结果观察振型观察振型 :振型可以制作动画:振型可以制作动画:Utility Menu PlotCtrls Utility Menu PlotCtrls Animate Mode Shape.
10、Animate Mode Shape.M2-18观察结果模态应力:模态应力:如果在选择分析选项时激活了单元应力计算选项,则如果在选择分析选项时激活了单元应力计算选项,则 可以得到模态应力可以得到模态应力.应力值并没有实际意义,但如果振型是相对于单位矩应力值并没有实际意义,但如果振型是相对于单位矩 阵归一的,则可以在给定的振型中比较不同点的应阵归一的,则可以在给定的振型中比较不同点的应力,力,从而发现可能存在的应力集中。从而发现可能存在的应力集中。M2-192023-1-2201.动力学绪论2.模态分析3.谐分析第四章 动力学分析定义和目的什么是谐响应分析?n确定一个结构在已知频率的简谐载荷作用
11、稳态响应的技术。n输入n已知大小和频率的简谐载荷(力、位移);n同一频率的多种载荷,可以是同相或不同相的。n输出n每一个自由度上的谐位移,通常和施加的载荷不同相;n其它多种导出量,例如应力和应变等。M3-21定义和目的谐响应分析的应用:n旋转设备(如发动机、泵的支座、固定装置和部件;M3-22谐响应分析的目的确保一个给定的结构能经受住不同频率的各种谐载荷;探测共振响应,并在必要时避免其发生;运动方程n通用运动方程:nF矩阵和 u矩阵是简谐的,频率为 w:n谐响应分析的运动方程:M3-23 FuKuCuM titiititiieuiueeuueFiFeeFFwwww)()(21max21max
12、)()(21212FiFuiuKCiMww求解方法求解简谐运动方程的三种方法:n完整法n为缺省方法,是最容易的方法;n缩减法*n模态叠加法*从前面的模态分析中得到各模态;再求乘以系数的各模态之和;所有求解方法中最快的。M3-24求解方法n三种求解方法的限制条件所有载荷必须是简谐载荷(时间正弦)所有载荷频率必须相同.不允许非线性.瞬态响应被忽略.M3-25ANSY分析谐响应步骤n建模n载荷并求解n察看结选择分析类型和选项n施加谐波结果M3-26ANSY分析谐响应步骤模型n只能用于线性单元和材料,忽略各种非线性;n材料密度n大体与模态分析类似M3-27ANSY分析谐响应步骤选择分析类型和选项输入求
13、解器,选择谐响应分析;主要分析选项是求解方法M3-28ANSY分析谐响应步骤阻尼n从-阻尼、-阻尼和阻尼率中选取n阻尼率最常用M3-29ANSY分析谐响应步骤施加谐波载荷并求解所有施加的载荷以规定的频率(或频率范围)简谐地变化;载荷包括:位移约束,零或非零的作用力,压强;如果要施加重力和热载荷,它们也被当作简谐变化的载荷来考虑!M3-30ANSY分析谐响应步骤谐波载荷的频率:通过频率范围和在频率范围内的子步数量来规定每秒的循环次数步(赫兹)M3-31例如,在0-50频率范围内有10个子步时将给出在5,10,15.45和50Hz等频率上的解;而同一频率范围只有一个子步时,则只给出50Hz频率上的
14、解。ANSY分析谐响应步骤载荷的施加方式:Ramped/Stepn不同载荷施加过程过渡的连接方式nramp方式:时间1,载荷值A,时间2,载荷值B,则从A-到B的过程是逐步逼近(载荷子步),通过迭代施加。nstep方式:时间1,载荷值A,时间2,载荷值B,则从A-到B的过程是阶跃的方式(无载荷子步),即A-到B的过程没有逐步逼近的过程。M3-32ANSY分析谐响应步骤载荷的施加方式:Ramped/StepM3-33ANSY分析谐响应步骤载荷步和子步nM1-34谐响应分析实例M1-35Problem DescriptionDetermine the response amplitude(Xi)a
15、nd phase angle(i)for each mass(mi)of the system shown below when excited by a harmonic force(F1sin t)acting on mass m1.Material properties for this problem are:m1=m2=0.5 lb-sec2/ink1=k2=kc=200 lb/inLoading for this problem is:F1=200 lb板壳、梁综合实例M1-36外框方形截面钢:0.1*0.1*0.01L型截面钢:0.1*0.12*.01外框尺寸123钢板尺寸12*
16、3,厚度0.01板壳、梁综合实例M1-37同类型单元连接:有公共节点的同类型单元之间无需处理;无法肯定是否有公共节点可以在离散化之前做布尔运算;不同类型单元之间的连接一般应按照杆、梁、壳、体顺序建模,后面模型的自由度数目 应该大于前面数目否则需要进行耦合或者约束方程板壳、梁综合实例M1-381.杆与梁、壳、体单元有公共节点即可,不需要约束方程。2.梁与壳有公共节点即可,否则进行耦合或者约束3.梁与体则要在相同位置建立不同的节点梁与体则要在相同位置建立不同的节点,然后在节点处耦,然后在节点处耦合自由度与施加约束方程。合自由度与施加约束方程。4.壳与体则也要相同位置建立不同的节点壳与体则也要相同位
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