瞬态动力学分析Word格式文档下载.docx
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进行瞬态动力学分析可以采用3种方法，即FullMethod（完全法）、ModeSuperpositionMethod（模态叠加法）和ReducedMethod（减缩法）。
下面来比较一下各种方法的优缺点。
10.1.1FullMethod（完全法）
FullMethod采用完整的系统矩阵计算瞬态响应（没有矩阵减缩）。
它是3种方法中功能最强的，允许包含各类非线性特性（塑性、大变形、大应变等）。
FullMethod的优点如下。
☑容易使用，因为不必关心如何选取主自由度和振型。
☑允许包含各类非线性特性。
☑使用完整矩阵，因此不涉及质量矩阵的近似。
☑在一次处理过程中计算出所有的位移和应力。
☑允许施加各种类型的载荷，例如，节点力、外加的（非零）约束、单元载荷（压力和温度）。
☑允许采用实体模型上所加的载荷。
FullMethod的主要缺点是比其他方法消耗大。
10.1.2ModeSuperpositionMethod（模态叠加法）
ModeSuperpositionMethod通过对模态分析得到的振型（特征值）乘以因子并求和来计算出结构的响应。
它的优点如下。
☑对于许多问题，该方法比ReducedMethod或FullMethod更快且消耗小。
☑在模态分析中施加的载荷可以通过LVSCALE命令用于谐响应分析中。
☑允许指定振型阻尼（阻尼系数为频率的函数）。
ModeSuperpositionMethod的缺点如下。
☑整个瞬态分析过程中时间步长必须保持恒定，因此不允许用自动时间步长。
☑唯一允许的非线性是点点接触（有间隙情形）。
☑不能用于分析“未固定的（floating）”或不连续结构。
☑不接受外加的非零位移。
☑在模态分析中使用PowerDynamics方法时，初始条件中不能有预加的载荷或位移。
10.1.3ReducedMethod（减缩法）
ReducedMethod通常采用主自由度和减缩矩阵来压缩问题的规模。
主自由度处的位移被计算出来后，解可以被扩展到初始的完整DOF集上。
这种方法的优点是比FullMethod更快且消耗小。
ReducedMethod的缺点如下。
☑初始解只计算出主自由度的位移。
要得到完整的位移、应力和力的解，需执行扩展处理（扩展处理在某些分析应用中可能不必要）。
☑不能施加单元载荷（压力、温度等），但允许有加速度。
☑所有载荷必须施加在用户定义的自由度上，这就限制了采用实体模型上所加的载荷。
10.2实例—哥伦布阻尼的自由振动分析
模型简图有限元简图
图10-1模型简图
在此例中，有一个集中质量块的钢梁受到动力载荷作用，用完全法（fullmethod）来执行动力响应分析，确定一个随时间变化载荷作用的瞬态响应。
10.2.1问题描述
一个有哥伦布阻尼的弹簧-质量块系统，如图10-1所示，质量块被移动Δ位移然后释放。
假定表面摩擦力是一个滑动常阻力
F，求系统的位移时间关系。
表10-1给出了问题的材料属性以及载荷条件和初始条件（采用英制单位）。
表10-1材料属性、载荷以及初始条件
材料属性
载荷
初始条件
W=10lb
Δ=-1in
X
v0
k2=30lb/in
F=1.875lb
t=0
-1
0.0
m=W/g
10.2.2GUI模式
1．前处理（建模及分网）
（1）定义工作标题。
选择实用菜单中的UtilityMenu>
File>
ChangeTitle命令，弹出ChangeTitle对话框，输入“FREEVIBRATIONWITHCOULOMBDAMPING”，如图10-2所示，然后单击OK按钮。
图10-2定义工作标题
（2）定义单元类型。
选择主菜单中的MainMenu>
Preprocessor>
ElementType>
Add/Edit/Delete命令，弹出ElementTypes对话框，如图10-3所示，单击Add按钮，弹出LibraryofElementTypes对话框，在左边的列表框中选择Combination选项，在右边的列表框中选择Combination40选项，如图10-4所示，单击OK按钮，回到如图10-3所示的对话框。
图10-3ElementTypes对话框图10-4LibraryofElementTypes对话框
（3）定义单元选项。
在如图10-4所示的对话框中单击Options按钮，弹出COMBIN40elementtypeoptions对话框，如图10-5所示，在Elementdegree（s）offreedomK3下拉列表框中选择UX选项，在MasslocationK6下拉列表框中选择MassatnodeJ选项，如图10-5所示，单击OK按钮，回到如图10-3所示的对话框。
单击Close按钮关闭该对话框。
图10-5COMBIN40elementtypeoptions对话框
（4）定义第一种实常数。
RealConstants>
Add/Edit/Delete命令，弹出RealConstants对话框，如图10-6所示，单击Add按钮，弹出ElementTypeforRealConstants对话框，如图10-7所示。
图10-6RealConstants对话框图10-7ElementTypeforRealConstants对话框
在如图10-7所示的对话框中选择Type1COMBIN40选项，单击OK按钮，弹出RealConstantSetNumber1,forCOMBIN40对话框，在SpringconstantK1文本框中输入“10000”，在MassM文本框中输入“10/386”，在LimitingslidingforceFSLIDE文本框中输入“1.875”，在Springconst（partoslide）K2文本框中输入“30”，如图10-8所示，单击OK按钮。
接着单击RealConstants对话框中的Close按钮关闭该对话框，退出实常数定义。
（5）创建节点。
Modeling>
Create>
Nodes>
InActiveCS命令，弹出CreateNodesinActiveCoordinateSystem对话框。
在NODENodenumber文本框中输入“1”，如图10-9所示。
在X,Y,ZLocationinactiveCS文本框中输入“0、0、0”，单击Apply按钮。
图10-8RealConstantSetNumber1,图10-9生成第一个节点
forCOMBIN40对话框
在CreateNodesinActiveCoordinateSystem对话框的NODENodenumber文本框中输入“2”，在X,Y,ZLocationinactiveCS文本框中输入“1、0、0”，单击OK按钮，屏幕显示如图10-10所示。
（6）打开节点编号显示控制。
PlotCtrls>
Numbering命令，弹出PlotNumberingControls对话框，选中NODENodenumbers后面的复选框使其显示为On，如图10-11所示，单击OK按钮。
（7）选择菜单路径。
WindowControls>
WindowOptions命令，弹出WindowOptions对话框，在[/TRIAD]Locationoftriad下拉列表框中选择Attopleft选项，如图10-12所示，单击OK按钮关闭该对话框。
图10-10节点显示图10-11打开节点编号显示控制
（8）定义梁单元属性。
Elements>
ElemAttributes命令，弹出ElementAttributes对话框，在[TYPE]Elementtypenumber下拉列表框中选择1COMBIN40选项，在[REAL]Realconstantsetnumber下拉列表框中选择1选项，如图10-13所示。
图10-12WindowOptions对话框图10-13ElementAttributes对话框
（9）创建梁单元。
AutoNumbered>
ThruNodes命令，弹出ElementsfromNodes拾取菜单。
用鼠标在屏幕上拾取编号为1和2的节点，单击OK按钮，屏幕上在节点1和节点2之间出现一条直线。
此时屏幕显示如图10-14所示。
2．建立初始条件
定义初始位移和速度。
Loads>
DefineLoads>
Apply>
InitialCondit'
n>
Define命令，弹出DefineInitialConditions拾取菜单，用鼠标在屏幕上拾取编号为2的节点，单击OK按钮，弹出DefineInitialConditions对话框，如图10-15所示，在LabDOFtobespecified下拉列表框中选择UX选项，在VALUEInitialvalueofDOF文本框中输入“-1”，在VALUE2Initialvelocity文本框中输入“0”，单击OK按钮。
图10-14单元模型
图10-15DefineInitialConditions对话框
注意：
如果在MainMenu>
Apply路径下没有找到InitialCondit'
n选项，可以先选择MainMenu>
Solution>
UnabridgedMenu路径显示所有可能的菜单，然后再执行MainMenu>
Define命令。
另外，定义初始位移和初始速度还有一条路径：
MainMenu>
Define，它跟上面的做法是完全等效的。
3．设定求解类型和求解控制器
（1）定义求解类型。
AnalysisType>
NewAnalysis命令，弹出NewAnalysis对话框，选中Transient单选按钮，如图10-16所示，单击OK按钮，弹出TransientAnalysis对话框，如图10-17所示，在[TRNOPT]Solutionmethod栏中选中Full单选按钮（通常它也是默认选项），单击OK按钮。
图10-16NewAnalysis对话框图10-17TransientAnalysis对话框
（2）设置求解控制器。
Sol’nControls命令，弹出SolutionControls对话框（求解控制器），如图10-18所示，在Timeatendofloadstep文本框中输入“0.2025”，在Automatictimestepping下拉列表框中选择Off选项，选中Numberofsubsteps单选按钮，在Numberofsubsteps文本框中输入“404”，在WriteItemstoResultsFile栏中选中Allsolutionitems单选按钮，在Frequency下拉列表框中选择Writeeverysubstep选项。
图10-18SolutionControls对话框（Basic选项卡）
①在如图10-18所示的对话框中，选择Nonlinear选项卡，如图10-19所示。
图10-19SolutionControls对话框（Nonlinear选项卡）
②单击Setconvergencecriteria按钮，弹出NonlinearConvergenceCriteria对话框，如图10-20所示。
③单击Replace按钮，弹出如图10-21所示的NonlinearConvergenceCriteria对话框，在LabConvergenceisbasedon右面的第一列表框中选择Structural选项，在第二列表框中选择ForceF选项，在VALUEReferencevalueoflab文本框中输入“1”，在TOLERToleranceaboutVALUE文本框中输入“0.001”，单击OK按钮接受其他默认设置，返回到如图10-20所示的对话框，单击Close按钮，返回到如图10-19所示的选项卡，单击OK按钮。
图10-20NonlinearConvergenceCriteria
对话框
（1）
图10-21NonlinearConvergenceCriteria
对话框
（2）
4．设定其他求解选项
（1）关闭优化设置。
UnabridgedMenu>
LoadStepOpts>
SolutionCtrl命令，弹出NonlinearSolutionControl对话框，如图10-22所示，在[SOLCONTROL]SolutionControl后面选中Off复选框，单击OK按钮。
（2）设置载荷和约束类型（阶跃或者倾斜）。
Time/Frequenc>
TimeandSubstps命令，弹出TimeandSubstepOptions对话框，如图10-23所示，在[KBC]Steppedorrampedb.c.栏中选中Stepped单选按钮，单击OK按钮接受其他设置。
图10-22NonlinearSolutionControl对话框
图10-23TimeandSubstepOptions对话框
5．施加载荷和约束
施加约束。
Structural>
Displacement>
OnNodes命令，弹出ApplyU,ROTonNodes拾取菜单，用鼠标在屏幕上拾取编号为1的节点，单击OK按钮，弹出ApplyU,ROTonNodes对话框，在Lab2DOFstobeconstrained列表框中选择UX选项，如图10-24所示，单击OK按钮。
图10-24ApplyU,ROTonNodes对话框
6．瞬态求解
（1）瞬态分析求解。
Solve>
CurrentLS命令，弹出/STATUSCommand信息提示栏和SolveCurrentLoadStep对话框。
浏览信息提示栏中的信息，如果无误，则选择File>
Close命令关闭之。
单击SolveCurrentLoadStep对话框中的OK按钮，开始求解。
（2）当求解结束时，会弹出Solutionisdone的提示框，单击OK按钮。
此时屏幕显示求解迭代进程，如图10-25所示。
图10-25求解迭代进程
（3）退出求解器。
Finish命令。
7．观察结果（后处理）
（1）进入时间历程后处理。
TimeHistPostPro命令，弹出如图10-26所示的TimeHistoryVariables对话框，里面已有默认变量时间（TIME）。
图10-26TimeHistoryVariables对话框
（2）定义位移变量“UX”。
在如图10-26所示的对话框中单击左上角的＋按钮，弹出AddTime-HistoryVariable对话框，连续选择NodalSolution>
DOFSolution>
X-Componentofdisplacement选项，如图10-27所示，在VariableName文本框中输入“UX_2”，单击OK按钮。
弹出NodeforData拾取菜单，如图10-28所示，在拾取菜单文本框中输入“2”，单击OK按钮，返回到TimeHistoryVariables对话框，不过此时变量列表里面多了一项UX变量。
图10-27AddTime-HistoryVariable对话框
图10-28NodeforData拾取菜单
（3）定义应力变量F1。
在如图10-26所示的对话框中单击左上角的＋按钮，弹出如图10-27所示对话框，在该对话框中连续选择ElementSolution>
MiscellaneousItems>
Summabledata（SMISC,1）选项，弹出MiscellaneousSequenceNumber对话框，如图10-29所示。
在SequencenumberSMIS文本框中输入“1”，单击OK按钮。
返回到如图10-30所示的AddTime-HistoryVariable对话框，在VariableName文本框中输入“F1”，单击OK按钮。
图10-29MiscellaneousSequenceNumber对话框
图10-30AddTime-HistoryVariable对话框
弹出Element
for
Data拾取菜单，在文本框中输入“1”（或者用鼠标在屏幕上拾取单元），单击OK按钮，弹出NodeforData拾取菜单，在文本框中输入“1”（或者用鼠标在屏幕上拾取编号为1的节点），单击OK按钮，返回TimeHistoryVariables对话框，不过此时VariableList下增加了两个变量：
UX和F1，如图10-31所示。
图10-31TimeHistoryVariables对话框
（4）设置坐标1。
Style>
Graphs>
ModifyGrid命令，弹出GridModificationsforGraphPlots对话框，在[/GRID]Typeofgrid下拉列表框中选择XandYlines选项，如图10-32所示，单击OK按钮。
图10-32GridModificationsforGraphPlots对话框
（5）设置坐标2。
ModifyAxes命令，弹出AxesModificationsforGraphPlots对话框，在[/AXLAB]Y-axislabel文本框中输入“DISP”，如图10-33所示，单击OK按钮。
（6）设置坐标3。
ModifyCurve命令，弹出CurveModificationsforGraphPlots对话框，如图10-34所示，在[/GTHK]Thicknessofcurves下拉列表框中选择Double选项，单击OK按钮。
图10-33AxesModificationsforGraphPlots对话框
（7）绘制UX变量图。
TimeHistPostPro>
GraphVariables命令，弹出GraphTime-HistoryVariables对话框，如图10-35所示。
在NVAR1后面的文本框中输入“2”，单击OK按钮，屏幕显示如图10-36所示。
图10-34CurveModificationsforGraphPlots对话框
图10-35GraphTime-HistoryVariables对话框
图10-36位移时间图曲线
（8）重新设置坐标轴标号。
ModifyAxes命令，弹出如图10-33所示的对话框，在[/AXLAB]Y-axislabel文本框中输入“FORCE”，单击OK按钮。
（9）绘制F1变量图。
GraphVariables命令，弹出GraphTime-HistoryVariables
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