ANSYS动力学瞬态分析完全法.docx
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ANSYS动力学瞬态分析完全法
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）。
注─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。
完全法的优点是：
·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。
完全法的主要缺点是它比其它方法开销大。
§3.4完全法瞬态动力学分析
首先，讲述完全法瞬态动力学分析过程，然后分别介绍模态叠加法和缩减法与完全法不相同的计算步骤。
完全法瞬态动力分析（在ANSYS/Multiphsics、ANSYS/Mechauioal及ANSYS/Structural中可用）由以下步骤组成：
1.建造模型
2.建立初始条件
3.设置求解控制
4.设置其他求解选项
5.施加载荷
6.存储当前载荷步的载荷设置
7.重复步骤3-6定义其他每个载荷步
8.备份数据库
9.开始瞬态分析
10.退出求解器
11.观察结果
§型
在这一步中，首先要指定文件名和分析标题，然后用PREP7定义单元类型，单元实常数，材料性质及几何模型。
这些工作在大多数分析中是相似的。
<>详细地说明了如何进行这些工作。
对于完全法瞬态动力学分析，注意下面两点：
·可以用线性和非线性单元；
·必须指定杨氏模量EX（或某种形式的刚度）和密度DENS（或某种形式的质量）。
材料特性可以是线性的或非线性的、各向同性的或各向异性的、恒定的或和温度有关的。
划分合理的网格密度：
·网格密度应当密到足以确定感兴趣的最高阶振型；
·对应力或应变感兴趣的区域比只考察位移的区域的网格密度要细一些；
·如果要包含非线性特性，网格密度应当密到足以捕捉到非线性效应。
例如，塑性分析要求在较大塑性变形梯度的区域有合理的积分点密度（即要求较密的网格）；
·如果对波传播效果感兴趣（例如，一根棒的末端准确落地），网格密度应当密到足以解算出波动效应。
基本准则是沿波的传播方向每一波长至少有20个单元。
§
在执行完全法瞬态动力学分析之前，用户需要正确理解建立初始条件和正确使用载荷步。
瞬态动力学分析顾名思义包含时间函数的载荷。
为了定义这样的载荷，用户需要将载荷—时间关系曲线划分成合适的载荷步。
载荷—时间曲线上的每个“拐角”对应一个载荷步，如图3.1所示。
图3.1载荷—时间关系曲线
第一个载荷步通常被用来建立初始条件，然后为第二和后继瞬态载荷步施加载荷并设置载步选项。
对于每个载荷步，都要指定载荷值和时间值，同时指定其它的载荷步选项，如采用阶梯加载还是斜坡加载方式施加载荷以及是否使用自动时间步长等。
然后，将每个载荷步写入载荷步文件，最后一次性求解所有载荷步。
施加瞬态载荷的第一步是建立初始条件（即零时刻时的情况）。
瞬态动力学分析要求给定两种初始条件（因为要求解的方程是两阶的）：
初始位移（
）和初始速度（
）。
如果没有进行特意设置，
和
都被假定为0。
初始加速度（
）一般假定为0，但可以通过在一个小的时间间隔内施加合适的加速度载荷来指定非零的初始加速度。
下面的段落描述了如何施加不同组合形式的初始条件。
§
这是缺省的初始条件，即如果
=
= 0，则不需要指定任何条件。
在第一个载荷步中可以加上对应于载荷/时间关系曲线的第一个拐角处的载荷。
§
可以用IC命令设置这些初始条件。
命令：
IC
GUI：
Main Menu>Solution>-Loads-Apply>Initial Condit’n>Define
注意：
不要定义矛盾的初始条件。
例如，在某单一自由度处定义了初始速度，则在所有其它自由度处的初始速度将为0.0，潜在地会产生冲突的初始条件。
在大多数情形下要在模型的每个未约束自由度处定义初始条件。
如果这些条件对各自由度是不同的，那么就可以较容易地明确指定初始条件，如下所述。
关于TIMINT和IC命令的说明参见<>。
§
非零速度是通过对结构中需指定速度的部分加上小时间间隔上的小位移来实现的。
比如如果
=0.25，可以通过在时间间隔0.004内加上0.001的位移来实现，命令流如下：
...
TIMINT,OFF!
Time integration effects off
D,ALL,UY,.001!
Small UY displ. （assuming Y-direction velocity）
TIME,.004!
Initial velocity = 0.001/0.004 = 0.25
LSWRITE!
Write load data to load step file （Jobname.S01）
DDEL,ALL,UY!
Remove imposed displacements
TIMINT,ON!
Time integration effects on
...
§
和上面的情形相似，不过施加的位移是真实数值而非“小”数值。
比如，若
= 1.0且
= 2.5，则应当在时间间隔0.4内施加一个值为1.0的位移：
...
TIMINT,OFF!
Time integration effects off
D,ALL,UY,1.0!
Initial displacement = 1.0
TIME,.4!
Initial velocity = 1.0/0.4 = 2.5
LSWRITE!
Write load data to load step file （Jobname.S01）
DDELE,ALL,UY!
Remove imposed displacements
TIMINT,ON!
Time integration effects on
...
§
需要用两个子步[NSUBST,2]来实现，所加位移在两个子步间是阶跃变化的[KBC,1]。
如果位移不是阶跃变化的（或只用一个子步），所加位移将随时间变化，从而产生非零初速度。
下面的例子演示了如何施加初始条件
= 1.0，
= 0.0：
...
TIMINT,OFF!
Time integration effects off for static solution
D,ALL,UY,1.0!
Initial displacement = 1.0
TIME,.001!
Small time interval
NSUBST,2!
Two substeps
KBC,1!
Stepped loads
LSWRITE!
Write load data to load step file （Jobname.S01）
!
transient solution
TIMINT,ON!
Time-integration effects on for transient solution
TIME,...!
Realistic time interval
DDELE,ALL,UY!
Remove displacement constraints
KBC,0!
Ramped loads （if appropriate）
!
Continue with normal transient solution procedures
...
§
可以近似地通过在小的时间间隔内指定要加的加速度[ACEL]实现。
例如，施加初始加速度为9.81的命令如下：
...
ACEL,,9.81!
Initial Y-direction acceleration
TIME,.001!
Small time interval
NSUBST,2!
Two substeps
KBC,1!
Stepped loads
LSWRITE!
Write load data to load step file （Jobname.S01）
!
transient solution
TIME,...!
Realistic time interval
DDELE,...!
Remove displacement constraints （if appropriate）
KBC,0!
Ramped loads （if appropriate）
!
Continue with normal transient solution procedures
...
参见<>中关于命令ACEL、TIME、NSUBST、KBC、LSWRITE、DDELE和KBC的论述。
§
设置求解控制涉及定义分析类型、分析选项以及载荷步设置。
执行完全法瞬态动力学分析，可以使用最新型的求解界面（称为求解控制对话框）进行这些选项的设置。
求解控制对话框提供大多数结构完全法瞬态动力分析所需要的缺省设置，即用户只需要设置少量的必要选项。
完全法瞬态动力分析建议采用求解控制对话框，本章将详细进行介绍。
如果完全瞬态动力分析需要初始条件，必须在分析的第一个载荷步进行，然后反复利用求解控制对话框为后续荷步设置载载荷步选项（即重复求解的3-6步）。
如果不喜欢使用求解控制对话框（Main Menu>Solution>-Analysis Type-Sol"n Control），仍然可以沿用标准ANSYS求解命令及其对应的菜单路径（Main Menu>Solution>Unabridged Menu>option）。
求解控制对话框一般形式参见ANSYS基本分析指南的针对确定的结构分析类型选用特定的求解控制。
§
选择菜单路径Main Menu>Solution>-Analysis Type-Sol"n Control，就弹出求解控制对话框。
下面将详细讲述求解控制对话框各页片夹中的选项。
想要知道设置各选项的细节，选择感兴趣的页片夹，然后单击Help按钮。
本章还会讲述相关非线性结构分析的一些细节问题。
§
求解控制对话框包含5各页片夹，各页片夹中分组设置控制选项，并将大多数基本控制选项设置在第一个页片夹中,其他页片夹提供更高级的控制选项。
通过各页片夹，轻松达到控制求解过程。
打开求解控制对话框，基本页片夹总是处于激活状态，只包含ANSYS分析所需要设置的最少选项。
如果基本页片夹已经满足控制要求，其他高级选项只有缺省状态不符合求解控制才需要进一步进行调整。
一旦单击任何页片夹中的OK按钮，所有求解控制对话框中选项设置都定义到ANSYS数据库中，同时关闭求解控制对话框。
可以是用基本页片夹设置下表中的选项。
打开求解控制对话框，选择Basic页片夹，进行设置。
基本页片夹选项
选项
更多信息参见：
指定分析类型
[ANTYPE,NLGEOM]
ANSYS基本分析指南中的定义分析类型和分析设置
ANSYS结构分析指南中的非线性结构分析
ANSYS基本分析指南中的重启动分析
控制时间设置，包括：
载荷步终点时间[TIME]，自动时间步长[AUTOTS]以及载荷步内的子步数[NSUBST或DELTIM]
ANSYS基本分析指南中的跟踪中的时间作用
ANSYS基本分析指南中的一般选项
指定写入数据库的求解（结果）数据[OUTRES]
ANSYS基本分析指南中的输出控制
在瞬态动力学中，这些选项的特殊考虑有：
1）当设置ANTYPE和NLGEOM时，如果执行一个新分析希望忽略大位移效应，如大变形、大转角和大应变，就选择小位移瞬态。
如果希望考虑大变形（如弯曲的长细杆件）或大应变（如金属成型），就选择大位移瞬态。
如果希望重启动一个失败的非线性分析，或者前面完成一个静态预应力分析或完全法瞬态动力分析，而后希望继续下面的时间历程计算，就可以选择重启动当前分析。
2）当设置AUTOTS时，记住该载荷步选项（瞬态动力学分析中也称为时间步长优化）基于结构的响应增大或减小积分时间步长。
对于多数问题，建议打开自动时间步长与积分时间步长的上下限。
通过DELTIM和NSUBST指定积分步长上下限，有助于限制时间步长的波动范围；更多信息参见Automatic Time Stepping。
缺省值为不打开自动时间步长。
3）NSUBST和DELTIM是载荷步选项，用于指定瞬态分析积分时间步长。
积分时间步长是运动方程时间积分中的时间增量。
时间积分增量可以直接或间接指定（即通过子步数目）。
时间步长的大小决定求解的精度：
它的值越小，精度就越高。
使用时应当考虑多种因素，以便计算出一个好的积分时间步长，详情参见积分时间步长章节。
4）当设置OUTRES时，记住下面注意事项：
在完全法瞬态动力分析，缺省时只有最后子步（时间点）写入结果文件（Jobname.RST）为了将所有子步写入，需要设置所有子步的写入频率。
同时，缺省时只有1000个结果序列能够写入结果文件。
如果超过这个数目（基于用户的OUTRES定义），程序将认为出错终止。
使用命令/CONFIG,NRES可以增大限制数（参见ANSYS基本分析指南中的内存和配置章节）。
§
利用瞬态页片夹设置其中的瞬态动力选项。
有关设置这些选项的具体信息，打开求解控制对话框，选择瞬态页片夹，然后单击Help按钮。
瞬态页片夹选项
选项
更多信息参见：
指定是否考虑时间积分效应[TIMINT]
ANSYS结构分析指南中“执行非线性瞬态分析”
指定采用渐变加载还是突变加载方式[KBC]
ANSYS基本分析指南中“突变—渐变载荷”
ANSYS基本分析指南中“突变或渐变载荷”
指定质量和刚度阻尼 [ALPHAD,BETAD]
ANSYS结构分析指南中“阻尼”
定义积分参数[TINTP]
ANSYS, Inc. Theory Reference
在完全法瞬态动力学中，这些选项的特殊考虑有：
1）TIMINT是动力载荷步选项，用于指定是否打开时间积分效应[TIMINT]。
对于需要考虑惯性和阻尼效益的分析，必须打开时间积分效应（否则当作静力进行求解），所以缺省值为打开时间积分效应。
进行完静力分析之后接着进行瞬态分析时，该选项十分有用；也就是说，前面的载荷步必须关闭时间积分效应。
2）ALPHAD （alpha或mass，damping）和BETAD （beta或stiffness，damping）是动力载荷步选项，用于指定阻尼。
大多数结构中都存在某种形式的阻尼，必须在分析中考虑进来。
3）TINTP是动力载荷步选项，用于指定瞬态积分参数。
瞬态积分参数控制Newmark时间积分技术，缺省值为采用恒定的平均值加速度积分算法。
§
求解选项页片夹选项用于完全法瞬态分析的具体设置完全与结构分析指南静力分析中一致。
详情参见结构分析中使用求解选项页片夹。
§
非线性页片夹选项用于完全法瞬态分析的具体设置完全与结构分析指南静力分析中一致。
详情参见结构分析中使用非线性页片夹。
§
除弧长法选项外，其他高级非线性页片夹选项均可以用于完全法瞬态分析，设置方法与静力分析完全一致。
详情参见结构分析中高级非线性页片夹。
§
还有一些选项并不出现在求解控制对话框中，因为他们很少被使用，而且缺省值很少需要进行调整。
ANSYS提供有相应的菜单路径用于设置它们。
这里提到的许多选项是非线性选项，详情参见非线性结构分析。
§
利用SSTIF命令可以让包括18X家族单元在内的一些单元包含应力刚化效应。
要确定单元是否具有应力刚化效应算法，请参阅《ANSYS单元参考手册》中单元说明。
缺省时，如果NLGEOM（几何大变形）设置为ON则应力刚化效应为打开。
在一些特殊条件下，应当关闭应力刚化效应：
·应力刚化仅仅用于非线性分析。
如果执行线性分析[NLGEOM,OFF]，应当关闭应力刚化效应；
·在分析之前，应当预计机构不会因为屈曲（分岔，突然穿过）破坏。
一般情况下，包含应力刚化效应能够加速非线性收敛特性。
记住上述要点，在某些特殊计算中出现收敛困难时，可以关闭应力刚化效应，例如局部失效。
命令：
SSTIF
GUI：
Main Menu>Solution>Unabridged Menu>Analysis Options
§ Newton-Raphson选项
该选项只用于非线性分析，指定求解过程中切线矩阵修正的频率，允许下列取值：
·Program-chosen （default）
·Full
·Modified
·Initial stiffness
·Full with unsymmetric matrix
命令：
NROPT
GUI：
Main Menu>Solution>Unabridged Menu>Analysis Options
§
在分析中可以包含预应力效应，需要上一次静力或瞬态分析的单元文件，详情参见有预应力的瞬态动力分析。
命令：
PSTRES
GUI：
Main Menu>Solution>Unabridged Menu>Analysis Options
§
使用该载荷步选项定义阻尼。
大多数结构中都存在某种形式的阻尼，必须在分析中考虑进来。
除在求解控制对话框中设置ALPHAD和BETAD阻尼外，还可以瞬态完全法瞬态动力分析设置以下阻尼：
·材料相关beta阻尼[MP,DAMP]
·单元阻尼（COMBIN7等）
利用下面方法定义MP阻尼：
命令：
MP,DAMP
GUI：
Main Menu>Solution>Unabridged Menu>-Load Step Opts-Other>Change Mat Props>-Temp Dependent-Polynomial
§
该分析选项用于指定集中质量矩阵模式。
对于大多数应用，建议采用缺省模式。
但是，某些薄壁结构如纤细梁或薄壳等，集中质量近似模式能够提供更好的结果。
并且，集中质量近似模式耗机时最短，内存要求最少。
使用方法如下：
命令：
LUMPM
GUI：
Main Menu>Solution>Unabridged Menu>Analysis Options
§
该非线性载荷步选项对自动时间步长指定蠕变准则：
命令：
CRPLIM
GUI：
Main Menu>Solution>Unabridged Menu>-Load Step Opts-Nonlinear>Creep Criterion
§
使用该载荷步选项以便让所有结果数据写进输出文件（Jobname.OUT）。
命令：
OUTPR
GUI：
Main Menu>Solution>Unabridged Menu>-Load Step Opts-Output Ctrls>Solu Printout
注意：
多次执行OUTPR命令的适当使用是比较严谨做法。
详情参见ANSYS基本分析指南中“输出控制”。
§
使用该载荷步选项可以将单元积分点结果复制到节点，而不是将它们的结果外推到节点（缺省方式），用于检查单元积分点上的结果。
命令：
ERESX
GUI：
Main Menu>Solution>Unabridged Menu>-Load Step Opts-Output Ctrls>Integration Pt
§3.4.5施加载荷
下表总结了瞬态动力分析允许施加的载荷。
除惯性载荷外，其他载荷可以施加到实体模型（关键点、线和面）或有限元模型（节点和单元）上。
<>的§，可以施加、运算或删除载荷。
关于实体模型载荷—有限元载荷之间关系的讨论参见<>第二章载荷。
还可以利用一维表（TABLE类型数组）来施加随时间变化的边界条件，详情参见§
瞬态动力学分析中可用的载荷
载荷类型
范畴
更多信息参见：
Displacement：
UX,UYUZ
ROTX,ROTY,ROTZ
约束
ANSYS基本分析指南中“DOF约束”
Force,Moment：
FX,FY,FZ
MX,MY,MZ
力
ANSYS基本分析指南中“力（集中载荷）”
Pressure：
PRES
面载荷
ANSYS基本分析指南中“表面载荷”
Temperature：
TEMP
Fluence：
FLUE
体载荷
ANSYS基本分析指南中“体载荷”
Gravity,Spinning等
惯性载荷
ANSYS基本分析指南中“惯性载荷”
§
如建立初始条件中所述，需要针对载荷-时间曲线的每个拐点进行施加载荷并存储载荷配置到各自的载荷步文件。
可能需要有一个额外的延伸到载荷曲线上最后一个时间点之外的载荷步，以考察在瞬态载荷施加后结构的响应。
命令：
LSWRITE
GUI：
Main Menu>Solution>Write LS File
§
定义完全法瞬态动力分析的其他载荷步，只要重复§，即重新设置必须的求解控制和选项、施加载荷和将载荷配置写进文件。
对于每个载荷步，能够设置下列选项：
TIMINT,TINTP,ALPHAD,BETAD,MP,DAMP,TIME,KBC,NSUBST,DELTIM,AUTOTS,NEQIT,CNVTOL,PRED,LNSRCH,CRPLIM,NCNV,CUTCONTROL,OUTPR,OUTRES,ERESX, andRESCONTROL。
载荷步文件举例如下：
TIME, ...!
Time at the end of 1st transient load step
Loads ...!
Load values at above time
KBC, ...!
Stepped or ramped loads
LSWRITE!
Write load data to load step file
TIME, ...!
Time at the end of 2nd transient load step
Loads ...!
Load values at above time
KBC, ...!
Stepped or ramped loads
LSWRITE!
Write load data to load step file
TIME, ...!
Time at the end of 3rd transient load step
Loads ...!
Load values at above time
KBC, ...!
Stepped or ramped loads
LSWRITE!
Write load data to load step file
…
§
将数据库保存到备份文件。
这样在重新进入ANSYS程序后用命令RESUME便可恢复以前的模型。
命令：
SAVE
GUI：
Utility Menu>File>Save as
§
使用下列其中一种方法进行求解：
命令：
LSSOLVE
GUI：
Main Menu>Solution>-Solve-From LS Files
其它的生成和求解多步载荷的方法（array parameter法和multiple SOLVE法）详情参见<
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