瞬态动力学分析Word格式文档下载.docx

1、进行瞬态动力学分析可以采用3种方法，即Full Method（完全法）、Mode Superposition Method（模态叠加法）和Reduced Method（减缩法）。下面来比较一下各种方法的优缺点。10.1.1 Full Method（完全法）Full Method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）。Full Method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

2、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。Full Method的主要缺点是比其他方法消耗大。10.1.2 Mode Superposition Method（模态叠加法）Mode Superposition Method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Reduced Method或Full Method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）。Mode Superposition Met

3、hod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。10.1.3 Reduced Method（减缩法）Reduced Method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Full Method更快且消耗小。Reduced Method的缺点如下。初始解只计算出主自由度的位

4、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（full method）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

5、-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 = 10 lb = -1 inXv0k2 = 30 lb/inF = 1.875 lbt=0-10.0m = W/g10.2.2 GUI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Utility Menu File Change Title命令，弹出Change Title对话框，输入“FREE VIBRATION WITH COULOMB DAMPING”，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

6、。选择主菜单中的Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete命令，弹出Element Types对话框，如图10-3所示，单击Add按钮，弹出Library of Element Types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Combination 40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10-3 Element Types对话框 图10-4 Library of Element Types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

7、按钮，弹出COMBIN40 element type options对话框，如图10-5所示，在Element degree（s） of freedom K3下拉列表框中选择UX选项，在Mass location K6下拉列表框中选择Mass at node J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10-5 COMBIN40 element type options对话框 （4）定义第一种实常数。 Real Constants Add/Edit/ Delete命令，弹出Real Constants对话框，如图10-6所示，单击Ad

8、d按钮，弹出Element Type for Real Constants对话框，如图10-7所示。 图10-6 Real Constants对话框 图10-7 Element Type for Real Constants对话框在如图10-7所示的对话框中选择Type 1 COMBIN40选项，单击OK按钮，弹出Real Constant Set Number1,for COMBIN40对话框，在Spring constant K1文本框中输入“10000”，在Mass M文本框中输入“10/386”，在Limiting sliding force FSLIDE文本框中输入“1.875”，在

9、Spring const（par to slide） K2文本框中输入“30”，如图10-8所示，单击OK按钮。接着单击Real Constants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 In Active CS命令，弹出Create Nodes in Active Coordinate System对话框。在NODE Node number文本框中输入“1”，如图10-9所示。在X,Y,Z Location in active CS文本框中输入“0、0、0”，单击Apply按钮。图10-8 Real Constant

10、 Set Number1, 图10-9 生成第一个节点for COMBIN40对话框在Create Nodes in Active Coordinate System对话框的NODE Node number文本框中输入“2”，在X,Y,Z Location in active CS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Plot Numbering Controls对话框，选中NODE Node numbers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

11、径。 Window Controls Window Options命令，弹出Window Options对话框，在/TRIAD Location of triad下拉列表框中选择At top left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 Elem Attributes命令，弹出Element Attributes对话框，在TYPE Element type number下拉列表框中选择1 COMBIN40选项，在REAL Real constant set number下拉列表框

12、中选择1选项，如图10-13所示。 图10-12 Window Options对话框 图10-13 Element Attributes对话框（9）创建梁单元。 Auto Numbered Thru Nodes命令，弹出Elements from Nodes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 Define Loads Apply Initial Conditn Define命令，弹出Define Initial Conditions拾取菜单，用鼠标在

13、屏幕上拾取编号为2的节点，单击OK按钮，弹出Define Initial Conditions对话框，如图10-15所示，在Lab DOF to be specified下拉列表框中选择UX选项，在VALUE Initial value of DOF文本框中输入“-1”，在VALUE2 Initial velocity文本框中输入“0”，单击OK按钮。 图10-14 单元模型 图10-15 Define Initial Conditions对话框 注意：如果在Main Menu Apply路径下没有找到Initial Conditn选项，可以先选择Main Menu Solution Unab

14、ridged Menu路径显示所有可能的菜单，然后再执行Main Menu Define命令。另外，定义初始位移和初始速度还有一条路径：Main Menu 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。 Analysis Type New Analysis命令，弹出New Analysis对话框，选中Transient单选按钮，如图10-16所示，单击OK按钮，弹出Transient Analysis对话框，如图10-17所示，在TRNOPT Solution method栏中选中Full单选按钮（通常它也是默认选项），单击OK按钮。 图10-16 N

15、ew Analysis对话框 图10-17 Transient Analysis对话框（2）设置求解控制器。 Soln Controls命令，弹出Solution Controls对话框（求解控制器），如图10-18所示，在Time at end of loadstep文本框中输入“0.2025”，在Automatic time stepping下拉列表框中选择Off选项，选中Number of substeps单选按钮，在Number of substeps文本框中输入“404”，在Write Items to Results File栏中选中All solution items单选按钮，在

16、Frequency下拉列表框中选择Write every substep选项。图10-18 Solution Controls对话框（Basic选项卡） 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10-19 Solution Controls对话框（Nonlinear选项卡） 单击Set convergence criteria按钮，弹出Nonlinear Convergence Criteria对话框，如图10-20所示。 单击Replace按钮，弹出如图10-21所示的Nonlinear Convergence Criteria对话框，在Lab C

17、onvergence is based on右面的第一列表框中选择Structural选项，在第二列表框中选择Force F选项，在VALUE Reference value of lab文本框中输入“1”，在TOLER Tolerance about VALUE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10-20 Nonlinear Convergence Criteria对话框（1）图10-21 Nonlinear Convergence Criteria对话框（2）4设

18、定其他求解选项（1）关闭优化设置。 Unabridged Menu Load Step Opts Solution Ctrl命令，弹出Nonlinear Solution Control对话框，如图10-22所示，在SOLCONTROL Solution Control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 Time and Substps命令，弹出Time and Substep Options对话框，如图10-23所示，在KBC Stepped or ramped b.c.栏中选中Stepped单选按钮，单击OK按钮接受其

19、他设置。图10-22 Nonlinear Solution Control对话框图10-23 Time and Substep Options对话框5施加载荷和约束施加约束。 Structural Displacement On Nodes命令，弹出Apply U,ROT on Nodes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Apply U,ROT on Nodes对话框，在Lab2 DOFs to be constrained列表框中选择UX选项，如图10-24所示，单击OK按钮。图10-24 Apply U,ROT on Nodes对话框6瞬态求解（1）瞬态分析求解

20、。 Solve Current LS命令，弹出/STATUS Command信息提示栏和Solve Current Load Step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Solve Current Load Step对话框中的OK按钮，开始求解。（2）当求解结束时，会弹出Solution is done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。 TimeHist PostPro命令，弹出如图10-26所示的Ti

21、me History Variables对话框，里面已有默认变量时间（TIME）。图10-26 Time History Variables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Add Time-History Variable对话框，连续选择Nodal Solution DOF Solution X-Component of displacement选项，如图10-27所示，在Variable Name文本框中输入“UX_2”，单击OK按钮。弹出Node for Data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，

22、返回到Time History Variables对话框，不过此时变量列表里面多了一项UX变量。图10-27 Add Time-History Variable对话框 图10-28 Node for Data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Element Solution Miscellaneous Items Summable data（SMISC,1）选项，弹出Miscellaneous Sequence Number对话框，如图10-29所示。在Sequence number SMIS文本框

23、中输入“1”，单击OK按钮。返回到如图10-30所示的Add Time-History Variable对话框，在Variable Name文本框中输入“F1”，单击OK按钮。图10-29 Miscellaneous Sequence Number对话框图10-30 Add Time-History Variable对话框弹出ElementforData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Node 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编号为1的节点），单击OK按钮，返回Time History Variables对话

24、框，不过此时Variable List下增加了两个变量：UX和F1，如图10-31所示。图10-31 Time History Variables对话框（4）设置坐标1。 Style Graphs Modify Grid命令，弹出Grid Modifications for Graph Plots对话框，在/GRID Type of grid下拉列表框中选择X and Y lines选项，如图10-32所示，单击OK按钮。图10-32 Grid Modifications for Graph Plots对话框（5）设置坐标2。 Modify Axes命令，弹出Axes Modification

25、s for Graph Plots对话框，在/AXLAB Y-axis label文本框中输入“DISP”，如 图10-33所示，单击OK按钮。（6）设置坐标3。 Modify Curve命令，弹出Curve Modifications for Graph Plots对话框，如图10-34所示，在/GTHK Thickness of curves下拉列表框中选择Double选项，单击OK按钮。图10-33 Axes Modifications for Graph Plots对话框（7）绘制UX变量图。 TimeHist PostPro Graph Variables命令，弹出Graph Tim

26、e-History Variables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10-34 Curve Modifications for Graph Plots对话框 图10-35 Graph Time-History Variables对话框图10-36 位移时间图曲线（8）重新设置坐标轴标号。 Modify Axes命令，弹出如图10-33所示的对话框，在/AXLAB Y-axis label文本框中输入“FORCE”，单击OK按钮。（9）绘制F1变量图。 Graph Variables命令，弹出Graph Time-History Variables