1、1第一頁，共50頁。第一節：瞬態動力分析的定義和目的第一節：瞬態動力分析的定義和目的第二節：瞬態分析狀態的基本術語和概念第二節：瞬態分析狀態的基本術語和概念第三節：在第三節：在ANSYS中如何進行瞬態分析中如何進行瞬態分析第四節：瞬態分析實例第四節：瞬態分析實例2第二頁，共50頁。什么是瞬態動力分析什么是瞬態動力分析?它是確定隨時間變化載荷（例如爆炸）作用下結構響應的技術；它是確定隨時間變化載荷（例如爆炸）作用下結構響應的技術；輸入數據：輸入數據： 作為時間函數的載荷作為時間函數的載荷輸出數據：輸出數據： 隨時間變化的位移和其它的導出量，如：應力和應變。隨時間變化的位移和其它的導出量，如：應力

2、和應變。3第三頁，共50頁。瞬態動力分析可以應用在以下設計中：瞬態動力分析可以應用在以下設計中：承受各種沖擊載荷的結構，如：汽車中的門和緩沖器、建筑框架承受各種沖擊載荷的結構，如：汽車中的門和緩沖器、建筑框架以及懸掛系統等；以及懸掛系統等；承受各種隨時間變化載荷的結構，如：橋梁、地面移動裝置以及承受各種隨時間變化載荷的結構，如：橋梁、地面移動裝置以及其它機器部件；其它機器部件；承受撞擊和顛簸的家庭和辦公設備，如：移動電話、筆記本電腦和真空承受撞擊和顛簸的家庭和辦公設備，如：移動電話、筆記本電腦和真空吸塵器等。吸塵器等。4第四頁，共50頁。包括的主題如下：包括的主題如下：運動方程運動方程求解方法

3、求解方法積分時間步長積分時間步長5第五頁，共50頁。用于瞬態動力分析的運動方程和通用運動方程相同；用于瞬態動力分析的運動方程和通用運動方程相同；這是瞬態分析的最一般形式，載荷可為時間的任意函數；這是瞬態分析的最一般形式，載荷可為時間的任意函數；按照求解方法，按照求解方法， ANSYS 允許在瞬態動力分析中包括各種類型的允許在瞬態動力分析中包括各種類型的非線性非線性- 大變形、接觸、塑性等等。大變形、接觸、塑性等等。 tFuKuCuM 6第六頁，共50頁。求解運動方程求解運動方程直接積分法直接積分法模態疊加法模態疊加法隱式積分隱式積分顯式積分顯式積分完整矩陣法完整矩陣法縮減矩陣法縮減矩陣法完整矩

4、陣法完整矩陣法縮減矩陣法縮減矩陣法7第七頁，共50頁。運動方程的兩種求解法：運動方程的兩種求解法：模態疊加法（在后面討論）模態疊加法（在后面討論）直接積分法：直接積分法： 運動方程可以直接對時間按步積分。在每個時間點運動方程可以直接對時間按步積分。在每個時間點( time = 0, D Dt , 2D Dt, 3D Dt,.) ，需求解一組聯立的靜態平衡方程（，需求解一組聯立的靜態平衡方程（F=ma）；）； 關于位移、速度和加速度隨時間是如何變化，作了假設（積分方法）；關于位移、速度和加速度隨時間是如何變化，作了假設（積分方法）； 理論上有不同的積分方法：比如理論上有不同的積分方法：比如Cen

5、tral difference, Average acceleration, Houbolt, WilsonQ Q, Newmark 等。等。8第八頁，共50頁。直接積分法（接上頁）：直接積分法（接上頁）： ANSYS提供了兩種積分方案提供了兩種積分方案Newmark 和和 HHT，Newmark為缺省的積分為缺省的積分方法方法: 不同的不同的a a 和和 d d 值將導致積分方法的變化（顯式值將導致積分方法的變化（顯式/ /隱式隱式/ /平均加速度）。平均加速度）。 Newmark是一種隱式方法。是一種隱式方法。 ANSYS/LS-DYNA使用顯式方法。顯式和隱式前面已作討論。使用顯式方法。

6、顯式和隱式前面已作討論。9第九頁，共50頁。求解時即可用縮減結構矩陣，也可用完整結構矩陣；求解時即可用縮減結構矩陣，也可用完整結構矩陣；縮減矩陣：縮減矩陣： 用于快速求解；用于快速求解； 不允許非線性（除間隙外）；不允許非線性（除間隙外）； 根據主自由度寫出根據主自由度寫出K， C， M等矩陣，主自由度是完全自由等矩陣，主自由度是完全自由度的子集；度的子集； 縮減的縮減的 K 是精確的，但縮減的是精確的，但縮減的 C 和和 M 是近似的。此外，還是近似的。此外，還有其它的一些缺陷，但不在此討論。有其它的一些缺陷，但不在此討論。完整矩陣：完整矩陣： 不進行縮減。不進行縮減。 采用完整的采用完整的

7、K， C， 和和 M矩陣；矩陣； 允許非線性特性允許非線性特性; 在本手冊中的全部討論都是基于此種方法。在本手冊中的全部討論都是基于此種方法。10第十頁，共50頁。積分時間步長（亦稱為積分時間步長（亦稱為ITS 或或 D Dt ）是時間積分法中的一個重要概）是時間積分法中的一個重要概念念ITS = 從一個時間點到另一個時間點的時間增量從一個時間點到另一個時間點的時間增量 D Dt ；積分時間步長決定求解的精確度，因而其數值應仔細選取積分時間步長決定求解的精確度，因而其數值應仔細選取;瞬態分析中，對于縮減法和模態疊加法，瞬態分析中，對于縮減法和模態疊加法，ITS是一個常數；是一個常數；瞬態分析中

8、，對于完全法，在使用者定義的范圍（以后討論）內，瞬態分析中，對于完全法，在使用者定義的范圍（以后討論）內，ANSYS能夠自動能夠自動調節時間步長。調節時間步長。ITS 應足夠小以獲取下列數據：應足夠小以獲取下列數據：響應頻率響應頻率接觸頻率（如果存在的話）接觸頻率（如果存在的話）波傳播效應（如果存在的話）波傳播效應（如果存在的話）非線性響應（塑性、蠕變及接觸狀態）非線性響應（塑性、蠕變及接觸狀態）11第十一頁，共50頁。響應頻率響應頻率不同類型載荷會在結構中激發不同的自然頻率不同類型載荷會在結構中激發不同的自然頻率（響應響應頻率頻率）；）；響應頻率是載荷引起全部頻率的加權頻率；響應頻率是載荷引

9、起全部頻率的加權頻率；ITS應足夠小以獲取所關心的最高響應頻率應足夠小以獲取所關心的最高響應頻率 （最低最低響應周期響應周期）；）；每個循環中有每個循環中有20個時間點應是足夠的，即：個時間點應是足夠的，即：D Dt = 1/20 f式中式中 ，f 是所關心的最高響應頻率。是所關心的最高響應頻率。求解時，完全法給出響應頻率和在每個周期的每個時間求解時，完全法給出響應頻率和在每個周期的每個時間點的編號；點的編號；目的是保持每個周期目的是保持每個周期20個點；個點；ANSYS自動增加和減少自動增加和減少ITS來保證每個周期默認有來保證每個周期默認有20個個點。點。響應周期12第十二頁，共50頁。接

10、觸頻率接觸頻率當兩個物體發生接觸，間隙或接觸表面通常用當兩個物體發生接觸，間隙或接觸表面通常用剛度（間隙剛度）來描述；剛度（間隙剛度）來描述；ITS應足夠小以獲取間隙應足夠小以獲取間隙“彈簧彈簧”頻率；頻率；建議每個循環三十個點，這才足以獲取在兩建議每個循環三十個點，這才足以獲取在兩物體間的動量傳遞，比此更小的物體間的動量傳遞，比此更小的ITS 會造成會造成能量損失，并且沖擊可能不是完全彈性的。能量損失，并且沖擊可能不是完全彈性的。求解過程中，將給出響應頻率和接觸頻率。求解過程中，將給出響應頻率和接觸頻率。mass effectivestiffness gapfrequencycontact

11、21301mkfmkffITSccc13第十三頁，共50頁。波傳播波傳播由沖擊引起。在細長結構中更為顯由沖擊引起。在細長結構中更為顯著（如下落時以一端著地的細棒）著（如下落時以一端著地的細棒）需要很小的需要很小的ITS ，并且在沿波傳播并且在沿波傳播的方向需要精細的網格劃分的方向需要精細的網格劃分顯式積分法（在顯式積分法（在ANSYS-LS/DYNA采采用）可能對此更為適用用）可能對此更為適用density massmodulus sYoung speed waveelasticdirection wavealonglength 20/sizeelement 3DDEEcLLxcxITS14第

12、十四頁，共50頁。非線性響應非線性響應完全法的瞬態分析能夠包含各種非線性特性；完全法的瞬態分析能夠包含各種非線性特性；非線性特性可以歸納為非線性特性可以歸納為3種類型；種類型； -材料非線性（塑性、蠕變、超彈性材料非線性（塑性、蠕變、超彈性）; -幾何非線性（大應力、大轉角、屈曲）；幾何非線性（大應力、大轉角、屈曲）； -單元非線性（接觸、纜繩）。單元非線性（接觸、纜繩）。 在每個時間點，非線性要求迭代求解；在每個時間點，非線性要求迭代求解；這些迭代被稱為平衡迭代；這些迭代被稱為平衡迭代；一般小的一般小的ITS有助于快速收斂；有助于快速收斂；塑性、蠕變和摩擦非線性本質上是非保守的。這些非線性要

13、求精度的塑性、蠕變和摩擦非線性本質上是非保守的。這些非線性要求精度的加載歷程。小的加載歷程。小的ITS有助于精度描述加載歷程；有助于精度描述加載歷程；捕捉接觸狀態也要求小的捕捉接觸狀態也要求小的ITS;實例實例：球撞擊平板的例子球撞擊平板的例子: - 在大的在大的D Dt時，球穿透平板時，球穿透平板 - 如果球穿透過多（超過球半徑），接觸將探測不到如果球穿透過多（超過球半徑），接觸將探測不到At time = tAt time = t+Dt15第十五頁，共50頁。如何選擇一個好的如何選擇一個好的ITS呢？呢？ANSYS推薦的辦法是激活自動時間步長（推薦的辦法是激活自動時間步長（AUTOTS），

14、），然后提供然后提供D Dtinitial , D Dtmin 和和 D Dtmax 。ANSYS用自動時間步長算法決定最優的用自動時間步長算法決定最優的D Dt值。值。 例如例如：如果：如果AUTOTS開始時是開始時是D Dtinitial= 1 秒，秒， D Dtmin= 0.01 秒秒,并且并且 D Dtmax= 10 秒秒;ANSYS開開始計算時始計算時ITS=1秒，并且允許秒，并且允許ITS的值在的值在0.01和和10之間變化。之間變化。完全瞬態分析時，完全瞬態分析時，AUTOTS默認為打開。縮減法和模態疊加法時，不允許使用默認為打開。縮減法和模態疊加法時，不允許使用AUTOTSAU

15、TOTS在下列情況下將減少在下列情況下將減少ITS（不小于不小于D Dtmin ）:-在響應頻率少于在響應頻率少于20個點時個點時-求解不收斂求解不收斂-求解很大數目的平衡方程（收斂緩慢）求解很大數目的平衡方程（收斂緩慢）-在一個時間步內塑性應變累計超過在一個時間步內塑性應變累計超過15%-蠕變率超過蠕變率超過0.1-如果接觸狀態將改變（大部分的接觸單元的如果接觸狀態將改變（大部分的接觸單元的KEYOPT(7)來控制）來控制）16第十六頁，共50頁。 在此節中只討論完整矩陣在此節中只討論完整矩陣 五個主要步驟：五個主要步驟： 建模建模 選擇分析類型和選項選擇分析類型和選項 規定邊界條件和初始條

16、件規定邊界條件和初始條件 施加時間歷程載荷并求解施加時間歷程載荷并求解 查看結果查看結果17第十七頁，共50頁。模型模型 允許所有各種非線性允許所有各種非線性 記住要輸入密度！記住要輸入密度！ 其余參見第一章建模所要考慮的問題其余參見第一章建模所要考慮的問題18第十八頁，共50頁。 建模建模選擇分析類型和選項：選擇分析類型和選項：進入求解器并選擇瞬態分析進入求解器并選擇瞬態分析選擇完全瞬態求解選擇完全瞬態求解求解方法和其它選項求解方法和其它選項- 將在下面討論將在下面討論阻尼阻尼 將在下面討論將在下面討論19第十九頁，共50頁。求解方法和其它選項求解方法和其它選項選擇大位移或小位移分析方法選擇

17、大位移或小位移分析方法 不確定時選擇大位移瞬態分析法不確定時選擇大位移瞬態分析法指定加載步結束時的時間指定加載步結束時的時間自動時間步長（后面討論）自動時間步長（后面討論）指定初始時當前載荷步最小和最大值指定初始時當前載荷步最小和最大值D Dt指定輸出控制（后面討論）指定輸出控制（后面討論）20第二十頁，共50頁。自動時間步長自動時間步長在瞬態分析時自動計算合適的在瞬態分析時自動計算合適的ITS建議選中該選項，并且指定最小和最大的建議選中該選項，并且指定最小和最大的ITS值值如果有非線性，選中如果有非線性，選中“Program Chose”選項選項21第二十一頁，共50頁。輸出控制輸出控制用來

18、決定結果文件中寫進哪些計算結果用來決定結果文件中寫進哪些計算結果使用使用OUTRES命令或主菜單選擇命令或主菜單選擇Solution Soln Control. Basic 典型的選擇是將每個子步的所有結果都寫入結果文件典型的選擇是將每個子步的所有結果都寫入結果文件 允許擬合計算結果隨時間的曲線圖允許擬合計算結果隨時間的曲線圖 可能導致結果文件過大可能導致結果文件過大22第二十二頁，共50頁。打開打開/關閉瞬態效果關閉瞬態效果 對設置初始條件有作用（后面討論）對設置初始條件有作用（后面討論）斜坡載荷或階梯載荷斜坡載荷或階梯載荷 指定阻尼（后面討論）指定阻尼（后面討論）時間積分參數使用缺省值時間

19、積分參數使用缺省值23第二十三頁，共50頁。阻尼阻尼 和和b b阻尼均可用；阻尼均可用；在大多數情況下，忽略在大多數情況下，忽略阻尼（粘性阻尼），僅規定阻尼（粘性阻尼），僅規定b b阻尼（由滯后造成的阻尼（由滯后造成的阻尼）：阻尼）：b b = 2 /w w式中式中 為阻尼比，為阻尼比，w w 為主要響應頻率為主要響應頻率 （rad/sec）。）。材料阻尼（如橡膠）和單元阻尼（如振蕩器）都可以使用材料阻尼（如橡膠）和單元阻尼（如振蕩器）都可以使用24第二十四頁，共50頁。選擇求解器選擇求解器 ANSYS默認選擇默認選擇Sparse求解器求解器；對于較大問題（自由度個數大于對于較大問題（自由度個

20、數大于100000）使用）使用PCG求解器求解器25第二十五頁，共50頁。 建模建模 選擇分析類型和選項選擇分析類型和選項規定邊界條件和初始條件規定邊界條件和初始條件在這種情況下邊界條件為載荷或在整個在這種情況下邊界條件為載荷或在整個瞬態過程中一直為常數的條件，例如：瞬態過程中一直為常數的條件，例如： 固定點（約束）固定點（約束） 對稱條件對稱條件 重力重力初始條件將在下面討論初始條件將在下面討論26第二十六頁，共50頁。初始條件初始條件瞬態分析需要指定初始位移瞬態分析需要指定初始位移u0和初始速度和初始速度v0它們的缺省值為它們的缺省值為， u0 = v0 = a0 = 0 可能要求非零初始

21、條件的實例：可能要求非零初始條件的實例： 飛機著陸飛機著陸 (v0 0) 高爾夫球棒擊球高爾夫球棒擊球 (v0 0) 物體跌落試驗物體跌落試驗 (a0 0)27第二十七頁，共50頁。施加初始條件的兩種方法：施加初始條件的兩種方法：以靜載荷步開始以靜載荷步開始 當只需在模型的一部分上施加初始條件時，例如，用強加的位移將懸當只需在模型的一部分上施加初始條件時，例如，用強加的位移將懸臂梁的自由端從平衡位置臂梁的自由端從平衡位置“撥撥”開時，這種方法是有用的；開時，這種方法是有用的； (u0 已知已知, v0 =0) 用于需要施加非零初始加速度時。用于需要施加非零初始加速度時。使用使用IC 命令命令

22、Solution Define Loads Apply Initial Conditn Define 當需在整個物體上施加非零初始位移或速度時當需在整個物體上施加非零初始位移或速度時IC 命令法是有用的。命令法是有用的。28第二十八頁，共50頁。建模建模 選擇分析類型和選項選擇分析類型和選項 規定邊界條件和初始條件規定邊界條件和初始條件施加時間施加時間-歷程載荷和求解歷程載荷和求解時間時間- 歷程載荷是隨時間變化的載荷歷程載荷是隨時間變化的載荷這類載荷有三種施加方法：這類載荷有三種施加方法： 函數工具函數工具 列表輸入法列表輸入法 多載荷步施加法多載荷步施加法LoadtLoadtLoadt29

23、第二十九頁，共50頁。函數工具函數工具允許施加復雜的邊界條件。為了進入函數編輯器，選擇：允許施加復雜的邊界條件。為了進入函數編輯器，選擇： Solution Define Loads Apply Functions Define/Edit建議：如果邊界條件可以直接用列表輸入法（后面介紹）表示就不要使用建議：如果邊界條件可以直接用列表輸入法（后面介紹）表示就不要使用函數工具。函數工具。30第三十頁，共50頁。0.5Forcet列表輸入法列表輸入法允許定義載荷隨時間變化的表（用數組參數）并采用此表作為載荷；允許定義載荷隨時間變化的表（用數組參數）并采用此表作為載荷；尤其是在同時有幾種不同的載荷，而

24、每種載荷又都有它自己的時間歷程時很尤其是在同時有幾種不同的載荷，而每種載荷又都有它自己的時間歷程時很方便；方便；例如，要施加下圖所示的力隨時間變化曲線：例如，要施加下圖所示的力隨時間變化曲線：1. 選擇選擇 Solution Define Loads Apply Structural Force/Moment On Nodes ，然后拾取所需節點然后拾取所需節點22.5101.01.531第三十一頁，共50頁。2. 選擇力方向和選擇力方向和 “New table”， 然后然后OK；3. 輸入表名和行數（時間點的數量），然輸入表名和行數（時間點的數量），然后后OK；4.填入時間和載荷值，然后填入

25、時間和載荷值，然后File Apply/Quit；32第三十二頁，共50頁。5. 規定終止時間和積分時間步長規定終止時間和積分時間步長 Solution Load Step Opts Time/Frequenc Time - Time Step 不必指定載荷的分步或線性條件，這已包含在載荷曲線中不必指定載荷的分步或線性條件，這已包含在載荷曲線中6. 激活自動時間步，規定輸出控制，然后求解（稍后討論）。激活自動時間步，規定輸出控制，然后求解（稍后討論）。典型命令典型命令:TIME，! 終點時間終點時間DELTIM，0.002，0.001，0.1 ! 起始起始,最小和最大最小和最大 ITSAUTO

26、TS，ONOUTRES，SOLVE33第三十三頁，共50頁。多載荷步法多載荷步法允許在單個的載荷步中施加載荷允許在單個的載荷步中施加載荷時間曲線中的部分載荷；時間曲線中的部分載荷；不必用數組參數，只需施加每段載荷并且求解該載荷步或者將其寫入不必用數組參數，只需施加每段載荷并且求解該載荷步或者將其寫入一個載荷步文件中一個載荷步文件中 (LSWRITE)。34第三十四頁，共50頁。實例實例，施加前面所述的力隨時間變化曲線：施加前面所述的力隨時間變化曲線：1. 對施加方法作出計劃，這種情況需用三個載對施加方法作出計劃，這種情況需用三個載荷步：一個為遞增線性載荷，一個為遞減線荷步：一個為遞增線性載荷，

27、一個為遞減線性載荷，另一個為階梯式的除去載荷；性載荷，另一個為階梯式的除去載荷；Forcet22.5100.51.01.52. 定義載荷步 1：在要求的節點上施加22.5單位的力；規定施加此力的終止時間 (0.5)，指出時間步長和線性載荷； 激活自動時間步功能*，規定輸出控制 *， 或者進行求解，或將此載荷步寫入載荷步文件中。*將在后面討論多載荷步法（接上頁多載荷步法（接上頁）35第三十五頁，共50頁。! Load step 1F， ! 在指定的節點上定義力在指定的節點上定義力22.5TIME，0.5 ! 終點時間終點時間DELTIM， ! 積分時間步長積分時間步長KBC，0 ! 斜坡載荷斜坡

28、載荷AUTOTS，ONOUTRES，SOLVE ! 或或LSWRITE36第三十六頁，共50頁。3. 定義載荷步定義載荷步2： 改變力值為改變力值為10.0； 規定終止時間規定終止時間 (1.0)。不必重新指定積分時間步長或線性載荷不必重新指定積分時間步長或線性載荷條件；條件； 求解或將此載荷步寫入載荷步文件中。求解或將此載荷步寫入載荷步文件中。4. 定義載荷步定義載荷步3： 刪除力或將其值設置為零；刪除力或將其值設置為零； 規定終止時間規定終止時間 (1.5) 并分步加載；并分步加載； 求解或將此載荷步寫入載荷步文件中。求解或將此載荷步寫入載荷步文件中。37第三十七頁，共50頁。! 載荷步載

29、荷步 2F，! 在指定的節點上定義力在指定的節點上定義力10.0 TIME，1.0 ! 終點時間終點時間SOLVE! 或或 LSWRITE! 載荷步載荷步 3FDELE，! 刪除力刪除力TIME，1.5 ! 終點時間終點時間KBC，1! 階梯載荷階梯載荷SOLVE! 或或LSWRITE38第三十八頁，共50頁。自動時間步長自動時間步長采用一種算法自動計算瞬態分析過程中合適的采用一種算法自動計算瞬態分析過程中合適的ITS大小大小建議激活自動時間步長功能，并規定建議激活自動時間步長功能，并規定ITS的最小和最大值的最小和最大值如果存在非線性，采用如果存在非線性，采用“程序選擇程序選擇”選項選項注意

30、注意: 在在ANSYS 中，總體求解器控制開關中，總體求解器控制開關SOLCONTROL的缺省狀態的缺省狀態為開，為開， 建議保留這一狀態，更為重要的是，不要在載荷步之間打開建議保留這一狀態，更為重要的是，不要在載荷步之間打開或關閉此開關或關閉此開關39第三十九頁，共50頁。輸出控制輸出控制用于確定寫入結果文件的內容用于確定寫入結果文件的內容用用OUTRES 命令或選擇在主菜單中命令或選擇在主菜單中Solution Output Ctrls DB/Results File. 典型的選擇是對每個子步將全部項目寫入結果文件中。這樣做的結果是：典型的選擇是對每個子步將全部項目寫入結果文件中。這樣做的結果是： 可以畫出結果隨時間變化的平滑曲線可以畫出結果隨時間變化的平滑曲線 可能造成結果文件過大可能造成結果文件過大典型命令典型命令:OUTRES，ALL，ALL40第四十頁，共50頁。求解求解采用采用 SOLVE 命令（或者，如果已寫成了結果命令（或者，如果已寫成了結果文件，則采用文件，則采用 LSSOLVE ）在每個時間子步