第16章 結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析實例與分析

1、第第16章章結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析實例與分析結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析實例與分析216.1 結(jié)構(gòu)動力學(xué)概述結(jié)構(gòu)動力學(xué)概述定義和目的定義和目的 什么是動力學(xué)分析什么是動力學(xué)分析?動力學(xué)分析是用來確定慣性（質(zhì)量效應(yīng)）和阻尼起動力學(xué)分析是用來確定慣性（質(zhì)量效應(yīng)）和阻尼起著重要作用時結(jié)構(gòu)或構(gòu)件動力學(xué)特性的技術(shù)。著重要作用時結(jié)構(gòu)或構(gòu)件動力學(xué)特性的技術(shù)。“動力學(xué)特性動力學(xué)特性” 可能指的是下面的一種或幾種類型可能指的是下面的一種或幾種類型:振動特性振動特性 - （結(jié)構(gòu)振動方式和振動頻率）（結(jié)構(gòu)振動方式和振動頻率）隨時間變化載荷的效應(yīng)（例如：對結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力的效應(yīng)）隨時間變化載荷的效應(yīng)（例如：對結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力的效應(yīng)）周期（振動

2、）或隨機載荷的效應(yīng)周期（振動）或隨機載荷的效應(yīng)3動力學(xué)分析類型動力學(xué)分析類型 模態(tài)分析模態(tài)分析 瞬態(tài)動力學(xué)分析瞬態(tài)動力學(xué)分析 諧分析諧分析 譜分析譜分析 隨機振動分析隨機振動分析 4基本概念和術(shù)語基本概念和術(shù)語 通用運動方程通用運動方程通用運動方程如下：通用運動方程如下：求解方法求解方法兩種主要方法：兩種主要方法： 模態(tài)疊加法模態(tài)疊加法 直接積分法直接積分法 ( )MuCukuF t5模態(tài)分析基礎(chǔ)理論模態(tài)分析基礎(chǔ)理論 模態(tài)分析用于確定設(shè)計結(jié)構(gòu)或機器部件的振動特性（固有頻率和振型），即結(jié)構(gòu)模態(tài)分析用于確定設(shè)計結(jié)構(gòu)或機器部件的振動特性（固有頻率和振型），即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，它們是承受動態(tài)載荷結(jié)

3、構(gòu)設(shè)計中的重要參數(shù)。同時，也可以的固有頻率和振型，它們是承受動態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要參數(shù)。同時，也可以作為其它動力學(xué)分析問題的起點，例如瞬態(tài)動力學(xué)分析、諧響應(yīng)分析和譜分析，作為其它動力學(xué)分析問題的起點，例如瞬態(tài)動力學(xué)分析、諧響應(yīng)分析和譜分析，其中模態(tài)分析也是進行譜分析或模態(tài)疊加法諧響應(yīng)分析或瞬態(tài)動力學(xué)分析所必需其中模態(tài)分析也是進行譜分析或模態(tài)疊加法諧響應(yīng)分析或瞬態(tài)動力學(xué)分析所必需的前期分析過程。的前期分析過程。 ANSYS的模態(tài)分析可以對有預(yù)應(yīng)力的結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析和循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)模態(tài)分析的模態(tài)分析可以對有預(yù)應(yīng)力的結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析和循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)模態(tài)分析。前者有旋轉(zhuǎn)的渦輪葉片等的模態(tài)分析，后者則允許

4、在建立一部分循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)。前者有旋轉(zhuǎn)的渦輪葉片等的模態(tài)分析，后者則允許在建立一部分循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)的模型來完成對整個結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析。的模型來完成對整個結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析。 ANSYS產(chǎn)品家族中的模態(tài)分析是一個線性分析。任何非線性特性，如塑性和接觸產(chǎn)品家族中的模態(tài)分析是一個線性分析。任何非線性特性，如塑性和接觸（間隙）單元，即使定義了也將被忽略。（間隙）單元，即使定義了也將被忽略。ANSYS提供了七種模態(tài)提取方法，它提供了七種模態(tài)提取方法，它們分別是子空間法、分塊們分別是子空間法、分塊Lanczos法、法、PowerDynamics法、縮減法、非對稱法法、縮減法、非對稱法、阻尼法和、阻尼法和QR阻尼法。

5、阻尼法和阻尼法。阻尼法和QR阻尼法允許在結(jié)構(gòu)中存在阻尼。阻尼法允許在結(jié)構(gòu)中存在阻尼。6模態(tài)分析過程模態(tài)分析過程建模建模加載及求解加載及求解擴展模態(tài)擴展模態(tài)觀察結(jié)果觀察結(jié)果7諧響應(yīng)分析的定義與應(yīng)用諧響應(yīng)分析的定義與應(yīng)用 任何持續(xù)的周期載荷將在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中產(chǎn)生持續(xù)的周期響應(yīng)（諧響應(yīng)任何持續(xù)的周期載荷將在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中產(chǎn)生持續(xù)的周期響應(yīng)（諧響應(yīng)）。）。 諧響應(yīng)分析是用于確定線性結(jié)構(gòu)在承受隨時間按正弦（簡諧）諧響應(yīng)分析是用于確定線性結(jié)構(gòu)在承受隨時間按正弦（簡諧）規(guī)律變化的載荷時的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的一種技術(shù)。分析的目的是計算出結(jié)規(guī)律變化的載荷時的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的一種技術(shù)。分析的目的是計算出結(jié)構(gòu)在幾種頻率下的響應(yīng)并得到一些響

6、應(yīng)值（通常是位移）對頻率的構(gòu)在幾種頻率下的響應(yīng)并得到一些響應(yīng)值（通常是位移）對頻率的曲線。從這些曲線上可以找到曲線。從這些曲線上可以找到“峰值峰值”響應(yīng)，并進一步觀察峰值頻響應(yīng)，并進一步觀察峰值頻率對應(yīng)的應(yīng)力。率對應(yīng)的應(yīng)力。 該技術(shù)只計算結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)受迫振動，而不考慮發(fā)生該技術(shù)只計算結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)受迫振動，而不考慮發(fā)生在激勵開始時的瞬態(tài)振動。諧響應(yīng)分析使設(shè)計人員能預(yù)測結(jié)構(gòu)的持在激勵開始時的瞬態(tài)振動。諧響應(yīng)分析使設(shè)計人員能預(yù)測結(jié)構(gòu)的持續(xù)動力特性，從而使設(shè)計人員能夠驗證其設(shè)計能否成功地克服共振續(xù)動力特性，從而使設(shè)計人員能夠驗證其設(shè)計能否成功地克服共振、疲勞，及其它受迫振動引起的有害效果。、疲勞，及其它受

7、迫振動引起的有害效果。 諧響應(yīng)分析是一種線性分析。任何非線性特性，如塑性和接觸（間諧響應(yīng)分析是一種線性分析。任何非線性特性，如塑性和接觸（間隙）單元，即使定義了也將被忽略。分析中可以包含非對稱系統(tǒng)矩隙）單元，即使定義了也將被忽略。分析中可以包含非對稱系統(tǒng)矩陣，如分析在流體陣，如分析在流體結(jié)構(gòu)相互作用中問題。諧響應(yīng)分析也可以分析結(jié)構(gòu)相互作用中問題。諧響應(yīng)分析也可以分析有預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，如小提琴的弦（假定簡諧應(yīng)力比預(yù)加的拉伸應(yīng)力小有預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，如小提琴的弦（假定簡諧應(yīng)力比預(yù)加的拉伸應(yīng)力小得多）。得多）。8三種求解方法三種求解方法 諧響應(yīng)分析可采用三種方法：完全法（諧響應(yīng)分析可采用三種方法：完全法（Fu

8、ll）、縮減法（）、縮減法（Reduced）、模態(tài)疊加法（、模態(tài)疊加法（ModeSuperposition）。（第四種方法，也是一）。（第四種方法，也是一種開銷相對較大的方法，是將簡諧載荷指定為有時間歷程的載荷函種開銷相對較大的方法，是將簡諧載荷指定為有時間歷程的載荷函數(shù)，進行相應(yīng)的瞬態(tài)動力學(xué)分析。）數(shù)，進行相應(yīng)的瞬態(tài)動力學(xué)分析。）ANSYS/LinearPlus中只允中只允許采用模態(tài)疊加法。許采用模態(tài)疊加法。 完全法諧響應(yīng)分析過程完全法諧響應(yīng)分析過程:建模建模加載并求解加載并求解觀察結(jié)果觀察結(jié)果9瞬態(tài)動力學(xué)分析的定義瞬態(tài)動力學(xué)分析的定義瞬態(tài)動力學(xué)分析（亦稱時間歷程分析）是用于確定承受任意的隨

9、時瞬態(tài)動力學(xué)分析（亦稱時間歷程分析）是用于確定承受任意的隨時間變化載荷結(jié)構(gòu)的動力學(xué)響應(yīng)的一種方法?？梢杂盟矐B(tài)動力學(xué)分析間變化載荷結(jié)構(gòu)的動力學(xué)響應(yīng)的一種方法?？梢杂盟矐B(tài)動力學(xué)分析確定結(jié)構(gòu)在穩(wěn)態(tài)載荷、瞬態(tài)載荷和簡諧載荷的隨意組合作用下的隨確定結(jié)構(gòu)在穩(wěn)態(tài)載荷、瞬態(tài)載荷和簡諧載荷的隨意組合作用下的隨時間變化的位移、應(yīng)變、應(yīng)力及力。載荷和時間的相關(guān)性使得慣性時間變化的位移、應(yīng)變、應(yīng)力及力。載荷和時間的相關(guān)性使得慣性力和阻尼作用比較重要。如果慣性力和阻尼作用不重要，就可以用力和阻尼作用比較重要。如果慣性力和阻尼作用不重要，就可以用靜力學(xué)分析代替瞬態(tài)分析。靜力學(xué)分析代替瞬態(tài)分析。 瞬態(tài)動力學(xué)的基本運動方程是

10、：瞬態(tài)動力學(xué)的基本運動方程是：10三種求解方法三種求解方法完全法完全法模態(tài)疊加法模態(tài)疊加法縮減法縮減法11完全法瞬態(tài)動力學(xué)分析由以下步驟組成：完全法瞬態(tài)動力學(xué)分析由以下步驟組成： 1.建造模型建造模型2.建立初始條件建立初始條件3.設(shè)置求解控制設(shè)置求解控制4.設(shè)置其他求解選項設(shè)置其他求解選項5.施加載荷施加載荷6.存儲當前載荷步的載荷設(shè)置存儲當前載荷步的載荷設(shè)置7.重復(fù)步驟重復(fù)步驟3-6定義其他每個載荷步定義其他每個載荷步8.備份數(shù)據(jù)庫備份數(shù)據(jù)庫9.開始瞬態(tài)分析開始瞬態(tài)分析10.退出求解器退出求解器11.觀察結(jié)果觀察結(jié)果12模態(tài)疊加法瞬態(tài)動力分析由五個主要步驟組成：模態(tài)疊加法瞬態(tài)動力分析由五個主要步驟組成： 1.建造模型；建造模型；2.獲取模態(tài)解；獲取模態(tài)解；3.獲取模態(tài)疊加法瞬態(tài)分析解；獲取模態(tài)疊加法瞬態(tài)分析解；4.擴展模態(tài)疊加