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1、结构动力学分析实例与分结构动力学分析实例与分析析本讲稿第一页，共十三页16.1 结构动力学概述结构动力学概述定义和目的定义和目的 什么是动力学分析什么是动力学分析?动力学分析是用来确定惯性（质量效应）和阻尼起动力学分析是用来确定惯性（质量效应）和阻尼起着重要作用时结构或构件动力学特性的技术。着重要作用时结构或构件动力学特性的技术。“动力学特性动力学特性”可能指的是下面的一种或几种类型可能指的是下面的一种或几种类型:振动特性振动特性-（结构振动方式和振动频率）（结构振动方式和振动频率）随时间变化载荷的效应（例如：对结构位移和应力的效应）随时间变化载荷的效应（例如：对结构位移和应力的效应）周期（振
2、动）或随机载荷的效应周期（振动）或随机载荷的效应2本讲稿第二页，共十三页动力学分析类型动力学分析类型 模态分析模态分析 瞬态动力学分析瞬态动力学分析 谐分析谐分析 谱分析谱分析 随机振动分析随机振动分析 3本讲稿第三页，共十三页基本概念和术语基本概念和术语 通用运动方程通用运动方程通用运动方程如下：通用运动方程如下：求解方法求解方法两种主要方法：两种主要方法：模态叠加法模态叠加法直接积分法直接积分法4本讲稿第四页，共十三页模态分析基础理论模态分析基础理论 模态分析用于确定设计结构或机器部件的振动特性（固有频率和振型），即结构的固有频模态分析用于确定设计结构或机器部件的振动特性（固有频率和振型）
3、，即结构的固有频率和振型，它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数。同时，也可以作为其它动力学分率和振型，它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数。同时，也可以作为其它动力学分析问题的起点，例如瞬态动力学分析、谐响应分析和谱分析，其中模态分析也是进行谱分析问题的起点，例如瞬态动力学分析、谐响应分析和谱分析，其中模态分析也是进行谱分析或模态叠加法谐响应分析或瞬态动力学分析所必需的前期分析过程。析或模态叠加法谐响应分析或瞬态动力学分析所必需的前期分析过程。ANSYS的模态分析可以对有预应力的结构进行模态分析和循环对称结构模态分析。前的模态分析可以对有预应力的结构进行模态分析和循环对称结构模态分析。前者
4、有旋转的涡轮叶片等的模态分析，后者则允许在建立一部分循环对称结构的模型来者有旋转的涡轮叶片等的模态分析，后者则允许在建立一部分循环对称结构的模型来完成对整个结构的模态分析。完成对整个结构的模态分析。ANSYS产品家族中的模态分析是一个线性分析。任何非线性特性，如塑性和接触（间隙）单元，产品家族中的模态分析是一个线性分析。任何非线性特性，如塑性和接触（间隙）单元，即使定义了也将被忽略。即使定义了也将被忽略。ANSYS提供了七种模态提取方法，它们分别是子空间法、分块提供了七种模态提取方法，它们分别是子空间法、分块Lanczos法、法、PowerDynamics法、缩减法、非对称法、阻尼法和法、缩减
5、法、非对称法、阻尼法和QR阻尼法。阻尼法和阻尼法。阻尼法和QR阻阻尼法允许在结构中存在阻尼。尼法允许在结构中存在阻尼。5本讲稿第五页，共十三页模态分析过程模态分析过程建模建模加载及求解加载及求解扩展模态扩展模态观察结果观察结果6本讲稿第六页，共十三页谐响应分析的定义与应用谐响应分析的定义与应用 任何持续的周期载荷将在结构系统中产生持续的周期响应（谐响应）。任何持续的周期载荷将在结构系统中产生持续的周期响应（谐响应）。谐响应分析是用于确定线性结构在承受随时间按正弦（简谐）规律谐响应分析是用于确定线性结构在承受随时间按正弦（简谐）规律变化的载荷时的稳态响应的一种技术。分析的目的是计算出结构在变化的
6、载荷时的稳态响应的一种技术。分析的目的是计算出结构在几种频率下的响应并得到一些响应值（通常是位移）对频率的曲线。几种频率下的响应并得到一些响应值（通常是位移）对频率的曲线。从这些曲线上可以找到从这些曲线上可以找到“峰值峰值”响应，并进一步观察峰值频率对应响应，并进一步观察峰值频率对应的应力。的应力。该技术只计算结构的稳态受迫振动，而不考虑发生在激励该技术只计算结构的稳态受迫振动，而不考虑发生在激励开始时的瞬态振动。谐响应分析使设计人员能预测结构的持续动力开始时的瞬态振动。谐响应分析使设计人员能预测结构的持续动力特性，从而使设计人员能够验证其设计能否成功地克服共振、疲劳，特性，从而使设计人员能够
7、验证其设计能否成功地克服共振、疲劳，及其它受迫振动引起的有害效果。及其它受迫振动引起的有害效果。谐响应分析是一种线性分析。任何非线性特性，如塑性和接触（间隙）谐响应分析是一种线性分析。任何非线性特性，如塑性和接触（间隙）单元，即使定义了也将被忽略。分析中可以包含非对称系统矩阵，单元，即使定义了也将被忽略。分析中可以包含非对称系统矩阵，如分析在流体如分析在流体结构相互作用中问题。谐响应分析也可以分析有预应结构相互作用中问题。谐响应分析也可以分析有预应力结构，如小提琴的弦（假定简谐应力比预加的拉伸应力小得多）。力结构，如小提琴的弦（假定简谐应力比预加的拉伸应力小得多）。7本讲稿第七页，共十三页三种
8、求解方法三种求解方法 谐响应分析可采用三种方法：完全法（谐响应分析可采用三种方法：完全法（Full）、缩减法（）、缩减法（Reduced）、）、模态叠加法（模态叠加法（ModeSuperposition）。（第四种方法，也是一种）。（第四种方法，也是一种开销相对较大的方法，是将简谐载荷指定为有时间历程的载荷函数，开销相对较大的方法，是将简谐载荷指定为有时间历程的载荷函数，进行相应的瞬态动力学分析。）进行相应的瞬态动力学分析。）ANSYS/LinearPlus中只允许采用中只允许采用模态叠加法。模态叠加法。完全法谐响应分析过程完全法谐响应分析过程:建模建模加载并求解加载并求解观察结果观察结果8本
9、讲稿第八页，共十三页瞬态动力学分析的定义瞬态动力学分析的定义瞬态动力学分析（亦称时间历程分析）是用于确定承受任意的随时瞬态动力学分析（亦称时间历程分析）是用于确定承受任意的随时间变化载荷结构的动力学响应的一种方法。可以用瞬态动力学分析间变化载荷结构的动力学响应的一种方法。可以用瞬态动力学分析确定结构在稳态载荷、瞬态载荷和简谐载荷的随意组合作用下的随确定结构在稳态载荷、瞬态载荷和简谐载荷的随意组合作用下的随时间变化的位移、应变、应力及力。载荷和时间的相关性使得惯性时间变化的位移、应变、应力及力。载荷和时间的相关性使得惯性力和阻尼作用比较重要。如果惯性力和阻尼作用不重要，就可以用力和阻尼作用比较重
10、要。如果惯性力和阻尼作用不重要，就可以用静力学分析代替瞬态分析。静力学分析代替瞬态分析。瞬态动力学的基本运动方程是：瞬态动力学的基本运动方程是：9本讲稿第九页，共十三页三种求解方法三种求解方法完全法完全法模态叠加法模态叠加法缩减法缩减法10本讲稿第十页，共十三页完全法瞬态动力学分析由以下步骤组成：完全法瞬态动力学分析由以下步骤组成：1.建造模型建造模型2.建立初始条件建立初始条件3.设置求解控制设置求解控制4.设置其他求解选项设置其他求解选项5.施加载荷施加载荷6.存储当前载荷步的载荷设置存储当前载荷步的载荷设置7.重复步骤重复步骤3-6定义其他每个载荷步定义其他每个载荷步8.备份数据库备份数
11、据库9.开始瞬态分析开始瞬态分析10.退出求解器退出求解器11.观察结果观察结果11本讲稿第十一页，共十三页模态叠加法瞬态动力分析由五个主要步骤组成：模态叠加法瞬态动力分析由五个主要步骤组成：1.建造模型；建造模型；2.获取模态解；获取模态解；3.获取模态叠加法瞬态分析解；获取模态叠加法瞬态分析解；4.扩展模态叠加解；扩展模态叠加解；5.观察结果。观察结果。12本讲稿第十二页，共十三页缩减法瞬态动力学分析过程由五个主要步骤组成：缩减法瞬态动力学分析过程由五个主要步骤组成：1.建造模型；建造模型；2.获取缩减解；获取缩减解；3.观察缩减法求解结果；观察缩减法求解结果；4.扩展解（扩展处理）；扩展解（扩展处理）；5.观察已扩展解的结果。观察已扩展解的结果。13本讲稿第十三页，共十三页