第14章-瞬态结构动力分析实例

应用力学研究所李永强第14章瞬态结构动力分析实例工程结构分析软件应用力学研究所李永强第14章瞬态结构动力分析实例瞬态动力学分析(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的结构的动力学响应的一种方法。可以用瞬态结构动力学分析确定结构在静载荷，瞬态载荷，和简谐载荷的随意组合作用下随时间变化的位移，应变，应力以及力。瞬态结构动力分析中，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对于分析的问题不是很重要，就可以用静力学分析代替瞬态结构动力分析。应用力学研究所李永强§14.1问题描述§14.2建立模型§14.3定义边界条件、加载并求解§14.4观察分析结果§14.5命令流输入第14章瞬态结构动力分析实例应用力学研究所李永强§14.1问题描述本实例要用缩减法进行瞬态结构动力学分析以确定对有限上升时间的恒定力的动力学响应。问题的实际结构是一根钢梁支撑着集中质量并承受一个动态载荷。钢梁长为L，支撑着一个集中质量M。这根梁承受着一个上升时间为tτ，最大值为F1的动态载荷F(t)。梁的质量可以忽略，确定产生最大位移响应时的时间tmax及响应ymax。同时要确定梁中的最大弯曲应力σbend。求解过程中用不到梁的特性，其截面积可以算1个单位值。取加载结束时间为0.1秒，以使质量体达到最大弯曲。在质量体的侧向设定一个主自由度。第一个载荷步用于静力学求解。根据本实例的结构关系和载荷分布可以在此模型中使用对称性。在进行后处理时，选定在最大响应时间(0.092秒)处做扩展计算。应用力学研究所李永强§14.1问题描述已知数据如下：材料特性：杨氏模量EX＝2E5Mpa，质量M＝0.0215t，质量阻尼ALPHAD＝8,几何尺寸：L＝450mm,I＝800.6mm4,h＝18mm载荷为：F1＝20N,tr＝0.075sec应用力学研究所李永强§14.2建立模型在ANSYS中，首先我们通过完成如下工作来建立本实例的有限元模型，需要完成的工作有：指定分析标题，定义材料性能，定义单元类型，定义单元实常数，建立有限元模型等。由于本实例有限元模型比较简单，无需先建立几何模型再对其进行有限元网格划分。指定分析标题并设置分析范畴定义单元类型定义单元实常数定义材料性能定义节点生成梁单元和质量单元应用力学研究所李永强§14.2建立模型指定分析标题并设置分析范畴本实例是钢梁支撑集中质量的模型进行瞬态结构动力学分析来确定对有限上升时间的恒定力的动力学响应，仍然属于结构分析范畴。为了在后面进行菜单方式操作时的方便，需要在开始分析时就指定本实例分析范畴为“Structural”。为了数据的存档和以后分析的方便必须养成给分析的问题加标题的习惯。本实例的标题可以命名为：“TransientResponseToaConstantForceWithaFiniteRiseTime”，具体的操作过程如下：1．选取菜单路径UtilityMenu|File|ChangeJobname，将弹出ChangeJobname(修改文件名)对话框。2．在Enternewjobname(输入新文件名)文本框中输入文字“CH14”，为本分析实例的数据库文件名。单击对话框中的OK按钮，完成文件名的修改。3．选取菜单路径UtilityMenu|File|ChangeTitle，将弹出ChangeTitle(修改标题)对话框。应用力学研究所李永强§14.2建立模型指定分析标题并设置分析范畴4．在Enternewtitle(输入新标题)文本框中输入文字“TransientResponseToaConstantForceWithaFiniteRiseTime”，为本分析实例的标题名。单击对话框中的OK按钮，完成对标题名的指定。5．选取菜单路径UtilityMenu|Plot|Replot，指定的标题“TransientResponseToaConstantForceWithaFiniteRiseTime”将显示在图形窗口的左下角，这样可以非常方便地说明分析问题的内容和性质。6．选取菜单路径MainMenu|Preference，将弹出PreferenceofGUIFiltering(菜单过滤参数选择)对话框，单击对话框中的Structural(结构)选项使之为ON，以将菜单设置为与结构分析相关的选项。单击OK按钮，完成分析范畴的指定。应用力学研究所李永强§14.2建立模型定义单元类型对于本实例分析的问题，我们可以利用二维梁单元和集中质量单元来模拟其结构形式和问题的性质。这里将使用ANSYS提供的两种单元类型：二维弹性梁单元BEAM3，结构质量单元MASS21。具体的定义过程如下：1．选取菜单路径MainMenu|Preprocessor|ElementType|Add/Edit/Delete，将弹出ElementTypes(单元类型定义)对话框。单击对话框中的Add按钮，将弹出LibraryofElementTypes(单元类型库)对话框。2．在LibraryofElementTypes对话框左边的滚动框中单击“StructuralBeam”使其高亮度显示，选择结构梁单元类型。在右边的滚动框中单击“2Delastic3”使其高亮度显示，选择2维弹性梁单元。3．在对话框中单击Apply按钮，完成对二维弹性梁单元的定义。在单元类型定义对话框中，将会出现刚定义的单元类型。应用力学研究所李永强§14.2建立模型定义单元类型4．接着继续在LibraryofElementTypes(单元类型库)对话框的左边滚动框中单击“StructuralMass”，在右边的滚动框中单击“3Dmass21”使其高亮度显示，选定三维质量单元类型。单击对话框中的OK按钮，完成单元定义并关闭LibraryofElementTypes(单元类型库)对话框。5．在单元类型定义对话框的单元列表框种将显示出刚定义的两种单元类型：BEAM3和MASS21。单击ElementTypes(单元类型定义)对话框中的Close按钮，关闭对话框，完成单元类型的定义。应用力学研究所李永强§14.2建立模型定义单元实常数因为在本实例种使用的单元是二维弹性梁单元和结构质量单元，它们都需要定义相应的单元实常数才能完成对单元特性的描述，具体的操作如下：1．选取菜单途径MainMenu|Preprocessor|RealConstants，将弹出RealConstants(单元实常数定义)对话框。2．单击对话框中的Add按钮，将弹出ElementTypeforRealConstants(定义实常数的单元类型)对话框。3．在选择单元类型列表框中，单击“Type1BEAM3”使其高亮度显示，选择第一类单元BEAM3。然后单击该对话框中的OK按钮，将弹出RealConstantsforBEAM3(为BEAM3单元定义实常数)对话框。4．在对话框中的Cross-sectionarea(截面积)文本框中输入“1”，定义梁的截面为1个单位值，这是因为在本实例的分析过程中梁的截面特性用不到。在Areamomentofinertia(截面惯性矩)文本框种输入“800.6”，在Totalbeamheight(梁的高度)文本框输入“18”，指定梁的截面惯性矩等于800.6mm4，梁的高度为18mm，如图所示。应用力学研究所李永强§14.2建立模型定义单元实常数5．对话框中的其余参数保持缺省值。单击OK按钮，关闭RealConstantsforBEAM3(单元BEAM3的实常数定义)对话框。完成对单元BEAM3实常数的定义。在实常数定义对话框中将会出现定义的实常数。6．重复步骤2的过程，在弹出的选择ElementTypeforRealConstants(定义实常数的单元类型)对话框的列表框中单击“Type2MASS21”，使其高亮度显示。然后单击OK按钮，将弹出RealConstantSetNumber2,forMASS21(为MASS21单元定义实常数的)对话框，如图所示。7．在对话框中的质量(2-Dmass)文本框中输入“0.0215”，定义集中结构质量为0.0215t。保持缺省的realConstantSetNo.(实常数序号)为2，单击OK按钮，关闭RealConstantsSetNumber2，forMASS21(为MASS21单元定义实常数)对话框。8．在RealConstants(实常数定义)对话框的列表框中将会出现定义实常数：Set1和Set2，单击Close按钮，关闭对话框。应用力学研究所李永强§14.2建立模型定义材料性能本实例中一共用了一种材料，其性能参数在前面已经给出。由于进行的是钢梁支撑集中质量单元的瞬态结构动力分析，分析中梁单元的质量忽略，因此只需定义材料的弹性模量EX，而密度DENS就不必定义了。具体的操作如下：1．选取菜单路径MainMenu|Preprocessor|MaterialProps|MaterialModels，将弹出DefineMaterialModelBehavior(材料模型定义)对话框。2．依次双击Structural，Linear，Elastic和Isotropic，将弹出1号材料的弹性模量EX和泊松比PRXY的定义对话框，如图所示。3．在EX文本框中输入2E5，定义材料的弹性模量为2E5Mpa，泊松比为缺省。单击OK按钮，关闭对话框。在DefineMaterialModelBehavior(材料模型定义)对话框的左边列表框中将会列出定义的材料属性。4．在DefineMaterialModelBehavior(材料模型定义)对话框中，选取路径Material|Exit，完成对材料模型的定义。至此，完成了对建立吉他弦有限元模型需要的单元类型和实常数的定义。下面来进行创建节点工作。应用力学研究所李永强§14.2建立模型定义节点1．选取菜单路径MainMenu|Preprocessor|Modeling|Create|Nodes|InActiveCS，将弹出CreateNodesinActiveCoordinateSystem(在激活坐标系中创建节点)对话框。2．在弹出的对话框中，Nodenumber(节点编号)文本框中输入1，在节点坐标文本框中输入X,Y,Z坐标分别为0，0，0，如图所示。3．单击Apply按钮，在激活坐标系的原点创建第一个节点。由于单击的是Apply按钮，该对话框将继续显示，然后在对话框中，Nodenumber(节点编号)文本框中输入3，在节点坐标文本框中输入X,Y,Z坐标分别为450，0，0。4．单击对话框中的按钮，创建3号节点并关闭对话框。ANSYS图形输出窗口中将会显示出刚创建的节点1、3，如图所示。应用力学研究所李永强§14.2建立模型定义节点5．创建中间节点。选取菜单路径MainMenu|Preprocessor|Modeling|Create|Node|FillbetweenNds，将弹出拾取对话框。在ANSYS的图形输出窗口中，在节点1和3上都单击一次，拾取节点1和3，在每个节点周围将出现一个小方框。6．单击拾取对话框中的OK按钮，将弹出CreateNodesBetween2Nodes(在节点之间创建节点)对话框，如图所示。7．对话框中程序根据前面的操作进行了缺省设置，可以看出缺省值就是我们需要定义的值，因此接受缺省的值，单击对话框中的OK按钮关闭对话框，完成中间节点的创建。节点1～3将出现在图形窗口中。应用力学研究所李永强§14.2建立模型生成梁单元和质量单元本实例中用到的单元类型有梁单元和质量单元两种，在ANSYS6.1中这两种单元类型都可以利用节点直接创建。上面已创建了需要的3个节点，下面将利用它们来创建本实例的梁单元和质量单元。具体的操作过程如下：1．选取菜单路径MainMenu|Preprocessor|Modeling|Create|Elements|ElemAttributes。将会弹出单元属性对话框。2．在对话框中，单击Elementtypenumber(单元