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第三章瞬态动力学分析

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§ 3.1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，就可以用静力学分析代替瞬态分析。

瞬态动力学的基本运动方程是：

［岡以+ ［汕］+因国二｛叫）｝

其中：

[M] =质量矩阵

[C] =阻尼矩阵

[K] =刚度矩阵

｛」｝=节点加速度向量

｛ 乂 ｝=节点速度向量

｛u｝=节点位移向量

在任意给定的时间一，这些方程可看作是一系列考虑了惯性力（［M］｛ :: ｝）和

-

阻尼力（［C］｛ : ｝）的静力学平衡方程。ANSY程序使用Newmar时间积分方法 在离散的时间点上求解这些方程。两个连续时间点间的时间增量称为积分时间步 长（integration time step ）。

§ 3.2学习瞬态动力学的预备工作

瞬态动力学分析比静力学分析更复杂，因为按“工程”时间计算，瞬态动力

学分析通常要占用更多的计算机资源和更多的人力。 可以先做一些预备工作以理

解问题的物理意义，从而节省大量资源。例如，可以做以下预备工作：

1. 首先分析一个较简单模型。创建梁、质量体和弹簧组成的模型，以最小的 代价深入的理解动力学认识， 简单模型更有利于全面了解所有的动力学响应所需 要的。

2. 如果分析包括非线性特性，建议首先利用静力学分析掌握非线性特性对结 构响应的影响规律。在某些场合，动力学分析中是没必要包括非线性特性的。

3. 掌握结构动力学特性。通过做模态分析计算结构的固有频率和振型，了解 这些模态被激活时结构的响应状态。 同时，固有频率对计算正确的积分时间步长 十分有用。

4. 对于非线性问题，考虑将模型的线性部分子结构化以降低分析代价。 <

级技术分指南 >>中将讲述子结构。

§3.3 三种求解方法

瞬态动力学分析可采用三种方法：完全（Full ）法、缩减（Reduced）法及模 态叠加法。 ANSYS/Professional 产品中只允许用模态叠加法。在研究如何实现 这些方法之前，让我们先探讨一下各种方法的优点和缺点。

§3.3.1 完全法

完全法采用完整的系统矩阵计算瞬态响应（没有矩阵缩减）。它是三种方法 中功能最强的，允许包括各类非线性特性（塑性、大变形、大应变等）。

注一如果并不想包括任何非线性，应当考虑使用另外两种方法中的一种。这 是因为完全法是三种方法中开销最大的一种。

完全法的 优点 是：

•容易使用，不必关心选择主自由度或振型。

•允许各种类型的非线性特性。

•采用完整矩阵，不涉及质量矩阵近似。

•在一次分析就能得到所有的位移和应力。

•允许施加所有类型的载荷：节点力、外加的（非零）位移（不建议采用） 和单元载荷（压力和温度），还允许通过 TABLE数组参数指定表边界条件。

•允许在实体模型上施加的载荷。

完全法的 主要缺点 是它比其它方法开销大。

§3.3.2 模态叠加法

模态叠加法通过对模态分析得到的振型（特征值）乘上因子并求和来计算结 构的响应。此法是 ANSYS/Professional 程序中唯一可用的瞬态动力学分析法。

模态叠加法的 优点 是：

•对于许多问题，它比缩减法或完全法更快开销更小；

•只要模态分析不采用PowerDynamics方法，通过LVSCALE命令将模态分 析中施加的单元载荷引入到瞬态分析中；

•允许考虑模态阻尼（阻尼比作为振型号的函数）。

模态叠加法的 缺点 是：

•整个瞬态分析过程中时间步长必须保持恒定， 不允许采用自动时间步长；

•唯一允许的非线性是简单的点点接触（间隙条件）；

•不能施加强制位移（非零）位移。

§3.3.3 缩减法

缩减法通过采用主自由度及缩减矩阵压缩问题规模。在主自由度处的位移被 计算出来后，ANSY测将解扩展到原有的完整自由度集上。（参见“模态分析” 中的“矩阵缩减”部分对缩减过程的详细讨论。）

缩减法的 优点 是：

•比完全法快且开销小。

缩减法的 缺点 是：

•初始解只计算主自由度的位移，第二步进行扩展计算，得到完整空间上 的位移、应力和力；

•不能施加单元载荷（压力，温度等），但允许施加加速度。

•所有载荷必须加在用户定义的主自由度上（限制在实体模型上施加载 荷）。

•整个瞬态分析过程中时间步长必须保持恒定，不允许用自动时间步长。

•唯一允许的非线性是简单的点一点接触（间隙条件）。

§3.4 完全法瞬态动力学分析

首先，讲述完全法瞬态动力学分析过程，然后分别介绍模态叠加法和缩减法 与完全法不相同的计算步骤。完全法瞬态动力分析（在 ANSYS/Multiphsics 、 ANSYS/Mechauioal及 ANSYS/Structural 中可用）由以下步骤组成：

1. 建造模型

2. 建立初始条件

3. 设置求解控制

4. 设置其他求解选项

5. 施加载荷

6. 存储当前载荷步的载荷设置

7. 重复步骤 3-6 定义其他每个载荷步

8. 备份数据库

9. 开始瞬态分析

10. 退出求解器

11. 观察结果

§3.4.1 建造模 型

在这一步中，首先要指定文件名和分析标题，然后用 PREP7S义单元类型，

单元实常数， 材料性质及几何模型。 这些工作在大多数分析中是相似的。 <>详细地说明了如何进行这些工作。

对于完全法瞬态动力学分析，注意下面两点：

•可以用线性和非线性单元；

•必须指定杨氏模量EX （或某种形式的刚度）和密度 DEN（或某种形式的 质量）。材料特性可以是线性的或非线性的、各向同性的或各向异性的、恒定的 或和温度有关的。 划分合理的网格密度:

•网格密度应当密到足以确定感兴趣的最高阶振型；

•对应力或应变感兴趣的区域比只考察位移的区域的网格密度要细一些；

•如果要包含非线性特性，网格密度应当密到足以捕捉到非线性效应。例

如，塑性分析要求在较大塑性变形梯度的区域有合理的积分点密度 （即要求较密

的网格）；

•如果对波传播效果感兴趣（例如，一根棒的末端准确落地），网格密度

应当密到足以解算出波动效应。基本准则是沿波的传播方向每一波长至少有 20

个单元。

§ 342建立初始条件

在执行完全法瞬态动力学分析之前，用户需要正确理解建立初始条件和正确 使用载荷步。

瞬态动力学分析顾名思义包含时间函数的载荷。为了定义这样的载荷，用户 需要将载荷一时间关系曲线划分成合适的载荷步。载荷一时间曲线上的每个“拐 角”对应一个载荷步，如图3.1所示。

图3.1载荷一时间关系曲线

第一个载荷步通常被用来建立初始条件，然后为第二和后继瞬态载荷步施加 载荷并设置载步选项。对于每个载荷步，都要指定载荷值和时间值，同时指定其 它的载荷步选项，如采用阶梯加载还是斜坡加载方式施加载荷以及是否使用自动 时间步长等。然后，将每个载荷步写入载荷步文件，最后一次性求解所有载荷步。

施加瞬态载荷的第一步是建立初始条件（即零时刻时的情况）。瞬态动力学

分析要求给定两种初始条件（因为要求解的方程是两阶的）：初始位移（ I）

I I

和初始速度（^）。如果没有进行特意设置，’和/都被假定为0。初始加速 度(“)一般假定为0,但可以通过在一个小的时间间隔内施加合适的加速度 载荷来指定非零的初始加速度。

下面的段落描述了如何施加不同组合形式的初始条件。 § 3.421零初始位移和零初始速度

i

这是缺省的初始条件，即如果 I =；：•」=0，则不需要指定任何条件。在 第一个载荷步中可以加上对应于载荷/时间关系曲线的第一个拐角处的载荷。

§ 3.422非零初始位移及/或非零初始速度

可以用IC命令设置这些初始条件。

命令：IC

GUI: Main Menu>Solution>-Loads-Apply>lnitial Condit ' n>Define

注意：不要定义矛盾的初始条件。例如，在某单一自由度处定义了初始速度， 则在所有其它自由度处的初始速度将为 0.0，潜在地会产生冲突的初始条件。

在大多数情形下要在模型的每个未约束自由度处定义初始条件。如果这些条件 对各自由度是不同的，那么就可以较容易地明确指定初始条件，如下所述。

关于TIMINT和IC命令的说明参见vvANSY命令参考手册>>。

§ 3.4.2.3零初始位移和非零初始速度

非零速度是通过对结构中需指定速度的部分加上小时间间隔上的小位移来实

I

现的。比如如果/ =0.25，可以通过在时间间隔0.004内加上0.001的位移

来实现，命令流如下：

TIMINT,OFF! Time in tegration effects off

D,ALL,UY,.001! Small UY displ. (assuming Y-direction velocity)

TIME,.004! In itial velocity = 0.001/0.004 = 0.25

LSWRITE! Write load data to load step file (Jobname.S01)

DDEL,ALL,UY! Remove imposed displacements§ 3.424非零初始位移和非零初始速度

和上面的情形相似，不过施加的位移是真实数值而非“小”数值。 比如，若‘

i

=1.0且" =2.5，则应当在时间间隔0.4内施加一个值为1.0的位移： TIMINT,ON! Time in tegration effects on

TIMINT,OFF! Time in tegration effects off

D,ALL,UY,1.0! In itial displaceme nt = 1.0

TIME,.4! In itial velocity = 1.0/0.4 = 2.5

LSWRITE! Write load data to load step file (Jobname.S01)

DDELE,ALL,UY! Remove imposed displacements

TIMINT,ON! Time in tegration effects on

§ 3.425非零初始位移和零初始速度

需要用两个子步［NSUBST,2］来实现，所加位移在两个子步间是阶跃变化的

［KBC,1］。如果位移不是阶跃变化的（或只用一个子步），所加位移将随时间变

化，从而产生非零初速度。下面的例子演示了如何施加初始条件 I = 1.0 =0.0 :

TIMINT,OFF! Time in tegration effects off for static soluti on

D,ALL,UY,1.0! In itial displaceme nt = 1.0

TIME,.001! Small time in terval

NSUBST,2! Two substeps

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瞬态动力学

瞬态动力学

瞬态动力学

嘿，咱来说说瞬态动力学哈。

有一回啊，我看到一个新闻，说有个地方发生了地震。那场面可吓人了，房子都在摇晃，地面也在震动。我就想啊，这地震到底是咋回事呢？后来我才知道，这就和瞬态动力学有点关系。

瞬态动力学呢，就是研究物体在瞬间受到外力作用时的运动状态。比如说，地震的时候，地面突然受到巨大的力量，房子啊、桥梁啊这些建筑物就会发生震动。这时候，我们就得用瞬态动力学的知识来分析这些建筑物的受力情况，看看它们会不会倒塌。

我记得有一次，我去游乐场玩。有个游乐项目是过山车。当过山车快速启动和刹车的时候，我就感觉身体猛地一震。这其实也是瞬态动力学的一种表现。过山车在瞬间加速和减速，我们的身体就会受到不同的力的作用。

还有啊，汽车在行驶过程中，如果突然刹车或者撞到什么东西，也会涉及到瞬态动力学。比如说，汽车的安全气囊就是为了在瞬间碰撞的时候保护乘客。安全气囊会在瞬间充气，减轻乘客受到的冲击力。

总之啊，瞬态动力学虽然听起来很复杂，但其实在我们的生活中很常见。我们可以通过了解瞬态动力学的知识，更好地理解一些自然现象和生活中的事情。嘿，这就是我对瞬态动力学的理解啦。

超高压瞬态炮闩机构抽壳系统的动力学分析

超高压瞬态炮闩机构抽壳系统的动力学分析

超高压瞬态炮闩机构抽壳系统的动力学分析

Dynamics Analysis of Extractor Mechanism in Breechblock

under Ultrahigh Pressure

摘 要

抽壳机构作为舰炮的一个重要组成部分，抽壳性能直接影响到了舰炮的工作情况。本文利用弹塑性力学的相关知识对抽壳过程进行分析，并计算出抽壳力的大小，找出了影响抽壳力的几个因素。在ADAMS中分别建立了抽壳机构的刚体和刚柔耦合虚拟样机，并进行仿真，通过对比分析，发现了刚柔耦合模型的优点。在不同的复进速度和抽壳阻力下对模型进行仿真，分析了复进速度和抽壳阻力对抽壳性能的影响。结果表明，在相同的抽壳阻力下，降低复进速度会使抽壳受阻，而增加复进速度会使抽壳过程更加快速、顺畅，但是这种情况下会增大构件间的碰撞力，从而增大构件的磨损，影响其寿命；当复进速度相同时，抽壳阻力增大同样会使抽壳受阻，而如果抽壳阻力降低，则会使所需的抽壳力降低，抽壳更加容易。与增大复进速度不同的是，这种情况不会使构件间的碰撞力增大，不会增加构件的磨损。通过与相关实验数据对比，证实了本文研究方法和研究结果的合理性。最后，本文还提出了改善抽壳性能的几种方法。

关键词：抽壳机构、抽壳力、ADAMS、虚拟样机、动力学分析

Abstract

Extractor mechanism is an important part of naval guns, and extractor

performance directly affects the working condition of naval guns. In this paper, the

elastic-plastic mechanics theory was used to analyze the process of extracting cartridge

as well as to calculate the force of this process. In addition, some factors which affect the

ansys瞬态

ansys瞬态

一、什么是瞬态动力分析?

• 它是确定随时间变化载荷（例如爆炸）作用下结构响应的技术；

• 输入数据：

– 作为时间函数的载荷

• 输出数据：

– 随时间变化的位移和其它的导出量，如：应力和应变。

瞬态动力分析可以应用在以下设计中：

• 承受各种冲击载荷的结构，如：汽车中的门和缓冲器、建筑框架以及悬挂

系统等；

• 承受各种随时间变化载荷的结构，如：桥梁、地面移动装置以及其它机器

部件；

• 承受撞击和颠簸的家庭和办公设备，如：移动电话、笔记本电脑和真空吸

尘器等。

运动方程的两种求解法：

• 模态叠加法

• 直接积分法：

– 运动方程可以直接对时间按步积分。在每个时间点，需求解一组联

立的静态平衡方程（F=ma）；

– ANSYS 采用Newmark 法这种隐式时间积分法；

– ANSYS/LS-DYNA 则采用显式时间积分法； 求解时即可用完整结构矩阵，也可用缩减结构矩阵；

• 完整矩阵：

– 不进行缩减。 采用完整的[K]， [C]， 和 [M]矩阵；

• 缩减矩阵：

– 用于快速求解；

– 根据主自由度写出[K]， [C]， [M]等矩阵，主自由度是完全自由度的

子集；

– 缩减的 [K] 是精确的，但缩减的 [C] 和 [M] 是近似的。此外，还有

其它的一些缺陷，但不在此讨论。 →缩减法

• 积分时间步长（亦称为ITS 或 Dt ）是时间积分法中的一个重要概念

– ITS = 从一个时间点到另一个时间点的时间增量 Dt ；

– 积分时间步长决定求解的精确度，因而其数值应仔细选取。

– ITS 应足够小以获取下列数据：

– 响应频率

– 载荷突变

– 接触频率（如果存在的话）

– 波传播效应（若存在）

二、典型方法和步骤：

• 建模

• 选择分析类型和选项

• 规定边界条件和初始条件

• 施加时间-历程载荷并求解

• 察看结果

2.1模型

• 允许所有各种非线性

• 记住要输入密度！

• /PREP7

ansys动力学瞬态分析详解

ansys动力学瞬态分析详解

§3.1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，就可以用静力学分析代替瞬态分析。

瞬态动力学的基本运动方程是：

其中：

[M] =质量矩阵

[C] =阻尼矩阵

[K] =刚度矩阵

{ }=节点加速度向量

{ }=节点速度向量

{u} =节点位移向量

在任意给定的时间 ，这些方程可看作是一系列考虑了惯性力（[M]{ }）和阻尼力（[C]{ }）的静力学平衡方程。ANSYS程序使用Newmark时间积分方法在离散的时间点上求解这些方程。两个连续时间点间的时间增量称为积分时间步长（integration time step）。

§3.2学习瞬态动力学的预备工作

瞬态动力学分析比静力学分析更复杂，因为按“工程”时间计算，瞬态动力学分析通常要占用更多的计算机资源和更多的人力。可以先做一些预备工作以理解问题的物理意义，从而节省大量资源。例如，可以做以下预备工作： 1.首先分析一个较简单模型。创建梁、质量体和弹簧组成的模型，以最小的代价深入的理解动力学认识，简单模型更有利于全面了解所有的动力学响应所需要的。

2.如果分析包括非线性特性，建议首先利用静力学分析掌握非线性特性对结构响应的影响规律。在某些场合，动力学分析中是没必要包括非线性特性的。

3.掌握结构动力学特性。通过做模态分析计算结构的固有频率和振型，了解这些模态被激活时结构的响应状态。同时，固有频率对计算正确的积分时间步长十分有用。

4.对于非线性问题，考虑将模型的线性部分子结构化以降低分析代价。<>中将讲述子结构。

§3.3三种求解方法

瞬态动力学分析可采用三种方法：完全（Full）法、缩减（Reduced）法及模态叠加法。ANSYS/Professional产品中只允许用模态叠加法。在研究如何实现这些方法之前，让我们先探讨一下各种方法的优点和缺点。