ansys瞬态动力分析详解

ANSYS动力学分析指南——瞬态动力学分析

§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。

瞬态动力分析

用于进行动力分析的时程分析方法有两种，一种是叠加法，一种是逐步法。叠加法又为结构的振型叠加和荷载时程的叠加。

振型的叠加，就是将结构的位移用振型的正规坐标来表示，再由振型的正交特性，将结构在荷载作用下的响应分解为相互独立的“广义单自由度体系”的响应。在这里，如果取尽所有的振型个数（就是质量的自由度个数），这种方法是精确的。然而结构在外荷载作下的位移，只要取少数的振型（一般取结构的高阶振型）就可以满足精度。为了解决如何取适量的振型的问题，Wilson教授提出了用振型参与质量的方法来进行衡量，而我国《抗规》与《高规》也采用了这种方法——振型参与质量系数大于90%为宜。在这里，就有一系列的系数：振型参与系数、振型有效质量、振型有效质量系数、振型参与质量、振型参与质量系数。对于这几个系数，还需进一步深入推导（如，如何证明振型有效（参与）质量总和等于总质量、振型有效质量是如何推广到振型参与质量的）。

荷载时程的叠加又分为时域的叠加和频域的叠加。时域的叠加就是将荷载时程看作无数多个脉冲的叠加——也就是著名的杜哈梅积分。频域的叠加，就是利用傅里叶变换将荷载时程变换为一系列的简谐荷载，最后再将结构的在每个简谐荷载下的响应（振幅与初相位）叠加起来得到结构的总响应。

那么，在这里，就必须要提到反应谱了。反应谱，一般运用的是时域叠加法得到的。

众所都知，“叠加原理”仅适用于线性系统，也就是说，不管何种叠加法，都必须止步线性系统（即使是弹性非线系统也不行）。当然，反应谱分析也能用于线性分析。那么，对于如强震响应或大变形等非线性分析，就只能用逐步法来进行分析了。下面就详细的讲解一下逐步法。

逐步法，一般可以分为两类：差分法与积分法。其中，差分法是有条件稳定的，而有的积分法则是无条件稳定的。差分法用于显式动力分析（如LS-DYNA），而积分法用于隐式动力分析（如ANSYS、SAP2000、ETABS）。积分法又有几种方法：常加速度法（无条件稳定），Newmark法、HHT（改进的Newmark法）Wilson-θ法（改进的线加速度法）等级。其中，ANSYS用Newmark法和HHT法两种方法。

在本文中，我将为您撰写一篇关于ANSYS Workbench瞬态动力学实例的文章。我们将深入探讨ANSYS Workbench在瞬态动力学仿真方面的应用，从简单到复杂、由浅入深地讨论其原理和实践操作，并共享个人观点和理解。

第一部分：介绍ANSYS Workbench瞬态动力学仿真

ANSYS Workbench是一种用于工程仿真的全面评台，包含了结构、流体、热传递、多物理场等多种仿真工具。瞬态动力学仿真是ANSYS

Workbench的重要应用之一，它能够模拟在时间和空间上随机变化的动力学过程，并对结构在外部力作用下的动力响应进行分析。

在瞬态动力学仿真中，ANSYS Workbench可以模拟诸如碰撞、冲击、振动等动态载荷下的结构响应，用于评估零部件的耐久性、振动特性、动态稳定性等重要工程问题。通过对这些现象的模拟和分析，工程师可以更好地了解结构在实际工况下的性能，进而进行有效的设计优化和改进。

第二部分：实例分析

为了更直观地展示ANSYS Workbench瞬态动力学仿真的应用，我们以汽车碰撞仿真为例进行分析。假设我们需要评估汽车前部结构在碰撞事故中的动态响应，我们可以通过ANSYS Workbench建立汽车前部结构的有限元模型，并对其进行碰撞载荷下的瞬态动力学仿真。

我们需要构建汽车前部结构的有限元模型，包括车身、前保险杠、引擎盖等部件，并设定材料属性、连接方式等。接下来，我们可以在仿真中引入具体的碰撞载荷，如40km/h车速下的正面碰撞载荷，并进行瞬态动力学仿真分析。通过仿真结果，我们可以获取汽车前部结构在碰撞中的应力、应变分布，以及变形情况，从而评估其在碰撞事故中的性能表现。

第三部分：个人观点与总结

通过以上实例分析，我们可以看到ANSYS Workbench瞬态动力学仿真在工程实践中的重要应用价值。瞬态动力学仿真不仅能够帮助工程师分析结构在动态载荷下的响应，还可以为设计优化、安全评估等工程问题提供重要参考。在实际工程中，通过ANSYS Workbench瞬态动力学仿真，工程师可以更全面、深入地了解产品性能，为工程设计和优化提供有力支持。

（完整版）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。<<⾼级技术分指南>>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