ANSYS动力学瞬态分析完全法

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。

§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动⼒学分析全套讲解. .第⼀章模态分析§1.1模态分析的定义及其应⽤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。

前者有旋转的涡轮叶⽚等的模态分析，后者则允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。

ANSYS产品家族中的模态分析是⼀个线性分析。

任⾮线性特性，如塑性和接触（间隙）单元，即使定义了也将被忽略。

ANSYS提供了七种模态提取法，它们分别是⼦空间法、分块Lanczos法、PowerDynamics 法、缩减法、⾮对称法、阻尼法和QR阻尼法。

阻尼法和QR阻尼法允在结构中存在阻尼。

后⾯将详细介绍模态提取法。

§1.2模态分析中⽤到的命令模态分析使⽤所有其它分析类型相同的命令来建模和进⾏分析。

同样，⽆论进⾏种类型的分析，均可从⽤户图形界⾯（GUI）上选择等效于命令的菜单选项来建模和求解问题。

后⾯的“模态分析实例（命令流或批处理式）”将给出进⾏该实例模态分析时要输⼊的命令（⼿⼯或以批处理式运⾏ANSYS 时）。

⽽“模态分析实例（GUI式）” 则给出了以从ANSYS GUI中选择菜单选项式进⾏同⼀实例分析的步骤。

（要想了解如使⽤命令和GUI选项建模，请参阅<>）。

<>中有更详细的按字母顺序列出的ANSYS命令说明。

§1.3模态提取法典型的⽆阻尼模态分析求解的基本程是经典的特征值问题：其中：=刚度矩阵,=第阶模态的振型向量（特征向量）,=第阶模态的固有频率（是特征值）,=质量矩阵。

有多数值法可⽤于求解上⾯的程。

结构动力分析研究结构在动荷载作用的响应(如位移、应力、加速度等的时间历程)，以确定结构的承载能力和动力特性等。

ANSYS动力分析方法有以下几种,现分别做简要介绍.1.模态分析用模态分析可以确定设计中的结构或机器部件的振动特性（固有频率和振型）.它也可以作为其他更详细的动力学分析的起点，例如瞬态动力学分析、谐响应分析、谱分析。

用模态分析可以确定一个结构的固有频率和振型。

固有频率和振型是承受动态荷载结构设计中的重要参数.如果要进行谱分析或模态叠加法谐响应分析或瞬态动力学分析，固有频率和振型也是必要的。

ANSYS的模态分析是一线性分析,任何非线性特性（如塑性和接触单元）即使定义了也将忽略。

可进行有预应力模态分析、大变形静力分析后有预应力模态分析、循环对称结构的模态分析、有预应力的循环对称结构的模态分析、无阻尼和有阻尼结构的模态分析。

模态分析中模态的提取方法有七种，即分块兰索斯法、子空间迭代法、缩减法或凝聚法、PowerDynamics 法、非对称法、阻尼法、QR阻尼法,缺省时采用分块兰索斯法。

2。

谐响应分析任何持续的周期荷载将在结构中产生持续的周期响应（谐响应）。

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、疲劳及其他受迫振动引起的有害效果。

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）规律变化的荷载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。

从这些曲线上可以找到“峰值”响应，并进一步观察频率对应的应力。

这种分析技术只计算结构的稳态受迫振动.发生在激励开始时的瞬态振动不在谐响应分析中考虑。

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，即使被定义了也将被忽略，但在分析中可以包含非对称系统矩阵，如分析流体-结构相互作用问题。

谐响应分析同样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)。

ANSYS作业三梁结构的瞬态完全法分析梁结构是一种常见的结构形式，在工程领域有广泛的应用。

在进行梁结构设计时，瞬态完全法分析是一种重要的手段，可以帮助工程师了解结构在不同加载情况下的响应。

本文将介绍基于ANSYS软件的梁结构的瞬态完全法分析方法。

瞬态完全法分析是一种求解结构响应过程的数值方法，它考虑了结构在整个加载过程中的动态特性。

在进行该分析前，需要先建立一个准确的结构模型。

在ANSYS软件中，可以通过建立几何模型、设定材料性质和加载条件等步骤来完成结构模型的建立。

在梁结构的瞬态完全法分析中，需要定义结构的几何形状和材料参数。

几何形状包括梁的长度、宽度和高度等尺寸参数。

材料参数包括梁的弹性模量、材料密度和截面惯性矩等。

通过这些参数，可以计算梁的刚度矩阵和质量矩阵。

在加载条件的定义中，瞬态完全法分析考虑了结构在整个加载过程中的变化。

常见的加载条件包括点力、分布力和边界条件等。

在ANSYS软件中，可以通过在结构上定义点和面的边界条件来模拟实际加载情况。

通过以上步骤，我们可以得到梁结构的刚度矩阵、质量矩阵和加载条件矩阵。

然后，通过求解结构的动力学方程，可以得到结构的瞬态响应。

在ANSYS软件中，可以利用适当的求解器来求解结构的动力学方程。

在求解过程中，可以设定求解的时间步长和结束时间。

通过逐步求解时间步长内各时间点上的结构响应，可以得到结构在不同时间点上的位移、应变和应力等信息。

根据分析结果，可以评估结构在不同加载情况下的性能。

常见的评估指标包括最大位移、最大应变和应力分布等。

通过对这些指标的分析，可以判断结构的安全性和稳定性，为结构设计和改进提供参考。

总之，瞬态完全法分析是一种重要的手段，可以帮助工程师了解梁结构在不同加载情况下的响应。

通过ANSYS软件的使用，可以方便地进行梁结构的瞬态完全法分析。

该方法可以为结构设计和改进提供重要的参考，提高结构的安全性和性能。

瞬态动力学分析的求解方法ANSYS提供了两种方法求解方程式，即中心差分时间积分法和Newmark时间积分法（包括改进的HHT方法）。

中心差分时间积分法用于ANSYS LS-DYNA的显示瞬态动力学分析，读者可参阅LS-DYNA的相关书籍，而Newmark时间积分法用于ANSYS隐式瞬态动力学分析。

ANSYS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）。

ANSYS提供了3种Newmark时间积分方法，即完全法、缩减法及模态叠加法，分别介绍如下：（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），允许包括各类非线性特性（如塑性、大变形和大应变等），它是3种方法中功能最强、最容易使用的方法。

完全法的优点是：1）容易使用，不必关心选择主自由度或振型。

2）允许各种类型的非线性特性。

3）采用完整矩阵，不涉及质量矩阵近似。

4）一次分析就能得到所有的位移和应力。

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

6）允许在实体模型上施加载荷。

完全法的主要缺点是它比其他方法开销大。

（2）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。

计算出主自由度处的位移之后，ANSYS 可将解扩展到原有的完整自由度集上，这种方法的优点是比完全法快且开销小。

缩减法的缺点是：1）初始解只计算主自由度的位移，需进行扩展计算，以得到完整空间上的位移、应力和力。

2）不能施加单元载荷（如压力和温度等），但允许施加加速度。

3）所有载荷必须施加在用户定义的主自由度上。

4）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。

5）唯一允许的非线性是简单的点-点接触（间隙条件）。

（3）模态叠加法模态叠加法通过对模态分析得到的振型（特征向量）乘上因子并求和来计算结构的响应，它的优点是：1）对于许多问题，它比缩减法或完全法更快、开销更小。

ANSYS三种动力学分析方法的一般步骤
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
模态叠加法通过乘以放大系数后的振型（从模态分析得到）叠加求和来计算结构的动力学响应。

这种方法在ANSYS/Multiphysics、ANSYS/Mechanical、ANSYS/Structural及ANSYS/Professional中是可用的。

使用这种方法的过程由五个主要步骤组成：
1.建造模型；
2.获取模态解；
3.获取模态叠加法瞬态分析解；
4.扩展模态叠加解；
5.观察结果。

缩减（Reduced）法是用缩减矩阵来计算动力学响应，在ANSYS/Multiphysics，ANSYS/Mechanical及ANSYS/Structural中均可采用。

如果在分析中不准备包含非线性特性（除了简单的节点对节点接触），就可以考虑使用这种方法。

缩减法瞬态动力学分析的过程由五个主要步骤组成：
1.建造模型；
2.获取缩减解；
3.观察缩减法求解结果；
4.扩展解（扩展处理）；
5.观察已扩展解的结果。

在这些步骤中，第一步和完全法中的相同，不过不允许有非线性特性（简单的节点对节点接触除外，它是被指定为间隙条件而非单元类型）。

其它步骤的细节在下面解释。

§ 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（integrationtime 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动⼒学分析的⼏个⼊门例⼦ANSYS动⼒学分析的⼏个⼊门例⼦问题⼀：悬臂梁受重⼒作⽤发⽣⼤变形，求其固有频率。

基本过程：1、建模2、静⼒分析NLGEOM,ONPSTRES,ON3、求静⼒解4、开始新的求解：modalPSTRES,ONUPCOORD,1,ON 修正坐标PSOLVE...5、扩展模态解6、察看结果/PREP7ET,1,BEAM189 !使⽤beam189梁单元MPTEMP,,,,,,,,MPTEMP,1,0MPDA TA,EX,1,,210e9MPDA TA,PRXY,1,,0.3MPDA TA,DENS,1,,7850SECTYPE, 1, BEAM, RECT, secA, 0 !定义梁截⾯secA SECOFFSET, CENT SECDA TA,0.005,0.01,0,0,0,0,0,0,0,0K, ,,,, !建模与分⽹K, ,2,,,K, ,2,1,,LSTR, 1, 2LA TT,1, ,1, , 3, ,1LESIZE,1, , ,20, , , , ,1LMESH, 1FINISH/SOL !静⼒⼤变形求解ANTYPE,0NLGEOM,1PSTRES,ON !计及预应⼒效果DK,1, , , ,0,ALL, , , , , ,ACEL,0,9.8,0, !只考虑重⼒作⽤TIME,1AUTOTS,1NSUBST,20, , ,1KBC,0SOLVEFINISH/SOLUTIONANTYPE,2 !进⾏模态求解MSA VE,0MODOPT,LANB,10MXPAND,10, , ,0 !取前⼗阶模态PSTRES,1 !打开预应⼒效应MODOPT,LANB,10,0,0, ,OFFUPCOORD,1,ON !修正坐标以得到正确的应⼒PSOLVE,TRIANG !三⾓化矩阵PSOLVE,EIGLANB !提取特征值和特征向量FINISH/SOLUEXPASS,1 !扩展模态解PSOLVE,EIGEXPFINISH/POST1SET,LIST !观察结果FINISH此主题相关图⽚如下：问题⼆：循环对称结构模态分析这是ANSYS HELP⾥的例⼦，但那个命令流似乎有些问题，下⾯是整理过的命令流。

§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。

第10章 瞬态动力学分析
瞬态动力学分析（亦称时间历程分析）是用于确定承受任意随时间变化的载荷的结构动力学响应的一种方法。

利用瞬态动力学分析可以确定结构在静载荷、瞬态载荷和简谐载荷的随意组合下随时间变化产生的位移、应变、应力及力。

★ 了解瞬态动力学分析。

10.1 瞬态动力学分析概述
瞬态动力学分析（Transient Structural Analysis）给出的是结构关于时间载荷的响应，它不同于刚体动力学分析，在Workbench中瞬态动力学的模型可以是刚体，也可以是柔性体，而对于柔性体可以考虑材料的非线性特征，由此可得出柔性体的应力和应变值。

在进行瞬态动力学分析时，需要注意：
当惯性力和阻尼可以忽略时，采用线性或非线性的静态结构分析来代替瞬态动力学分析。

当载荷为正弦形式时，响应是线性的，采用谐响应分析更为有效。

当几何模型简化为刚体且主要关心的是系统的动能时，采用刚体动力学分析更为有效。

除上述三种情况外，其余情况均可采用瞬态动力学分析，但其所需的计算资源较其他方法要大。

10.2 瞬态动力学分析流程
在ANSYS Workbench左侧工具箱中Analysis
Systems下的Transient Structural上按住鼠标左键拖动到
项目管理区的A6栏，即可创建瞬态动力学分析项目，
如图10-1所示。

当进入Mechanical后，单击选中分析树中的
Analysis Settings即可进行分析参数的设置，如图10-2
图10-1 创建瞬态动力学分析项目。