6.瞬态动力学分析

第16章瞬态动力学分析第1节基本知识瞬态动力学分析，亦称时间历程分析，是确定随时间变化载荷作用下结构响应的技术。

它的输入数据是作为时间函数的载荷，可以是静载荷、瞬态载荷和简谐载荷的随意组合作用。

输出数据是随时间变化的位移及其它导出量，如：应力、应变、力等。

用于瞬态动力分析的运动方程为：M KJ+ C KJ+ K K}= F （t）}其中：式中［M］为质量矩阵；［C］为阻尼矩阵；［K］为刚度矩阵。

所以在瞬态动力分析中密度或质点质量、弹性模量及泊松比、阻尼等因素均应考虑，在ANSYS分析过程中密度或质量、弹性模量是必须输入的，忽略阻尼时可以选忽略选项。

瞬态动力学分析可以应用于承受各种冲击载荷的结构，如：炮塔、汽车车门等，应用于承受各种随时间变化载荷的结构，如：混凝土泵车臂架、起重机吊臂、桥梁等，应用于承受撞击和颠簸的办公设备，如：移动电话、笔记本电脑等，同时ANSYS在瞬态动力学分析中可以使用线性和非线性单元（仅在完全瞬态动力学中使用）。

材料性质可以是线性或非线性、各向同性或正交各项异性、温度恒定的或温度相关的。

分析结果写入jobname.RST 文件中。

可以用POST1和POST26观察分析结果。

ANSYS在进行瞬态动力学分析中可以采用三种方法，即Full（完全）法、Reduced （缩减）法和Mode Superposition （模态叠加）法。

ANSYS提供了各种分析类型和分析选项，使用不同方法ANSYS软件会自动配置相应选择项目，常用的分析类型和分析选项如表16-1所示。

在瞬态分析中，时间总是计算的跟踪参数，在整个时间历程中，同样载荷也是时间的函 数，有两种变化方式：Ramped :如图16-1（a ）所示，载荷按照线性渐变方式变化。

Stepped :如图16-1（b ）所示，载荷按照解体突变方式变化。

表16-2常用的分析类型和分析选项 Full （完全）法采用完整的系统矩阵计算瞬态响应。

功能最强大，允许包括非线性的类型。

第章瞬态动力学分析瞬态动力学分析（也称时间历程分析）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。

本章将通过实例讲述瞬态动力学分析的基本步骤和具体方法。

瞬态动力学概论弹簧阻尼系统的自由振动分析任务驱动&项目案例A NSYS 17.0中文版有限元分析从入门到精通Note10.1 瞬态动力学概论可以用瞬态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、应力及力。

载荷和时间的相关性使得惯性力和阻尼作用比较显著。

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。

首先分析一个比较简单的模型，由梁、质量体、弹簧组成的模型可以以最小的代价对问题提供有效、深入的理解，简单模型或许正是确定结构所有的动力学响应所需要的。

如果分析中包含非线性，可以首先通过进行静力学分析尝试了解非线性特性如何影响结构的响应。

有时在动力学分析中没必要包括非线性。

了解问题的动力学特性。

通过做模态分析计算结构的固有频率和振型，便可了解当这些模态被激活时结构如何响应。

固有频率同样也对计算出正确的积分时间步长有用。

对于非线性问题，应考虑将模型的线性部分子结构化以降低分析代价。

子结构在帮助文件中的ANSYS Advanced Analysis Techniques Guide里有详细的描述。

进行瞬态动力学分析可以采用3种方法，即Full Method（完全法）、Mode Superposition Method （模态叠加法）和Reduced Method（减缩法）。

下面来比较一下各种方法的优缺点。

10.1.1 Full Method（完全法）Full Method采用完整的系统矩阵计算瞬态响应（没有矩阵减缩）。

瞬态现象的时间特性与动力学分析瞬态现象是一种在自然界中普遍存在的现象，它可以在许多领域中观察到，如物理学、化学、生物学等。

瞬态现象通常指的是一种短暂的变化或事件，在时间上存在一定的特性与规律。

在本文中，我们将探讨瞬态现象的时间特性以及与动力学之间的关系。

首先，我们来了解一下瞬态现象的时间特性。

瞬态现象往往发生得非常迅速，持续时间很短。

它们的发生可以是由外界刺激引起的，也可以是由系统内部的变化所导致的。

无论是哪种原因引起的，瞬态现象往往都具有一个明确的起点和终点。

正是因为这种短暂且具有明确时限的特性，瞬态现象才显得尤为有趣和重要。

接下来，我们来分析瞬态现象与动力学之间的关系。

动力学是研究物体运动及其与力的关系的分支学科，它研究的是物体随时间的变化。

而瞬态现象正是动力学中的一种重要现象。

在动力学的理论框架下，我们可以通过描述瞬态现象的动力学方程来理解其时间特性。

动力学方程可以描述系统在某一时刻的运动状态以及其随时间的变化规律。

通过分析瞬态现象的动力学方程，我们可以获得关于瞬态现象的更深入的理解。

此外，瞬态现象的时间特性对于我们理解自然界的一些重要现象具有重要意义。

例如，在化学反应中，一些反应的速率非常快，导致瞬态现象的出现。

瞬态现象的短暂性使得我们能够观察到一些在平衡状态下无法观察到的现象。

通过研究瞬态反应过程中的时间特性，我们可以揭示出反应机理和反应过程中的关键因素，对于化学反应的控制和优化具有重要的意义。

此外，在物理学领域，许多实验现象也表现出瞬态性。

例如，光的传播和干涉现象，声波的传播和共振现象等。

瞬态现象使得我们能够研究和理解这些现象的特性和规律。

通过对瞬态现象的时间特性的深入研究，我们可以更好地理解自然界中的各种物理现象。

总结起来，瞬态现象的时间特性与动力学之间存在紧密的联系。

瞬态现象的存在让我们能够观察到一些平衡状态下无法察觉到的现象，通过对瞬态现象的时间特性和动力学方程的分析，我们可以深入探究这些现象背后的机制和规律。

瞬态动力学分析范文瞬态动力学分析是一种用于描述系统在瞬间或短时间内的动态响应的方法。

它是系统动力学中的重要工具，可以帮助我们理解和预测系统的行为，并为系统的控制和改进提供依据。

本文将对瞬态动力学分析的基本原理、应用和进展进行探讨。

瞬态动力学分析的基本原理在于利用系统的动力学方程和初始条件，通过求解微分方程的解来描述系统的响应。

系统的动力学方程可以是一阶、二阶或高阶的微分方程，具体情况取决于系统的复杂性。

一般来说，我们可以将系统的动态响应分为三个阶段：初始响应、过渡响应和稳态响应。

初始响应是系统在初始状态下的响应，它主要取决于初始条件。

在瞬态动力学分析中，我们通常将初始条件设为零，以简化问题的求解。

在一些情况下，初始响应可能会对系统的稳态响应产生一定的影响，因此需要考虑初始响应的特性。

过渡响应是系统从初始状态到达稳态的过程中的响应。

它主要取决于系统的特性和输入信号。

在过渡响应中，系统的响应会发生一定的时间延迟和变化。

通过分析过渡响应的特性，我们可以评估系统的稳定性和鲁棒性，以及调节系统的参数和控制器。

稳态响应是系统达到稳定状态后的响应。

在稳态响应中，系统的响应不再发生变化，并且与输入信号保持一致。

通过分析稳态响应的特性，我们可以评估系统的性能和稳定性，并确定适当的控制策略。

瞬态动力学分析在许多领域都有广泛的应用。

在电力系统中，瞬态动力学分析可以用于评估电力系统的稳定性和可靠性，并为系统的运行和调度提供指导。

在机械工程中，瞬态动力学分析可以用于评估机械系统的振动和冲击响应，并设计合适的减振和隔振措施。

在化学工程和生物医学工程中，瞬态动力学分析可以用于模拟和优化化学反应和生物过程的动态行为。

近年来，随着计算机技术和数值方法的发展，瞬态动力学分析得到了更加广泛的应用。

数值方法可以用于求解复杂系统的动力学方程，以及模拟系统的实际响应。

同时，基于数据驱动的方法也逐渐成为瞬态动力学分析的重要工具，可以通过分析和挖掘实际数据来推断系统的动态行为。

一、概述在工程领域中，研究物体相对移动的动力学行为具有重要意义。

在实际工程应用中，瞬态动力学分析是评估机械设计的重要手段之一。

本文将通过ANSYS软件进行瞬态动力学设置，研究两物体相对移动的问题。

二、瞬态动力学分析基本原理1. 瞬态动力学分析瞬态动力学分析是指在物体受到外部力或扭矩作用下，物体产生瞬时运动或者受到瞬时力的影响时的动力学分析方法。

该方法适用于应用于工程领域中需要考虑加速度、惯性力、阻尼等瞬态动力学因素的问题。

2. ANSYS软件ANSYS软件是一种用于工程仿真和设计的有限元分析软件。

它能够模拟和分析多种工程问题，包括结构分析、热分析、流体力学分析等。

在瞬态动力学分析中，ANSYS软件可以模拟物体的瞬时运动、应力分布等。

三、两物体相对移动问题分析1. 问题描述假设有两个物体A和B，它们之间通过一根弹簧相连。

当施加外力使得物体A移动时，弹簧会受到拉力，同时对物体B施加相等反作用力。

我们希望通过瞬态动力学分析，研究物体A和B在相对移动过程中的动力学行为。

2. ANSYS设置我们需要建立物体A和B的几何模型，并在ANSYS中导入。

根据物体的材料属性、外部力的施加情况等，设置瞬态动力学分析的条件和参数。

在设置过程中，需注意考虑物体的刚度、弹簧的刚度、阻尼等因素。

3. 模拟过程在模拟过程中，我们可以通过ANSYS软件对物体A施加外力，观察物体A和B在相对移动过程中的运动状态、应力分布等动力学行为。

通过分析模拟结果，可以得出两物体在相对移动过程中所受到的动力学影响。

四、模拟结果分析1. 动态响应通过模拟分析，我们可以观察到物体A受到外力作用后的瞬时加速度、速度和位移变化。

物体B也会在弹簧的作用下产生相对运动。

通过观察动态响应，我们可以得出两物体相对移动的动力学特性。

2. 应力分布在瞬态动力学分析中，我们还可以观察到物体A和B在相对移动过程中受到的应力分布情况。

弹簧受到的拉力、物体产生的应力等都可以得到清晰的分析和展示。

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。

瞬态动力学分析步骤进行瞬态动力学分析主要有：FULL(完全法)、Reduced(缩减法)和ModeSuperposition(模态叠加法)。

书上介绍的一般都是FULL法,其分析过程主要有8个步骤：(1)前处理(建立模型和划分网格)(2)建立初始条件(3)设定求解控制器(4)设定其他求解选项(5)施加载荷(6)设定多载荷步(7)瞬态求解(8)后处理(观察结果)1Full法步骤具体步骤如下：第1步：载入模型Plot>Volumes第2步：指定分析标题并设置分析范畴1设置标题等UtilityMenu>File>ChangeTitleUtilityMenu>File>ChangeJobnameUtilityMenu>File>ChangeDirectory2选取菜单途径MainMenu>Preference单击Structure,单击OK第3步：定义单元类型MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete,出现ElementTypes对话框，单击Add出现LibraryofElementTypes对话框，选择StructuralSolid,再右滚动栏选择Brick20node95,然后单击OK,单击ElementTypes对话框中的Close按钮就完成这项设置了。

第4步：指定材料性能选取菜单途径MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels。

出现DefineMaterialModelBehavior对话框，在右侧Structural>Linear>Elastic>Isotropic,指定材料的弹性模量和泊松系数，Structural>Density指定材料的密度，完成后退出即可。

第5步：划分网格选取菜单途径MainMenu>Preprocessor>Meshing>MeshTool出现MeshTool对话框，一般采用只能划分网格，点击SmartSize下面可选择网格的相对大小（太小的计算比较复杂，不一定能产生好的效果，一般做两三组进行比较），保留其他选项，单击Mesh出现MeshVolumes对话框，其他保持不变单击PickAll,完成网格划分。

§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。

第三章瞬态动力学分析瞬态动力学分析是一种用来描述系统在外部扰动下的短期响应情况的方法。

在工程领域中，瞬态动力学分析常常用于评估系统的稳定性、性能和安全性。

本章将介绍瞬态动力学分析的基本原理和具体应用。

1.原理瞬态动力学分析的基本原理是基于系统的动力学特性进行建模和分析。

首先，需要建立系统的数学模型，包括系统的方程、初值和边界条件。

系统的方程可以通过物理定律、动力学原理或实验数据等方法确定。

然后，通过求解数学模型的解析解或数值解的方式，可以得到系统在不同时间下的响应。

2.方法瞬态动力学分析的方法可以分为解析方法和数值方法两种。

解析方法是通过求解系统的微分方程或差分方程得到解析解，从而得到系统的瞬态响应。

常见的解析方法有变量分离法、特征根法和拉普拉斯变换法等。

数值方法则是通过离散化连续系统，将微分方程或差分方程转化为差分方程或代数方程，利用计算机进行数值求解。

常见的数值方法有欧拉法、龙格-库塔法、增量法和有限元法等。

3.应用瞬态动力学分析在工程中的应用非常广泛，下面简要介绍几个典型的应用场景。

（1）电力系统瞬态分析：电力系统瞬态分析是电力工程中的一个重要问题，它用于评估电力系统的稳定性、动态响应和故障处理能力。

通过瞬态动力学分析，可以控制系统的电压、频率和功率稳定性，提高电力系统的可靠性和安全性。

（2）水力系统瞬态分析：水力系统瞬态分析主要用于评估水力系统中的液压冲击、水锤和阀门控制等问题。

通过瞬态动力学分析，可以确定系统中各个节点的压力和流量变化规律，以及液压冲击和水锤的大小和位置，为系统设计和维护提供依据。

（3）机械系统瞬态分析：机械系统瞬态分析主要用于评估机械系统的运动学和动力学性能，如加速度、速度、力和位移等。

通过瞬态动力学分析，可以分析系统中的动力学特性，确定系统的自然频率、阻尼比和共振点等参数，为系统的设计和优化提供参考。

总结：瞬态动力学分析是一种用来描述系统在外部扰动下的短期响应情况的方法。