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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。
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─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。
§3.4 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§ 型在这一步中，首先要指定文件名和分析标题，然后用PREP7定义单元类型，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。
<<ANSYS 建模与网格指南>>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DENS（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。
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，ANSYS可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—点接触（间隙条件）。
§3.6缩减法瞬态动力学分析过程缩减（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。
§3.6.1获取缩减解缩减解指在主自由度处计算出的自由度解。
求缩减解需要做的工作如下：1.进入SOLUTION命令：/SOLUGUI：Main Menu>Solution§3.6.1.1指定分析类型和选项除了下面的差别外，用于缩减法的分析类型和选项和用于完全法的类型及选项基本相同。
·不能使用求解控制对话框定义缩减法瞬态分析类型和分析设置，而应当利用标准序列的ANSYS求解命令和对应菜单进行设置。
§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。
§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瞬态动力学分析理论基础本文主要介绍了ansys软件进瞬态动力分析与计算的理论，通过介绍使读者可以更好的理解软件和操作软件以便进行相关的分析。
一假设和限制1、系统的初始条件已知，即速度和位移。
2、结构瞬态分析中当需要时可以考虑陀螺或科里奥力效应。
二结构和其他二阶系统分析对于线性结构的瞬态动力学平衡方程：(1)ANSYS里使用两种方法求解方程(1)：向前差分时间积分和Newmark积分（包括改进后的算法称为HHT）。
向前差分方法适用于求解显示的瞬态分析。
Newmark和HHT方法使用隐式方法来求解瞬态问题。
Newmark方法使用有限差分法，在一个时间间隔内有，(2)(3)其中：α，δ：Newmark积分参数我们主要的目的就是计算下一时刻的位移u n+1，则在t n+1时刻的控制方程(1)为：(4)为了求解u n+1，可以把(2)和(3)重新排列，得(5)(6)其中：注意到(5)代入到(6)中，则，可以通过u n+1求出。
由(5)、(6)和(4)得(7)一旦求出u n+1，速度和加速度可以利用(5)和(6)求得。
对于初始施加于节点的速度或加速度可以利用位移约束并利用(3)计算得到。
根据Zienkiewicz的理论，利用(2)和(3)式得到的Newmark求解方法的无条件稳定必须满足：(8)Newmark参数根据下式输入：(9)其中：γ：振幅衰减因子通过观察(8)和(9)可以发现无条件稳定也可以表述为，并且γ≥0。
因此只要γ≥0，则求解就是稳定的。
对于压电分析参数设置为：α=0.25；δ=0.5并且θ=0.5。
通常情况下衰减因子γ=0.005。
当γ=0时即α=0.25，δ=0.5时Newmark方法为平均加速度法。
由于平均加速度法在位移幅值误差方面不产生任何数值阻尼。
如果其他方面也没有阻尼，缺乏数值阻尼在高频结构计算中会产生不可接受的数值噪声。
我们期望有一定水平的数值阻尼并且通过设置γ＞0来实现。
§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─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，ANSYS可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—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PREP7定义单元类型，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。
<<ANSYS 建模与网格指南>>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DENS（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。
§3.4.2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—时间关系曲线划分成合适的载荷步。
载荷—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—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（）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。
§3.4.2.1零初始位移和零初始速度这是缺省的初始条件，即如果= = 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。
§3.4.2.2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：ICGUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>Initial 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<<ANSYS命令参考手册>>。
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 integration effects offD,ALL,UY,.001! Small UY displ. (assuming Y-direction velocity)TIME,.004! Initial velocity = 0.001/0.004 = 0.25LSWRITE! Write load data to load step file (Jobname.S01) DDEL,ALL,UY! Remove imposed displacementsTIMINT,ON! Time integration effects on...§3.4.2.4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= 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,OFF! Time integration effects offD,ALL,UY,1.0! Initial displacement = 1.0TIME,.4! Initial velocity = 1.0/0.4 = 2.5LSWRITE! Write load data to load step file (Jobname.S01) DDELE,ALL,UY! Remove imposed displacementsTIMINT,ON! Time integration effects on...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= 1.0，= 0.0：...TIMINT,OFF! Time integration effects off for staticsolutionD,ALL,UY,1.0! Initial displacement = 1.0TIME,.001! Small time intervalNSUBST,2! Two substepsKBC,1! Stepped loadsLSWRITE! Write load data to load step file (Jobname.S01)!transient solutionTIMINT,ON! Time-integration effects on for transientsolutionTIME,...! Realistic time intervalDDELE,ALL,UY! Remove displacement constraintsKBC,0! Ramped loads (if appropriate)!Continue with normal transient solution procedures...§3.4.2.6非零初始加速度可以近似地通过在小的时间间隔内指定要加的加速度[ACEL]实现。
