结构工程仿真技术13课件

精品结构工程仿真技术13 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏2/50一、结构动力分析基础结构体系的运动方程为：结构体系的运动方程为：当作用力为零时得自由振动方程：当作用力为零时得自由振动方程：无阻尼自由振动方程：无阻尼自由振动方程：上式中：上式中：为质量矩阵，为质量矩阵，为阻尼矩阵，为阻尼矩阵，为刚度矩阵，为刚度矩阵，为节点位移向量，为节点位移向量，为节点加速度向量，为节点加速度向量，为节点速度向量，为节点速度向量，为节点荷载向量。为节点荷载向量。石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏3/50一、结构动力分析基础1.动荷载动荷载确定性荷载：确定性荷载：动荷载的变化是时间的确定函数。动荷载的变化是时间的确定函数。如简谐荷载、冲击荷载和突加荷载等如简谐荷载、冲击荷载和突加荷载等非确定性荷载：非确定性荷载：动荷载的变化不能用确定时间函数表示动荷载的变化不能用确定时间函数表示 如脉动风和地震波等荷载。如脉动风和地震波等荷载。动力分析动力分析模态分析：模态分析：确定结构的振动特性，即确定结构的振动特性，即固有频率和振型固有频率和振型谐响应分析：谐响应分析：确定线性结构在承受随时间按正弦规律确定线性结构在承受随时间按正弦规律 变化的荷载时的稳态响应。持续动力特性。变化的荷载时的稳态响应。持续动力特性。瞬态动力分析：瞬态动力分析：确定结构在承受任意随时间变化荷载的确定结构在承受任意随时间变化荷载的 动力响应。动力响应。谱分析：谱分析：将模态分析的结果和已知谱结合，确定结构的将模态分析的结果和已知谱结合，确定结构的 动力响应，如地震、风载、波浪、喷气推力等动力响应，如地震、风载、波浪、喷气推力等 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏4/50一、结构动力分析基础汽车尾气排气管装配汽车尾气排气管装配体的固有频率与发动体的固有频率与发动机的固有频率相同时，机的固有频率相同时，就可能会被震散。就可能会被震散。受应力（或离心力）受应力（或离心力）作用的涡轮叶片会表作用的涡轮叶片会表现出不同的动力学特现出不同的动力学特性。性。模态分析模态分析 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏5/50一、结构动力分析基础汽车防撞挡板的低速冲击汽车防撞挡板的低速冲击网球排框架网球的冲击网球排框架网球的冲击瞬态动力分析瞬态动力分析 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏6/50一、结构动力分析基础回转机器对轴承和支撑结回转机器对轴承和支撑结构施加稳态的、交变的作构施加稳态的、交变的作用力，这些作用力随着旋用力，这些作用力随着旋转速度的不同会引起不同转速度的不同会引起不同的偏转和应力。的偏转和应力。谐响应分析谐响应分析位于地震多发区的房屋位于地震多发区的房屋框架和桥梁应该设计应框架和桥梁应该设计应当能够承受地震载荷要当能够承受地震载荷要求。求。谱分析谱分析 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏7/50一、结构动力分析基础太空船太空船和飞机和飞机的部件的部件必须能必须能够承受够承受持续一持续一段时间段时间的变频的变频率随机率随机载荷载荷随机振动分析随机振动分析 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏8/50一、结构动力分析基础动力方程求解方法动力方程求解方法模态叠加法模态叠加法按自振频率和模态将完全耦合运动方程转化为一组独立的按自振频率和模态将完全耦合运动方程转化为一组独立的非耦合方程非耦合方程处理瞬态动力学分析和谐响应分析处理瞬态动力学分析和谐响应分析直接积分法直接积分法直接求解运动方程直接求解运动方程在谐响应分析中，因为载荷和响应都假定为谐函数，所以在谐响应分析中，因为载荷和响应都假定为谐函数，所以运动方程是以干扰力频率的函数而不是时间的函数的形式写运动方程是以干扰力频率的函数而不是时间的函数的形式写出并求解的。出并求解的。对于瞬态动力学，运动方程保持为时间的函数，并且可以对于瞬态动力学，运动方程保持为时间的函数，并且可以通过显式或隐式的方法求解通过显式或隐式的方法求解 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏9/50一、结构动力分析基础显式求解方法显式求解方法也称为闭式求解法或预测也称为闭式求解法或预测求解法求解法积分时间步积分时间步 Dt 必须很小，必须很小，但求解速度很快（没有收敛但求解速度很快（没有收敛问题）问题）可用于波的传播，冲击载可用于波的传播，冲击载荷和高度非线性问题荷和高度非线性问题ANSYS-LS/DYNA 就是使用就是使用这种方法。这种方法。隐式求解法隐式求解法也可成为开式求解法或也可成为开式求解法或修正求解法修正求解法积分时间步积分时间步 Dt 可以较大，可以较大，但方程求解时间较长（因但方程求解时间较长（因为有收敛问题）为有收敛问题）除了除了 Dt 必须很小的问题必须很小的问题以外，对大多数问题都是以外，对大多数问题都是有效的有效的ANSYS 使用使用 Newmark 时时间积分方法。间积分方法。石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏10/50一、结构动力分析基础 阻阻尼尼机机理理非非常常复复杂杂，它它与与结结构构周周围围介介质质的的粘粘性性、结结构构本本身的粘性、内摩擦耗能、地基土的能量耗散等有关。身的粘性、内摩擦耗能、地基土的能量耗散等有关。粘性阻尼：粘性阻尼：如如、单元阻尼、单元阻尼滞后或固体阻尼：滞后或固体阻尼：如如库仑或干摩擦阻尼：库仑或干摩擦阻尼：如如 ANSYS在在形形成成结结构构的的阻阻尼尼时时可可考考虑虑如如下下5种种阻阻尼尼之之和和得得到到阻阻尼尼矩矩阵阵，即即瑞瑞利利阻阻尼尼、恒恒定定阻阻尼尼、材材料料阻阻尼尼、单单元元阻阻尼尼和和振型阻尼，计算表达式如下：振型阻尼，计算表达式如下：2.2.阻尼阻尼 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏11/50一、结构动力分析基础瑞利（瑞利（Rayleigh）阻尼）阻尼式中式中 为为AlphaAlpha阻尼，也称质量阻尼系数；阻尼，也称质量阻尼系数；为为BetaBeta阻尼，也称刚度阻尼系数。阻尼，也称刚度阻尼系数。这两个阻尼系数可通过振型阻尼比计算得到，即：这两个阻尼系数可通过振型阻尼比计算得到，即：和和 分别为结构的第分别为结构的第 和第和第 固有频率，固有频率，和和 为相应于第为相应于第 和第和第 振型的阻尼比，由试验确定。振型的阻尼比，由试验确定。一般可取一般可取 ，相应的阻尼比约在，相应的阻尼比约在2%20%。阻尼比阻尼比=阻尼常数阻尼常数 c 对临界阻尼常数对临界阻尼常数 cc*的比值的比值 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏12/50一、结构动力分析基础用命令用命令ALPHAD定义，也可通过定义，也可通过MP定义，但谱分析中通过定义，但谱分析中通过MP定义的为质量阻尼比。定义的为质量阻尼比。用命令用命令BETAD输入，也可通过输入，也可通过MP定义。定义。c用命令用命令DMPRAT和和HARFRQ输入。用命令输入。用命令DMPRA定义常定义常阻尼比是结构分析中最简单的方法，但只能用于谐响应分析、阻尼比是结构分析中最简单的方法，但只能用于谐响应分析、模态叠加法的瞬态分析、谱分析等。结构的常阻尼比一般在模态叠加法的瞬态分析、谱分析等。结构的常阻尼比一般在2%7%之间。之间。jm为材料的刚度矩阵阻尼系数，用命令为材料的刚度矩阵阻尼系数，用命令MP中的中的DAMP项定义。项定义。j为材料的常刚度矩阵阻尼系数（与频率无关），用命令为材料的常刚度矩阵阻尼系数（与频率无关），用命令MP中的中的DMPR项定义。项定义。C振型阻尼比可用于谐响应分析、模态叠加法的瞬态分析、振型阻尼比可用于谐响应分析、模态叠加法的瞬态分析、谱分析，通过谱分析，通过MDAMP命令定义，最多可达命令定义，最多可达300个阻尼比。个阻尼比。石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏13/50一、结构动力分析基础 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏14/50二、模态分析模态分析模态分析：自振频率、振型、振型参与系数：自振频率、振型、振型参与系数无阻尼自由振动无阻尼自由振动假定为谐运动：假定为谐运动：特征值：方程的根特征值：方程的根 i，i 的范围从的范围从1到自由度的数目到自由度的数目特征向量：特征向量：相应的向量相应的向量 uI模态分析假定结构是线性的模态分析假定结构是线性的(如如,M和和K保持为常数保持为常数)，任何非线性特任何非线性特性（如塑性和接触单元）即使定义了也将为忽略性（如塑性和接触单元）即使定义了也将为忽略。简谐运动方程简谐运动方程u=u0cos(t),其中其中 为自振圆周频率为自振圆周频率(弧度弧度/秒）秒）频率频率 fi=i /2p (HZ)p (HZ)ANSYS模态分析的结果为赫兹模态分析的结果为赫兹。特征向量特征向量 ui 表示振型，表示振型，即假定结构以频率即假定结构以频率 fi振动时的形状振动时的形状 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏15/501 模态分析的基本过程 建模建模 建建模模与与静静力力分分析析相相同同，主主要要有有定定义义单单元元类类型型、单单元元实实常常数数、材料性质、几何模型、有限元模型等。材料性质、几何模型、有限元模型等。在在模模态态分分析析中中只只有有线线性性行行为为是是有有效效的的。如如果果指指定定了了非非线线性性单单元元，它它们们将将被被当当作作是是线线性性的的。如如分分析析中中包包含含了了接接触触单单元元，则则系系统取其初始状态的刚度值并且不再改变此刚度值。统取其初始状态的刚度值并且不再改变此刚度值。材材料料性性质质可可以以是是线线性性、各各向向同同性性或或正正交交各各向向异异性性、恒恒定定或或与与温度相关。而非线性特性将被忽略。温度相关。而非线性特性将被忽略。在在模模态态分分析析中中必必须须定定义义弹弹性性模模量量EX（或或某某种种形形式式的的刚刚度度）和密度和密度DENS（或某种形式的质量）。（或某种形式的质量）。石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏16/501 模态分析的基本过程 加载及求解加载及求解命令：命令：MODOPT,Method,NMODE,FREQB,FREQE,PRMODE,Nrmkey模态分析方法：模态分析方法：有有7种，一般用种，一般用LANB即可。即可。模态数目：模态数目：必须指定（缩减法除外）。必须指定（缩减法除外）。频率范围：频率范围：缺省为全部，但可限定某个范围缺省为全部，但可限定某个范围（FREQB to FREQE）模态归一化控制模态归一化控制Nrmkey：自由度解没有实际意义，只表明振型，即各个节点的相对运动；自由度解没有实际意义，只表明振型，即各个节点的相对运动；振型相对于质量矩阵振型相对于质量矩阵M或者相对于单位矩阵或者相对于单位矩阵 I进行归一化。进行归一化。相对于质量矩阵相对于质量矩阵M的归一化处理是缺省选项，是谱分析或振型叠的归一化处理是缺省选项，是谱分析或振型叠 加分析所要求的。加分析所要求的。如果想较容易的对整个结构中的位移的相对值进行比较，就选择如果想较容易的对整个结构中的位移的相对值进行比较，就选择 相对于单位矩阵相对于单位矩阵I进行归一化。进行归一化。石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏17/501 模态分析的基本过程命令：命令：MXPAND,NMODE,FREQB,FREQE,Elcalc,SIGNIF对于缩减法，扩展就是从缩减振型中计算出全部振型；对于缩减法，扩展就是从缩减振型中计算出全部振型；对于其它方法，扩展意味着将振型写入结果文件中；对于其它方法，扩展意味着将振型写入结果文件中；如果想进行下面任何一项工作，必须扩展模态：如果想进行下面任何一项工作，必须扩展模态：在后处理中观察振型；在后处理中观察振型；计算单元应力；计算单元应力；进行后继的频谱分析。进行后继的频谱分析。模态扩展数目：模态扩展数目：扩展的模态数目与提取的模态数目相等时代扩展的模态数目与提取的模态数目相等时代价最小。价最小。单元计算控制：单元计算控制：如果想得到单元求解结果，不论采用何种模如果想得到单元求解结果，不论采用何种模态提取方法都需设置态提取方法都需设置Elcalc=YES，模态分析中的，模态分析中的“应力应力”并不并不代表结构中的实际应力，而只是给出一个各阶模态之间相对代表结构中的实际应力，而只是给出一个各阶模态之间相对的应力分布的概念，缺省为不计算应力。的应力分布的概念，缺省为不计算应力。石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏18/501 模态分析的基本过程命令命令LUMPM：定义质量矩阵公式，缺省为一致质量矩阵。在定义质量矩阵公式，缺省为一致质量矩阵。在大多数应用中可采用一致质量矩阵。但对有些包含大多数应用中可采用一致质量矩阵。但对有些包含“薄膜薄膜”结构结构的问题，如细长梁或非常薄的壳，采用集中质量矩阵近似经常的问题，如细长梁或非常薄的壳，采用集中质量矩阵近似经常可产生较好的结果。可产生较好的结果。命令命令PSTRES：用于确定是否考虑预应力效应的影响。缺省时用于确定是否考虑预应力效应的影响。缺省时不包括预应力效应，即不包括预应力效应，即结构是处于无应力状态结构是处于无应力状态。如希望包含预。如希望包含预应力效应的影响，则应力效应的影响，则必须先进行静力学或瞬态分析生成单元文必须先进行静力学或瞬态分析生成单元文件件。阻尼选项：阻尼选项：只在有阻尼的模态提取法中使用，在其它模态提取只在有阻尼的模态提取法中使用，在其它模态提取法中忽略阻尼。法中忽略阻尼。参与系数：参与系数：参与系数列表显示提取的每个模态的参与系数、模参与系数列表显示提取的每个模态的参与系数、模态系数和质量分布百分数。在总体直角坐标系三个轴向和转动态系数和质量分布百分数。在总体直角坐标系三个轴向和转动方向上，均假定施加单位位移谱激励，就计算出参与系数和模方向上，均假定施加单位位移谱激励，就计算出参与系数和模态系数。态系数。石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏19/501 模态分析的基本过程 观察结果观察结果查看自振频率：查看自振频率：SET,list查看振型：查看振型：SET设置荷载步，用设置荷载步，用PLDISP观察振型。观察振型。模态应力：模态应力：如激活了单元应力计算选项，则可以得到模态应力。如激活了单元应力计算选项，则可以得到模态应力。如振型相对于单位矩阵归一，则可在给定的振型中比较不同点如振型相对于单位矩阵归一，则可在给定的振型中比较不同点的应力，从而发现可能存在的应力集中。用的应力，从而发现可能存在的应力集中。用PLNSOL或或PLESOL显显示节点或单元结果等示节点或单元结果等。注意：注意：对称边界条件只产生对称的振型，所以将会丢失一些振型。对称边界条件只产生对称的振型，所以将会丢失一些振型。因此采用对称模型分析时，要慎重。因此采用对称模型分析时，要慎重。石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏20/502 一般结构的模态分析 以以平平面面等等截截面面悬悬臂臂梁梁为为例例说说明明模模态态分分析析的的基基本本过过程程，设设截面尺寸为截面尺寸为 跨度跨度 ，质量密度，质量密度 弹性模量弹性模量 ，其前三阶频率的理论解为：，其前三阶频率的理论解为：其中其中 为单位长度质量。代入公式可求理论解为：为单位长度质量。代入公式可求理论解为：ANSYS计算的前三阶频率分别为计算的前三阶频率分别为6.982、43.627、121.590Hz 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏21/502 一般结构的模态分析!EX9.1 平面悬臂梁的模态分析平面悬臂梁的模态分析finish$/clear$/prep7et,1,beam3$mp,ex,1,2.1e11$mp,prxy,1,0.3!定义单元类型、材料性质定义单元类型、材料性质mp,dens,1,7800$r,1,0.06,0.00045,0.3!定义质量密度、单元实常数定义质量密度、单元实常数k,1$k,2,6$l,1,2!创建几何模型（关键点、线）创建几何模型（关键点、线）lesize,all,20$lmesh,all!划分单元（定义网格尺寸、划分单元）划分单元（定义网格尺寸、划分单元）dk,1,all$finish!施加约束条件施加约束条件/solu$antype,2!进入求解层、定义分析类型进入求解层、定义分析类型modopt,lanb,3,1!定义模态分析方法、模态数目、归一控制定义模态分析方法、模态数目、归一控制mxpand,3,yes!模态扩展（振型数据）数目、计算应力模态扩展（振型数据）数目、计算应力lumpm,off!采采用用一一致致质质量量矩矩阵阵（缺缺省省设设置置，可可不不要要该句）该句）solve!求解求解!在求解层可获得各阶模态频率、参与系数、模态系数、阻尼比等参数在求解层可获得各阶模态频率、参与系数、模态系数、阻尼比等参数*dim,fi,3$*dim,pfi,3$*dim,mci,3$*dim,dai,3*do,i,1,3$*get,fi(i),mode,i,freq$*get,pfi(i),mode,i,pfact*get,mci(i),mode,i,mcoef$*get,dai(i),mode,i,damp$*enddo$finish/post1$set,list!进入后处理并将结果列表进入后处理并将结果列表set,1,2!设置荷载子步设置荷载子步2（第二阶）的结果为当前（第二阶）的结果为当前pldisp,1$plnsol,u,y!绘制振型图、绘制振型图、Uy图图 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏22/503 有预应力模态分析 有预应力（对应无应力）模态分析：有预应力（对应无应力）模态分析：用于计算有预应力结构的固有频率和模态。用于计算有预应力结构的固有频率和模态。具有预应力结构的模态分析；具有预应力结构的模态分析；同样的结构在不同的应力状态下表现出不同的动力特性。同样的结构在不同的应力状态下表现出不同的动力特性。一根琴弦随着拉力的增加，它的振动频率也随之增大。一根琴弦随着拉力的增加，它的振动频率也随之增大。涡轮叶片旋转时，由于离心力引起的预应力的作用，它的自然频率涡轮叶片旋转时，由于离心力引起的预应力的作用，它的自然频率 逐渐具有增大的趋势。逐渐具有增大的趋势。为设计这些结构，要做具有预应力和无预应力的模型的模态分析。为设计这些结构，要做具有预应力和无预应力的模型的模态分析。1.打开预应力效应获取静力分析解打开预应力效应获取静力分析解建模与其它分析相同，求解前打开预应力效应（命令建模与其它分析相同，求解前打开预应力效应（命令PSTRES,ON），然后获得静力解。），然后获得静力解。2.重新进入求解器并获取模态分析解重新进入求解器并获取模态分析解重新进入求解器，再次用命令重新进入求解器，再次用命令PRSTES,ON打开预应力效应。打开预应力效应。3.进入后处理器查看结果进入后处理器查看结果 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏23/503 有预应力模态分析以以EX9.1所所示示的的悬悬臂臂梁梁为为例例，在在悬悬臂臂端端作作用用6000kN的的轴轴向向压压力力，此此时时梁梁中中的的应应力力为为-100MPa，结结果果其其一一阶阶频频率率为为1.967与与原一阶频率原一阶频率6.982相差甚远。命令流如下：相差甚远。命令流如下：finish$/clear$/prep7et,1,beam3$mp,ex,1,2.1e11$mp,prxy,1,0.3!定义单元类型与材料性质定义单元类型与材料性质mp,dens,1,7800$r,1,0.06,0.00045,0.3!定义质量密度和单元实常数定义质量密度和单元实常数k,1$k,2,6$l,1,2$lesize,all,20$lmesh,all!创建几何模型并划分网格创建几何模型并划分网格dk,1,all$fk,2,fx,-6e6$finish!施加约束和荷载施加约束和荷载/solu$pstres,on$solve$finish!打开预应力效应并进行静力求解打开预应力效应并进行静力求解/solu$antype,2!再次进入求解层，定义模态分析再次进入求解层，定义模态分析pstres,on!再次打开预应力效应再次打开预应力效应modopt,lanb,3$mxpand,3$solve$finish!定义模态提取方法和数目，求解定义模态提取方法和数目，求解/post1$set,list!进入后处理，查看结果进入后处理，查看结果 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏24/503 有预应力模态分析无应力结构无应力结构有应力结构有应力结构 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏25/503 有预应力模态分析各阶振型相同各阶振型相同 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏26/504 大变形预应力模态分析 用于计算高度变形后结构的固有频率和振型用于计算高度变形后结构的固有频率和振型，即在荷载作用下，结构，即在荷载作用下，结构的变形非常大（考虑几何非线性影响），需要考虑结构变形及其应力对固的变形非常大（考虑几何非线性影响），需要考虑结构变形及其应力对固有频率和振型的影响。有频率和振型的影响。与预应力模态分析过程基本相同，但特征值的求解用与预应力模态分析过程基本相同，但特征值的求解用PSOLVE命令而命令而不是不是SOLVE。以以上上述述悬悬臂臂梁梁为为例例，在在悬悬臂臂端端作作用用一一6000kN的的轴轴向向压压力力和和1000kN的的竖竖向向力力，对对该该结结构构进进行行大大变变形形预预应应力力模模态态分分析析。从从分分析析结结果果可可知知，一一般般模模态态分分析析、预预应应力力模模态态分分析析、大大变变形形预预应应力力模模态态分分析析的的一一阶阶频频率率为为分分别别为为6.982Hz、1.967Hz、4.774Hz，可见存在较大的差别。，可见存在较大的差别。!EX9.5 大变形预应力模态分析大变形预应力模态分析-!1.创建模型、施加边界条件和荷载创建模型、施加边界条件和荷载-finish$/clear$/prep7et,1,beam3$mp,ex,1,2.1e11$mp,prxy,1,0.3$mp,dens,1,7800$r,1,0.06,0.00045,0.3k,1$k,2,6$l,1,2$lesize,all,20$lmesh,all$dk,1,allfk,2,fy,-1e6$fk,2,fx,-6e6$finish 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏27/504 大变形预应力模态分析!2.大变形静力分析大变形静力分析-/solu$antype,0!进入求解层、定义静力求解类型进入求解层、定义静力求解类型nlgeom,on$pstres,on!打开大变形和预应力效应打开大变形和预应力效应ematwrite,yes!指定写出指定写出EMAT文件文件nsubst,20$outres,all,all!设置荷载步及结果输出频度设置荷载步及结果输出频度solve$finish!静力求解静力求解!3.模态分析模态分析-/solu$antype,2!进入求解层、定义模态求解类型进入求解层、定义模态求解类型upcoord,1,on!更新坐标，并将位移清零更新坐标，并将位移清零pstres,on!打开预应力效应打开预应力效应modopt,lanb,3$mxpand,3!定义模态提取方法、模态数目、扩展模态数定义模态提取方法、模态数目、扩展模态数psolve,eiglanb!用分块兰索斯法求特征值和特征向量用分块兰索斯法求特征值和特征向量finish!此时从输出窗口可看到频率，但在此时从输出窗口可看到频率，但在/post1无结果无结果!4.扩展模态扩展模态-/solu$expass,on!再次进入求解层，打开扩展再次进入求解层，打开扩展psolve,eigexp!扩展特征向量扩展特征向量!5.后处理查看结果后处理查看结果-/post1$set,list!可查看频率和振型等结果可查看频率和振型等结果 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏28/504 大变形预应力模态分析无应力结构无应力结构有应力结构有应力结构大变形有应力结构大变形有应力结构 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏29/504 大变形预应力模态分析 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏30/50三、谐响应分析谐响应分析：谐响应分析：确定结构在已知频率的正弦（简谐）荷载作用确定结构在已知频率的正弦（简谐）荷载作用 下结构响应的技术下结构响应的技术(线性分析线性分析)。谐响应：谐响应：任何持续的周期荷载将在结构系统中产生持续的周任何持续的周期荷载将在结构系统中产生持续的周 期响应，该周期响应称为谐响应。期响应，该周期响应称为谐响应。谐响应分析的输入：谐响应分析的输入：已知大小和频率的谐波荷载（力、压力和强迫位移）；已知大小和频率的谐波荷载（力、压力和强迫位移）；同一频率的多种荷载，可同相或不同相。同一频率的多种荷载，可同相或不同相。谐响应分析的输出：谐响应分析的输出：每一个自由度上的谐位移，通常和施加的荷载不同相；每一个自由度上的谐位移，通常和施加的荷载不同相；其它多种导出量，例如应力和应变等。其它多种导出量，例如应力和应变等。谐响应分析目的：谐响应分析目的：计算出结构在几种频率下的响应，并得到一些响应值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，从这些曲线上找到（通常是位移）对频率的曲线，从这些曲线上找到“峰值峰值”响应，并进一步观察峰值频率对应的应力。响应，并进一步观察峰值频率对应的应力。探测共振响应，并避免其发生。探测共振响应，并避免其发生。石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏31/50三、谐响应分析运动方程：运动方程：F矩阵和矩阵和 u矩阵是简谐的，频率为矩阵是简谐的，频率为 w:谐响应分析的运动方程：谐响应分析的运动方程：Fmax=荷载幅值荷载幅值F1 =实部实部,FmaxcosF2=虚部虚部,Fmaxsin =荷载函数的相位角荷载函数的相位角umax=位移幅值位移幅值u1=实部实部,umaxcosu2=虚部虚部,umaxsin =位移函数的相位角位移函数的相位角 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏32/50三、谐响应分析实部虚部在已知频率下正弦变化；在已知频率下正弦变化；相角相角 允许不同相的多个荷允许不同相的多个荷载同时作用，载同时作用，缺省值为零；缺省值为零；施加的全部荷载都假设是简施加的全部荷载都假设是简谐的，包括温度和重力。谐的，包括温度和重力。复位移：复位移：当具有阻尼或施加荷当具有阻尼或施加荷载是复数荷载（虚部为非零的载是复数荷载（虚部为非零的荷载）时产生复位移。荷载）时产生复位移。复位移滞后一个相位角复位移滞后一个相位角。可以用实部和虚部或振幅和可以用实部和虚部或振幅和相角的形式来查看相角的形式来查看 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏33/50三、谐响应分析求解简谐运动方程的三种方法：求解简谐运动方程的三种方法：完整法完整法为缺省方法，是最容易的方法；为缺省方法，是最容易的方法；使用完整的结构矩阵，且允许非对称矩阵（例如：声学矩阵）。使用完整的结构矩阵，且允许非对称矩阵（例如：声学矩阵）。缩减法缩减法使用缩减矩阵，比完整法更快；使用缩减矩阵，比完整法更快；需要选择主自由度，据主自由度得到近似的需要选择主自由度，据主自由度得到近似的 M和和C矩阵。矩阵。模态叠加法模态叠加法从前面的模态分析中得到各模态；再求乘以系数的各模态之和；从前面的模态分析中得到各模态；再求乘以系数的各模态之和；所有求解方法中最快的。所有求解方法中最快的。石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏34/50三、谐响应分析三种求解方法比较三种求解方法比较 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏35/501 完全法谐响应分析完全法谐响应分析步骤：建模、加载求解、观察结果。完全法谐响应分析步骤：建模、加载求解、观察结果。建模建模建模与其它分析基本相同，但必须注意以下两点：建模与其它分析基本相同，但必须注意以下两点：在在谐谐响响应应分分析析中中，只只有有线线性性行行为为是是有有效效的的。如如果果有有非非线线性性单单元元，它它们们将将按按线线性性单单元元处处理理。例例如如，如如果果分分析析中中包包含含接接触触单单元元，则则它它们们的的刚刚度度取取初初始始状状态态值值并并在在计计算算过过程程中中不不再再发发生生变化。变化。必必须须指指定定弹弹性性模模量量EX（或或某某种种形形式式的的刚刚度度）和和密密度度DENS（或或某某种种形形式式的的质质量量）。材材料料特特性性可可以以是是线线性性、各各向向同同性性或或各各向向异异性性、恒恒温温或或和和温温度度相相关关，非非线线性性材材料料特特性性将将被被忽忽略。略。石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏36/501 完全法谐响应分析 加载求解加载求解求解类型及选项求解类型及选项 ANTYPE,3或或ANTYPE,HARMIC定义谐响应分析。定义谐响应分析。命令命令HROPT定义谐响应分析的求解方法及其它参数。定义谐响应分析的求解方法及其它参数。命令命令HROUT定义谐响应分析的输出选项。定义谐响应分析的输出选项。命令命令LUMPM定义质量矩阵，如一致质量或集中质量矩阵。定义质量矩阵，如一致质量或集中质量矩阵。命命令令NSUBST定定义义计计算算任任何何数数目目的的谐谐响响应应解解，解解或或子子步步将将均均布布在指定的频率范围内（在指定的频率范围内（HARFRQ）。）。命令命令KBC定义荷载方式，即阶跃荷载或渐变荷载。定义荷载方式，即阶跃荷载或渐变荷载。命令命令HARFRQ指定强制频率范围指定强制频率范围（单位（单位Hz，简谐荷载的频率范围）。，简谐荷载的频率范围）。定定义义阻阻尼尼：必必须须指指定定某某种种形形式式的的阻阻尼尼，否否则则在在共共振振频频率率处处的的响响应应将将无无限限大大。命命令令ALPHAD和和BETAD指指定定的的是是和和频频率率相相关关的的阻阻尼系数，而尼系数，而DMPRAT指定的是对所有频率为恒定值的阻尼比。指定的是对所有频率为恒定值的阻尼比。石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏37/501 完全法谐响应分析加载加载可施加约束、集中力、面荷载、体荷载及惯性荷载。可施加约束、集中力、面荷载、体荷载及惯性荷载。所有荷载按正弦规律变化，输入：所有荷载按正弦规律变化，输入：幅值、相位角和强制频率范围幅值、相位角和强制频率范围实部虚部FrFiF0tFF0F=F sin(t+)0相位角相位角 指荷载滞后（或领先）于参考时间的量度。指荷载滞后（或领先）于参考时间的量度。当要同时定义多个相互间存在相位差的简谐荷载时，必须分别指定相位当要同时定义多个相互间存在相位差的简谐荷载时，必须分别指定相位角。但相位角不能直接输入，而是用加载命令的角。但相位角不能直接输入，而是用加载命令的VALUE和和VALUE2来指来指定有相位角荷载的实部定有相位角荷载的实部 和虚部和虚部 。面载荷和体载荷只能指定。面载荷和体载荷只能指定0相位角相位角（即不能定义载荷的虚部）。（即不能定义载荷的虚部）。石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏38/501 完全法谐响应分析求解：求解：直接求解即可。直接求解即可。观察结果观察结果绘制结构上的特殊点处的位移绘制结构上的特殊点处的位移-频率曲线频率曲线确定各临界频率和相应的相角确定各临界频率和相应的相角观看整个结构在各临界频率和相角时的位移和应力观看整个结构在各临界频率和相角时的位移和应力POST26POST1POST26用于观察模型中指定点在整个频率范围内的结果。用于观察模型中指定点在整个频率范围内的结果。POST1用于观察整个模型在指定频率点的结果。用于观察整个模型在指定频率点的结果。A使用使用POST26POST26中的变量与频率对应，中的变量与频率对应，1号变量被内定为频率。号变量被内定为频率。使用命令使用命令NSOL、ESOL和和RFORC可分别定义变量。可分别定义变量。绘制变量绘制变量-频率关系曲线，用命令频率关系曲线，用命令PLCPLX指定解的形式。指定解的形式。用命令用命令EXTREM可列出变量的极值。可列出变量的极值。B使用使用POST1用命令用命令SET读入所需谐响应分析结果，读入所需谐响应分析结果，(读入实部或者虚部读入实部或者虚部)。结果的实际大小由实部和虚部的结果的实际大小由实部和虚部的SRSS值（平方和取平方根）给出。值（平方和取平方根）给出。在在POST26中可得到模型中的指定点处的真实结果。中可得到模型中的指定点处的真实结果。可显示结构的变形、应力、应变等的等值线或者矢量图等。可显示结构的变形、应力、应变等的等值线或者矢量图等。石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏39/501 完全法谐响应分析如图所示的工作台，在工如图所示的工作台，在工作台面中央位置安装有一作台面中央位置安装有一台电动机，电机转子偏心台电动机，电机转子偏心在旋转时的偏心荷载就是在旋转时的偏心荷载就是一个简谐激励，计算工作一个简谐激励，计算工作台在该激励下结构的响应。台在该激励下结构的响应。已知条件如下：已知条件如下：电机质量为电机质量为m=99kg，质量重心高出台面，质量重心高出台面0.1m；简谐激励为：简谐激励为：Fx=100 N，Fz=100 N且与且与Fx落后落后90度相位角；度相位角；频率范围为：频率范围为：010Hz；材料均为材料均为Q235钢，弹模钢，弹模=2e11Pa，泊松比，泊松比=0.3，密度，密度=7800kg/m3；工作台面板：厚度工作台面板：厚度=0.02m；腿腿的的几几何何特特性性：截截面面面面积积210-4m2，惯惯性性矩矩210-8m4，宽宽度度0.01m，高高度度0.02m。石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏40/501 完全法谐响应分析!1.建模：创建几何模型和有限元模型（同一般分析方法）建模：创建几何模型和有限元模型（同一般分析方法）-finish$/clear$/prep7width=1$length=2$high=-1$mass_hig=0.1!定义几何参数定义几何参数et,1,shell63$et,2,beam4$et,3,mass21!定义三种单元定义三种单元mp,ex,1,2e11$mp,prxy,1,0.3$mp,dens,1,7800!定义材料性质与质量密度定义材料性质与质量密度r,1,0.02$r,2,2e-4,2e-8,2e-8,0.01,0.02$r,3,99!定义板厚、梁单元实常数、质量定义板厚、梁单元实常数、质量rect,length,width$k,5,high!创建几何模型与腿下端关键点创建几何模型与腿下端关键点k,6,length,high$k,7,length,width,high!创建其余关键点创建其余关键点k,8,width,high$l,1,5$*rep,4,1,1!创建腿线创建腿线esiz,0.1$amesh,all!对面划分单元对面划分单元type,2$real,2$lmesh,5,8!对腿划分梁单元对腿划分梁单元n,500,length/2,width/2,mass_hig!在质量重心创建节点，编号为在质量重心创建节点，编号为500type,3$real,3$en,500,500!定义质量单元定义质量单元cerig,500,136,all$cerig,500,138,all!创建刚性区（应根据电机尺寸确定）创建刚性区（应根据电机尺寸确定）cerig,500,154,all$cerig,500,156,all!创建刚性区（此处对称选取四个点）创建刚性区（此处对称选取四个点）nsel,s,loc,z,high$d,all,all$nsel,all$finish!施加约束施加约束!2.进行模态分析进行模态分析/solu$antype,modal$modopt,Lanb,10$mxpand,10,yes$solvE$finish!上述分析可得到结构的上述分析可得到结构的10阶模态参数，基频为阶模态参数，基频为3.1977Hz。石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏41/501 完全法谐响应分析 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏42/501 完全法谐响应分析!3.谐响应分析谐响应分析-/solu$antype,harmIC!定义分析类型为谐响应分析（也可定义分析类型为谐响应分析（也可antype,3定义）定义）HROPT,FULL!采用完全法进行谐响应分析（缺省，也可略去此句）采用完全法进行谐响应分析（缺省，也可略去此句）alphAD,5!定义质量阻尼系数定义质量阻尼系数f,500,fx,100!在电机质量重心施加在电机质量重心施加X方向的简谐力方向的简谐力100Nf,500,fz,0,100!施加施加Z方向的简谐力方向的简谐力100N，其与，其与FX相位差为相位差为90度度harfrq,0,10!定义简谐计算强制频率范围为定义简谐计算强制频率范围为010Hznsubst,50!计算谐响应解的数目，数目大可使频率计算谐响应解的数目，数目大可使频率-响应曲线圆滑响应曲线圆滑solve$fini!求解后退出求解后退出!4.时程后处理（查看节点响应与频率的关系，得到峰值对应的频率）时程后处理（查看节点响应与频率的关系，得到峰值对应的频率）-/post26$nsol,2,500,u,x!定义变量定义变量2为节点为节点500的的X方向位移方向位移nsol,3,500,u,z!定义变量定义变量3为节点为节点500的的Z方向位移方向位移/grid,1!设置绘图区网格设置绘图区网格plcplx,0!定义以振幅显示结果（还可分别为相位、实部、虚部）定义以振幅显示结果（还可分别为相位、实部、虚部）plva,2,3!绘制响应绘制响应-频率曲线（轴为频率），最大在频率曲线（轴为频率），最大在3.2左右左右Prvar,2,3 !列表显示变量列表显示变量2和和3 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏43/501 完全法谐响应分析 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏44/501 完全法谐响应分析!5.通用后处理（查看峰值频率处结构的整体响应）通用后处理（查看峰值频率处结构的整体响应）-/post1$set,list!列出所有结果列出所有结果set,1,16$pldisp,1!读入频率为读入频率为3.2时的实部结果，并显示变形时的实部结果，并显示变形set,1,16,1$pldisp,1!读入频率为读入频率为3.2时的虚部结果，并显示变形时的虚部结果，并显示变形lcdef,1,1,16,0!定义频率为定义频率为3.2时的实部结果为荷载工况时的实部结果为荷载工况1lcdef,2,1,16,1!定义频率为定义频率为3.2时的虚部结果为荷载工况时的虚部结果为荷载工况2lczero$lcase,1!数据库清零并读入荷载工况数据库清零并读入荷载工况1lcoper,srss,2!计算当前数据库与荷载工况计算当前数据库与荷载工况2结果的平方和再开方结果的平方和再开方pldIsp,1!以振幅形式显示结构的总体变形以振幅形式显示结构的总体变形 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏45/501 完全法谐响应分析 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏46/501 完全法谐响应分析finish$/clear$/prep7hst=96$towr=240*12hcs=1400*12$ss=1100*12et,1,4et,2,8et,3,43r,1,1120,1.3e8,1.8e8,60,112rmore,1900r,2,238,61000,hst*3*10/12,hst,75rmore,140r,3,124.7r,4,4.7r,5,.7mp,ex,1,30e6mp,dens,1,0.00073mp,prxy,1,0.3mp,ex,2,30e6mp,dens,2,0.00073*2mp,prxy,2,0.3n,1n,11,hcsfilln,21,hcs+ssfillxincc=hcs/10 xincs=ss/10*do,i,1,11xc=(i-1)*xincczz=towr*(xc/hcs)*2+50n,i+50,xc,zzxs=(i-1)*xincszz=towr*(1.0-xs/ss)*1.25+50n,i+60,hcs+xs,zz*enddon,100,hcs,-180*(12)e,100,11e,11,61real,2e,1,2egen,20,1,-1type,2real,3e,51,52egen,20,1,-1real,4e,1,51egen,20,1,-1edel,53nsym,x,100,allesym,100,allngen,2,200,1,200,1,70*12egen,2,200,alltype,1real,1e,11,211e,61,261e,111,311e,161,361type,3real,5mat,2e,1,2,202,201egen,20,1,-1e,102,101,301,302egen,20,1,-1nummrg,node 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏47/501 完全法谐响应分析allsel/view,1,1,1,1/vup,1,zeplotfinish!Static solution for restress/soluantype,static pstres,ond,100,all,400,100 d,21,all,321,100 d,71,all,371,100 acel,386.4solve finish 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏48/501 完全法谐响应分析!Prepare for modal solution/soluacelesel,s,real,2 SFBEAM,all,2,PRES,1nslensel,r,loc,y,0ESLN,S,1SFBEAM,all,1,PRES,-0.8esel,s,real,2 nsle nsel,r,loc,y,840 ESLN,S,1SFBEAM,all,1,PRES,0.8ESEL,ALLNSEL,ALLantype,modalmodopt,lanb,10mxpand,10pstres,onsolvefinish/post1/view,1,2,3set,1pldispset,2pldispset,3pldispfinish 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏49/501 完全法谐响应分析/soluantype,harmonichropt,msupharfrq,0,0.4nsubst,40kbc,1dmprat,0.01lvscale,100solvefinish/post26file,rfrqncen=node(0,0,0)nsol,2,ncen,u,z,umidplvar,2finish谢谢观看