瞬态结构分析相关设置

文摘   2024-09-27 21:24   安徽  
瞬态结构分析涉及动载荷(随时间变化,是时间的函数)。在 Mechanical应用程序中,可以对柔性结构或刚性装配体进行瞬态结构分析。对于柔性结构,Mechanical应用程序可以使用Ansys Mechanical APDL、Samcef 或 ABAQUS等求解器来求解。
通过瞬态结构分析(也称为时程分析)可以来确定结构在响应任何瞬态载荷时发生的时变位移、应变、应力和力。加载的时间尺度使得惯性或阻尼效应被认为是重要的。如果惯性和阻尼效应不重要,则可以简化分析,改用静态分析。
瞬态结构分析可以是线性的,也可以是非线性的。允许所有类型的非线性,如大变形、塑性、接触、超弹性等。瞬态分析比静态分析更复杂,因为就所涉及的“工程”时间而言,它需要更多的计算资源和时间。
1、分析准备

Workbench左侧工具箱中,将瞬态结构或瞬态结构 (Samcef) 或瞬态结构(ABAQUS)模板拖动到项目原理图中,或者直接双击。

1)材料参数
工程数据中的材料属性可以是线性或非线性的、各向同性的或正交各向异性的,温度无关或温度相关的。杨氏模量和密度都必须定义。
2)部件行为
以定义柔性体、刚体以及点质量。在瞬态结构分析中,刚性零件通常用于对具有明显运动并在零件之间传递载荷的机构进行建模,但不关心结构详细的应力分布。刚性零件的输出是零件的整体运动和通过该零件传递到其他结构的任意力载荷。刚性零件本质上是通过铰接(Joints)连接到其他结构的点质量。因此,在瞬态结构分析中,刚性零件上唯一适用的载荷是加速度和转动速度。可以通过铰接载荷将载荷施加到刚性零件上。但刚性行为不能用于Samcef或ABAQUS求解器。
3)定义连接

接触、铰接和弹簧在瞬态结构分析中都适用。在瞬态结构分析中,可以在拉/压弹簧中指定阻尼系数属性,该属性将产生与速度成正比的阻尼力。Samcef和ABAQUS求解器仅支持接触、弹簧和横梁,不支持铰接

4)网格

网格类型和密度选择中所述,在接触面上需要提供足够的网格密度,以允许接触应力以平滑方式分布;关注应力或应变的区域需要相对精细的网格;如果要包含非线性,网格应该能够捕获非线性的影响。

2、分析设置
1)Step Controls(分析步控制)

控制瞬态分析中的时间步长(初始、最小以及最大时间步长),还允许创建多个分析步。对于不同时间点加载或卸载,或者想更改分析设置(如某个分析步的时间步长)等情况下,多分析步十分有用。

瞬态解的精度取决于积分时间步长(ITS,the integration time step)。时间步长越小,精度越高;时间步长过大会引入误差,从而影响更高阶模式的响应,从而影响整体响应。但时间步长太小会浪费计算资源和时间。

一般时间步长应足够小,以解析结构的运动。通用的经验是,在响应频率f下,每个周期(T=1/f)使用大约20个点,即ITS=T/20。若需要更准确的速度或加速度结果,则ITS值取更小值

对于给定的载荷-时间曲线。时间步长应该足够小,以便跟随加载函数。如阶梯荷载在阶跃变化时需要一个小的ITS,以便可以紧密地跟随阶跃变化,可能需要小至T/180的ITS值来。

涉及接触(冲击)的问题,时间步长应足够小,以捕获两个接触面之间的动量传递。否则,将发生明显的能量损失,并且冲击不会完全有弹性。ITS可以根据接触频率(fc)确定为,

其中,K是接触刚度,m是接触对上的有效质量,N是每个周期的点数。为了最大限度地减少能量损失,每个周期至少需要30个点(N = 30)。如果需要速度或加速度结果,则需要更大的N值。

基于上述准则计算时间步长后,需要使用最小时间步长进行分析。但是,在整个分析过程使用最小时间步长会非常低效。例如冲击问题,仅在撞击期间和撞击后的短时间内使用最小时间步长,而在其他时间使用较大的时间步长获得准确的结果。所以,建议把Automatic Time Stepping打开,让求解器自动决定在何时增加或减少时间步长。

Time Integration(时间积分)选项,对于瞬态结构分析默认打开。如果关闭此选项,时间步长不再用于积分,系统只会进行静态求解,忽略时间效应。

2)Solver Controls(求解控制)

a、Solver Type(求解器类型)

有限元求解中所述,求解器类型使用Program Controlled(默认)即可,程序能够自动选择最佳求解器。

b、Weak Springs(弹簧)

对于应力仿真,添加弱弹簧(Weak Springs)可以防止数值不稳定,同时对实际的工程载荷没有影响,可以促进求解收敛。若选用Program Controlled选项,程序确定弱弹簧是否有助于解决,然后相应地添加标准弱弹簧刚度值。默认情况下,程序不打开Weak springs

打开弱弹簧,会显示弹簧刚度选项。Program Controlled选项对应标准弱弹簧刚度值;Factor为刚度系数,对应系数*标准弱弹簧刚度值;Manual选项需要手动输入刚度值。

c、Large Deflection(大变形)

该选项用于确定求解器是否应考虑较大的变形效果,例如大变形、大旋转和大应变。打开后,程序将考虑由于大挠度、大旋转和大应变而导致的单元形状和方向变化引起的刚度变化,结果将更加准确。一般若细长结构中的横向位移超过厚度的10%,则需要打开大变形开关。另外,对应屈曲分析、超弹性材料等情况,也需要打开。
d、App. Based Settings(基于分析程序的设置)

该选项仅适用于完全瞬态结构分析。如何选择取决于模拟分析的目的。

Impact(冲击)和High Speed Dynamics(高速动力学),适合分析结构中的高频振动,研究冲击过程中波在结构中的传播。
Moderate Speed Dynamic(中速动力学),为默认设置,用于大多数瞬态动力学仿真。
Low Speed Dynamics中速动力学),适用于对结构的高频振动不感兴趣的低速应用,如模拟金属成型过程。
Quasi-Static(准静态),动态效应几乎被忽略,有助于在一些本质上是准静态但在静态分析中无法收敛的问题。

3)Damping Controls(阻尼控制)

用于定义结构在动态载荷下的阻尼行为。阻尼是系统能量耗散的一个重要因素,影响结构的振动响应、冲击行为和瞬态过程中的稳定性。定义阻尼主要有两种形式,Direct Input(直接输入)以及Damping vs Frequency(阻尼与频率)。阻尼控制不适用于Samcef和ABAQUS求解器。

a、Direct Input

包括刚度系数(Beta阻尼,β,适合高频阻尼)和质量系数(Alpha Damping Factor, α,适合低频阻尼)两项。

b、Damping vs Frequency

通过输入频率和阻尼比ξi来定义刚度系数ββ的值一般不是已知的,而是根据模态阻尼比ξi计算得出的。ξi是特定振动模式i的实际阻尼与临界阻尼的比率。如果ωi是固有圆频率,则β阻尼与阻尼比相关,即β=2ξi/ωi。一个分析步中只能输入一个β值,因此应选择最主要的频率来计算β。

4)其他设置

非线性控制能够修改收敛标准和其他专用求解控制,一般采用默认设置即可。

输出控制可以指定将哪种类型的量写入结果文件,以便在后处理期间使用,还可以自定义何时将计算结果存入结果文件。

参考文献:ANSYS HELP-Transient Structural Analysis




知行悟传
个人学习、工作经验记录和分享。如果对您有帮助,感谢帮忙关注、转发和宣传。