搜索ANSYS譜分析（響應(yīng)譜、功率譜）的概念、過程及關(guān)鍵點解析
2016-08-22 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
一提到響應(yīng)譜、功率譜很多人可能就一頭霧水,那好本文就對這個話題做一個深入的探討。
譜是譜值和頻率的關(guān)系曲線,反映了時間-歷程載荷的強度和頻率之間的關(guān)系。
響應(yīng)譜代表系統(tǒng)對一個時間-歷程載荷函數(shù)的響應(yīng),是一個響應(yīng)和頻率的關(guān)系曲線。
譜分析是一種將模態(tài)分析結(jié)果和已知譜聯(lián)系起來的計算結(jié)構(gòu)響應(yīng)的分析方法,主要用于確定結(jié)構(gòu)對隨機載荷或隨時間變化載荷的動力響應(yīng)。譜分析可分為時間-歷程分析和頻域的譜分析。時間-歷程譜分析主要應(yīng)用瞬態(tài)動力學(xué)分析。譜分析可以代替費時的時間-歷程分析,主要用于確定結(jié)構(gòu)對隨機載荷或時間變化載荷(地震、風(fēng)載、海洋波浪、噴氣發(fā)動機推力、火箭發(fā)動機振動等)的動力響應(yīng)情況。 譜分析的主要應(yīng)用包括核電站(建筑和部件),機載電子設(shè)備(飛機/導(dǎo)彈),宇宙飛船部件、飛機構(gòu)件,任何承受地震或其他不規(guī)則載荷的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件,建筑框架和橋梁等。
功率譜密度(Power Spectrum Density):是結(jié)構(gòu)在隨機動態(tài)載荷激勵下響應(yīng)的統(tǒng)計結(jié)果,是一條功率譜密度值-頻率值的關(guān)系曲線,其中PSD可以是位移PSD、速度PSD、加速度PSD、力PSD等形式。數(shù)學(xué)上,PSD-頻率關(guān)系曲線下面的面積就是方差,即響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)偏差的平方值。
ANSYS譜分析分為3種類型:
*響應(yīng)譜分析(SPRS OR MPRS)
ANSYS響應(yīng)譜分為單點響應(yīng)譜和多點響應(yīng)譜,前者指在模型的一個點集(不局限于一個點)定義一條響應(yīng)譜;后者指在模型的多個點集定義多條響應(yīng)譜。
* 動力設(shè)計分析(DDAM)
動力分析設(shè)計是一種用于分析船舶裝備抗震性的技術(shù)
*隨機振動分析(PSD)
隨機振動分析主要用于確定結(jié)構(gòu)在具有隨機性質(zhì)的載荷作用下的響應(yīng)。
與響應(yīng)譜分析類似,隨機振動分析也可以是單點的或多點的。 在單點隨機振動分析時,要求在結(jié)構(gòu)的一個點集上指定一個PSD;在多點隨機振動分析時,則要求在模型的不同點集上指定不同的PSD。
一 單點響應(yīng)譜分析
基本步驟
(1)建立模型
(2)求得模態(tài)解
(3)求得譜解
(4)擴展模態(tài)
(5)合并模態(tài)
(6)觀察結(jié)果
1.模型的建立
*只允許線性行為,任何非線性特性均作為線性處理,即非線性行為無效;*一定要定義彈性模量EX和密度DENS
2.計算模態(tài)解
結(jié)構(gòu)的固有頻率和模態(tài)振型是譜分析所必須的數(shù)據(jù),在進行譜分析求解前需要先計算模態(tài)解。
*只能用subspace,Reduced 法和black lanczos法;
*所提取的模態(tài)數(shù)應(yīng)足以表征在感興趣的頻率范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)所具有的響應(yīng);
*如果采用GUI菜單操作,在模態(tài)設(shè)置對話框打開了Expand mode shapes選項,將在模態(tài)分析中進行擴展操作,否則擴展操作將在譜分析求解之后進行(即模態(tài)擴展可在模態(tài)求解過程中實施,也可在譜分析以后單獨擴展);
*有材料相關(guān)的阻尼必須在模態(tài)分析中定義;
*對于地震譜必須在施加激勵譜的位置添加自由度約束;
*對于力/壓力譜,必須在模態(tài)分析時加載;
*求解結(jié)束退出solution處理器。
3.譜分析求解
(1)設(shè)置譜分析選項
*指定分析類型為single-pt resp(單點響應(yīng)譜);
*no.of models for solu(模態(tài)擴展數(shù));
*Calculate elem stresses(如果需要計算單元應(yīng)力,打開該選項)
(2)設(shè)置激勵譜選項
*Type of response spectrum 響應(yīng)譜的類型:Seismic displac 位移(Units: length),Seismic velocity 速度(length/time),Seismic accel 加速度(length/time^2),Force spectrum 力(force amplitude multipliers), PSD(acceleration^2/(cycles/time) )等;除了力譜之外,其余的都可以表示地震譜,即它們都假定作用于基礎(chǔ)上,即有約束的節(jié)點上。力譜作用于沒有約束的節(jié)點,可以用F或FK命令施加,方向分別用FX,FY和FZ表示。PSD施加在非基礎(chǔ)節(jié)點上。(PSD翻譯成(in/sec2)2/Hz,是加速度PSD,ANSYS不推薦在SPRS中使用PSD分析),(命令:sytyp)。
*Excitation direction 設(shè)置激勵譜方向,通過3個坐標(biāo)分量確定(命令:sed,x,y,z)
(3)定義激勵譜的譜值-譜線關(guān)系曲線(freq和sv);
(4)設(shè)置阻尼;
(5)開始求解。
4.擴展模態(tài)
*只選擇有明顯意義的模態(tài)進行擴展;
*擴展后才能合并;
*選擇應(yīng)力計算;
5.合并模態(tài)
合并模態(tài)前要重新進入ANSYS求解器
(1)指定分析選項為Spectrum
(2)選擇模態(tài)合并方法
*Mode Combination Method
CQC法:
GRP法:
DSUM法:
SRSS法:
NRLSUM法:
*Type of output 指定輸出結(jié)果類型:位移disp(位移,應(yīng)力,載荷等),速度velo(速度、應(yīng)力速度、載荷速度等)和加速度 acel(加速度、應(yīng)力加速度、載荷加速度等)
*合并求解 Solve-Current LS
6.觀察結(jié)果
單點響應(yīng)譜分析的結(jié)果是以POST1命令的形式寫入模態(tài)合并文件Jobname.MCOM中的,這些命令依據(jù)模態(tài)合并方法指定的某種方式合并最大模態(tài)響應(yīng),最終計算出結(jié)構(gòu)的總響應(yīng)?？傢憫?yīng)包括總的位移(或總速度、總加速度)以及在模態(tài)擴展過程中得到的結(jié)果—總應(yīng)力(或總反應(yīng)力速度、總反應(yīng)加速度)、總應(yīng)變(或總應(yīng)變速度、或總應(yīng)變加速度)、總的反作用力(或總的反作用力速度、總反作用力加速度)。
*進入通用后處理器POST1
*讀入jobname.MCOM文件;
*顯示結(jié)果
注意:使用PLNSOL命令將衍生數(shù)據(jù)如應(yīng)力、應(yīng)變進行節(jié)點平均化處理,導(dǎo)致不同材料、不同殼厚度或其它不連續(xù)性單元共有的節(jié)點平均意義十分模糊。為避免這種問題,在執(zhí)行PLNSOL命令前,先使用SELECTING選擇工具將具有同材料、相同殼體厚度等單元選擇出來,再分別執(zhí)行PLNSOL命令進行節(jié)點平均化處理。
二隨機振動分析
功率譜密度(PSD)是針對隨機變量在均方意義上的統(tǒng)計方法,用于隨機振動分析。此時,響應(yīng)的瞬態(tài)數(shù)值只能用于概率函數(shù)來表示,其數(shù)值的概率對應(yīng)一個精確值。
基本步驟
(1)建立模型
(2)計算模態(tài)解
(3)譜分析求解
(4)擴展模態(tài)
(5)合并模態(tài)
(6)觀察結(jié)果
其中(1)、(2)、(4)與單點響應(yīng)譜分析相同
1.模型的建立
*只允許線性行為,任何非線性特性均作為線性處理,即非線性行為無效,例如,如果分析中包括接觸單元,它們的剛度將依據(jù)原始狀態(tài)來計算并且之后就不再改變;
*一定要定義彈性模量EX和密度DENS
2.計算模態(tài)解
結(jié)構(gòu)的固有頻率和模態(tài)振型是譜分析所必須的數(shù)據(jù),在進行譜分析求解前需要先計算模態(tài)解。
*只能用subspace,Reduced 法和black lanczos法;
*所提取的模態(tài)數(shù)應(yīng)足以表征在感興趣的頻率范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)所具有的響應(yīng);
*如果采用GUI菜單操作,在模態(tài)設(shè)置對話框打開了Expand mode shapes選項,將在模態(tài)分析中進行擴展操作,否則擴展操作將在譜分析求解之后進行(即模態(tài)擴展可在模態(tài)求解過程中實施,也可在譜分析以后單獨擴展);
*有材料相關(guān)的阻尼必須在模態(tài)分析中定義;
*對于地震譜必須在施加激勵譜的位置添加自由度約束;
*對于力/壓力譜,必須在模態(tài)分析時加載;
*求解結(jié)束退出solution處理器。
3.譜分析求解
進入ANSYS求解器,設(shè)置分析類型為Spectrum
(1)設(shè)置譜分析選項
*指定分析類型為 P.S.D 功率譜密度分析;
*no.of models for solu(模態(tài)擴展數(shù));
*Calculate elem stresses(如果需要計算單元應(yīng)力,打開該選項)
(2)設(shè)置激勵譜選項
*Type of response spectrum 響應(yīng)譜的類型:加速度 Acceleration(Acceleration^2/Hz), Accal(g^2/Hz),速度 Velocity(velocity^2/Hz), 位移 Displacement (displacement^2/Hz), 力 Force spectrum (force^2/Hz)和 壓力 Pressure Spectrum(pressure^2/Hz) 功率譜密度等;Force spectrum 和 Pressure Spectrum 只能作為節(jié)點激勵,且必須在模態(tài)分析時就加載。
(命令 PSDUNIT,TBLNO,TYPE,GVALUE Value of acceleration duce to gravity arbitray units for ACCG PSD table. Default is 386.4 in/s^2。)
(3)定義激勵譜的譜值-譜線關(guān)系曲線(freq和sv);
(4)施加功率譜密度激勵
Main Menu-Solusion-Define Loads-Apply-Spectrum-Base PSD Excit/Node PSD Excit
這個施加步驟很關(guān)鍵:基礎(chǔ)激勵就默認(rèn)加載在定義的約束點上;節(jié)點激勵就默認(rèn)模態(tài)分析時所加的力或壓力作用的節(jié)點。
(5)計算PSD參與因子
*Table no. of PSD table
指定所要計算的PSD譜編號
*Base or Node Excitation
設(shè)置PSD激勵譜的類型是基礎(chǔ)激勵還是節(jié)點激勵
命令(PFACT, TBLNO, Excit,Parcor)
(6)設(shè)置輸出控制
位移解 Load Step3
速度解 Load Step4
加速度解 Load Step5
(7)開始求解。
4.擴展模態(tài)
*只選擇有明顯意義的模態(tài)進行擴展;
*擴展后才能合并;
*選擇應(yīng)力計算;
5.合并模態(tài)
合并模態(tài)前要重新進入ANSYS求解器
隨機振動分析的合并模態(tài)操作與單點響應(yīng)譜分析不同之處在于隨機振動分析的合并方法只有PSD一種,在分析對話框中需要指定需要合并的模態(tài)數(shù);
6.觀察結(jié)果
隨機振動分析結(jié)果寫入結(jié)果文件 jobname.rst中,包括
*模態(tài)振型
*基礎(chǔ)激勵靜力解
*位移解、速度解和加速度解
可用POST1和POST26觀察結(jié)果
(1)通用后處理器POST1
*讀入jobname.MCOM文件;
*顯示結(jié)果
(2)POST26
*存儲頻率向量
STOR,PSD
*定義變量
*計算響應(yīng)PSD并保存為變量
*獲得響應(yīng)曲線
命令 PLVAR 畫出曲線
* 還可計算協(xié)方差
得到任意變量間的關(guān)系
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