ANSYS譜分析（響應譜、功率譜）的概念、過程及關鍵點解析

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系曲線,反映了時間-歷程載荷的強度和頻率之間的關系。

響應譜代表系統(tǒng)對一個時間-歷程載荷函數(shù)的響應,是一個響應和頻率的關系曲線。

譜分析是一種將模態(tài)分析結果和已知譜聯(lián)系起來的計算結構響應的分析方法,主要用于確定結構對隨機載荷或隨時間變化載荷的動力響應。譜分析可分為時間-歷程分析和頻域的譜分析。時間-歷程譜分析主要應用瞬態(tài)動力學分析。譜分析可以代替費時的時間-歷程分析,主要用于確定結構對隨機載荷或時間變化載荷(地震、風載、海洋波浪、噴氣發(fā)動機推力、火箭發(fā)動機振動等)的動力響應情況。 譜分析的主要應用包括核電站(建筑和部件),機載電子設備(飛機/導彈),宇宙飛船部件、飛機構件,任何承受地震或其他不規(guī)則載荷的結構或構件,建筑框架和橋梁等。

 功率譜密度(Power Spectrum Density):是結構在隨機動態(tài)載荷激勵下響應的統(tǒng)計結果,是一條功率譜密度值-頻率值的關系曲線,其中PSD可以是位移PSD、速度PSD、加速度PSD、力PSD等形式。數(shù)學上,PSD-頻率關系曲線下面的面積就是方差,即響應標準偏差的平方值。

 ANSYS譜分析分為3種類型:

 *響應譜分析(SPRS OR MPRS)

 ANSYS響應譜分為單點響應譜和多點響應譜,前者指在模型的一個點集(不局限于一個點)定義一條響應譜;后者指在模型的多個點集定義多條響應譜。

 * 動力設計分析(DDAM)

 動力分析設計是一種用于分析船舶裝備抗震性的技術

 *隨機振動分析(PSD)

 隨機振動分析主要用于確定結構在具有隨機性質的載荷作用下的響應。

與響應譜分析類似,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,要求在結構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

 結構的固有頻率和模態(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)應足以表征在感興趣的頻率范圍內結構所具有的響應;

*如果采用GUI菜單操作,在模態(tài)設置對話框打開了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;

*求解結束退出solution處理器。

 3.譜分析求解

 (1)設置譜分析選項

*指定分析類型為single-pt resp(單點響應譜);

*no.of models for solu(模態(tài)擴展數(shù));

*Calculate elem stresses(如果需要計算單元應力,打開該選項)

(2)設置激勵譜選項

*Type of response spectrum 響應譜的類型: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 設置激勵譜方向,通過3個坐標分量確定(命令:sed,x,y,z)

(3)定義激勵譜的譜值-譜線關系曲線(freq和sv);

(4)設置阻尼;

(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 指定輸出結果類型:位移disp(位移,應力,載荷等),速度velo(速度、應力速度、載荷速度等)和加速度 acel(加速度、應力加速度、載荷加速度等)

*合并求解 Solve-Current LS

 6.觀察結果

 單點響應譜分析的結果是以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,最終計算出結構的總響應?？傢憫偟奈灰?或總速度、總加速度)以及在模態(tài)擴展過程中得到的結果—總應力(或總反應力速度、總反應加速度)、總應變(或總應變速度、或總應變加速度)、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;

*顯示結果

 注意:使用PLNSOL命令將衍生數(shù)據(jù)如應力、應變進行節(jié)點平均化處理,導致不同材料、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)觀察結果

其中(1)、(2)、(4)與單點響應譜分析相同

 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

 結構的固有頻率和模態(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)應足以表征在感興趣的頻率范圍內結構所具有的響應;

*如果采用GUI菜單操作,在模態(tài)設置對話框打開了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;

*求解結束退出solution處理器。

 3.譜分析求解

 進入ANSYS求解器,設置分析類型為Spectrum

(1)設置譜分析選項

*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力,打開該選項)

 (2)設置激勵譜選項

*Type of response spectrum 響應譜的類型: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

這個施加步驟很關鍵:基礎激勵就默認加載在定義的約束點上;節(jié)點激勵就默認模態(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

設置PSD激勵譜的類型是基礎激勵還是節(jié)點激勵

命令(PFACT, TBLNO, Excit,Parcor)

 (6)設置輸出控制

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.觀察結果

 隨機振動分析結果寫入結果文件 jobname.rst中,包括

*模態(tài)振型

*基礎激勵靜力解

*位移解、速度解和加速度解

可用POST1和POST26觀察結果

 (1)通用后處理器POST1

*讀入jobname.MCOM文件;

*顯示結果

 (2)POST26

*存儲頻率向量

STOR,PSD

*定義變量

*計算響應PSD并保存為變量

*獲得響應曲線

命令 PLVAR 畫出曲線

* 還可計算協(xié)方差

得到任意變量間的關系


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