第1节基本知识
瞬态动力学分析，亦称时间历程分析，是确定随时间变化载荷作用下结构响应的 技术。它的输入数据是作为时间函数的载荷，可以是静载荷、瞬态载荷和简谐载荷 的随意组合作用。输出数据是随时间变化的位移及其它导出量，如：应力、应变、力 等。
用于瞬态动力分析的运动方程为：
M u C u K u Ft
其中：式中［M］为质量矩阵；［C］为阻尼矩阵；［K］为刚度矩阵。所以在瞬态 动力分析中密度或质点质量、弹性模量及泊松比、阻尼等因素均应考虑，在ANSYS分 析过程中密度或质量、弹性模量是必须输入的，忽略阻尼时可以选忽略选项。
瞬态动力学分析可以应用于承受各种冲击载荷的结构，女口：炮塔、汽车车门等， 应用于承受各种随时间变化载荷的结构，如：混凝土泵车臂架、起重机吊臂、桥梁 等，应用于承受 撞击和颠簸的办公设备，如：移动电话、笔记本电脑等，同时ANSYS 在瞬态动力学分析中可以使用线性和非线性单元（仅在完全瞬态动力学中使用）。 材料性质可以是线性或非线性、各向同性或正交各项异性、温度恒定的或温度相关 的。分析结果写入jobname. RST文件中。可以用POST1和POST26观察分析结果。
表16-1常用的分析类型和分析选项
选项 New Analysis Type 命令 ANTYPE GUI路径 MainMenu>Solution>AnalysisType> New Analysis Solution Method Mass Matrix Formulation Large Deformation Effects Stress Stiffening Effects Newton-Raphson Option NROPT SSTIF NLGEOM TRNOPT LUMPM Main Menu>Solution>Analysis Options Main Menu>Solution>Analysis Options Main Menu>Solution>Analysis Options Main Menu>Solution>Analysis Options Main Menu>Solution>Analysis Options Equation Solver 备注 Transient （瞬态） Full / Reduced / Mode superpos n “薄膜”结构使用如：细长梁、薄壳 大变形效应如：细长杆、金属成型问题 小变形分析应力显著改变结构刚度；大 变形问题中为了加强收敛 求解期间切线矩阵彼刷新的频度，仅在存 在非线性时使用 选用适合求解器进行求解 EQSLV Main Menu>Solution>Analysis Options ANSYS在进行瞬态动力学分析中可以采用三种方法，即Full （完全）法、 Reduced （缩减）
法和Mode Superposition （模态叠加）法。ANSYS提供『各种分析类型和分析选 项，使用不同方法ANSYS软件会自动配置相应选择项目，常用的分析类型和分析选 项如表16-1所示。
在瞬态分析中，时间总是计算的跟踪参数，在整个时间历程中，同样载荷也是时 间的函数，有两种变化方式：
Ramped：如图16~1 (a)所示，载荷按照线性渐变方式变化。 Stepped：如图16-1 ( b)所示，载荷按照解体突变方式变化。
LOAD LOAD
LS1
(a) Ramped
采用完整的系统矩阵计算瞬态响应。 采用主自由度及缩减矩阵计算瞬态响应。 从模态分析中得到中模态乘参与因子并求和， 瞬态相应。 计算 ( b) Stepped
表16-2常用的分析类型和分析选项
Full (完全)法 Reduce (缩减)法 功能最强大，允许包括非线性的类型。 需定义字主自由度，计算速度快。 速度快。 Mode Superposition （模态叠加）法
图16-1载荷增加方式渐变与突变
依据载荷变化方式可以将整个时间历程划分成多个载荷步(LoadStep),每个 载荷步代
表载荷发生一次突变或一次渐变阶段。在每个载荷步时间内，载荷增量又可以划分 多个子步(Substep),在子步载荷增量的条件下程序进行迭代计算即
Iteriation ,经过多个子步的 求解
实现一个载荷步的求解，进而求出多个载荷步的求解实现整个载荷时间历程的求解。 利用ANSYS进行瞬态动力学分析时可以在实体模型或有限元模型上施加下列载 荷：约束(Displacement )、集中力(Force)、力矩(Moment )、面载荷 (Pressure)、体载荷(Temperature> Fluence)、惯性力(Gravity , Spinning , ect・)。
在ANSYS中，进行多载荷步加载的基本方法常用有三种：(1)连续多载荷步 加载法。
(2) 定义载荷步文件批加载法。(3)定义表载荷加载法。
第2节瞬态动力学分析实例
案例1
自由度弹簧质量系统瞬态分析
表16-3随时间变化载荷
TIME ( s) FORCE (N ) 0 0 2 -500 4 -150 6.8 -150 9.5 0
Force
-500 -400 -300 -200 -100
0
2 4 6 8 10
图16-2弹簧质量系统/
如图16-2所示，单自由度的弹簧质量系统，试对质点M在变力FORCE作用下 的瞬态 分析，并绘出位移瞬态响应曲线。
弹簧刚度50 000 N/m ,长度0.2 m,质量大小为150 KG ,质点受力如表16-3 所示，忽略阻尼。
解题过
以弹簧上部端点为坐标原点，建立直角坐标系。制定分析方案。分析类型为瞬态 动力学分析；模型类型为线、质点模型，由于结构简单可以直接创建节点和单元，弹 簧部分选用Combine单元，质量块部分简化为质点选用MASS21单元，边界条件为
16-2中Force—Time图的特点采 上端施加固定全约束，据图
外力以Ramped线性渐变方式加载，连续多载荷步加载方法。瞬态分析的求解方法采 用
Reduce （缩减）法。
1. ANSYS分析开始准备工作
（1） 清空数据库并开始一个新的分析
选取 Utility Menu>File>Clear & Start New ,弹出 Clears database and
Start New对话框，单击OK按钮，弹出Verify对话框，单击0K按钮完成清空数 据库。
（2） 指定新的工作文件名
指定工作文件名。选取Utility Menu>F订e〉Change Jobname ,弹出Change
Jobname对话 框，在Enter New Jobname项输入工作文件名，本例中输入的工作文 件名为“ Transient exampl el ,单击0K按钮完成工作文件名的定义。
（3） 指定新的标题
指定分析标题。选取 Utility Menu>Fi 1 e>Change Title ,弹出 Change Title 对话框，在Enter New Title项输入标题名，本例中输入“ exercisel”为标题 名，然后单击0K按钮完成分析标题的定义。
（4） 重新刷新图形窗口
选取Utility Menu>Plot>Replot ,定义的信息显示在图形窗口中。 （5） 定义结构分析
运行主菜单Main Menu>Preferences ,出现偏好设置对话框，选中赋值分析模块 为
Structure结构分析模块，单击0K按钮完成分析模块的定义。
2. 定义单元及材料 （1）新建单元类型
运行主菜单 Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete 命令，弹 出Element Types对话框，单击Add按钮新建单元类型，弹出Library of Element Types对话框，先选择单元大类为Structural Mass,接着选择3D Mass 21 （MASS21单元），单击Apply按钮，选择 单元大类为Combination ,接着选择 Spring-damperl4 （C0MBIN14单元）单击0K按钮，完 成单元类型TYPE 1和单元 类型TYPE 2的定义，如图16-3所示。
图16-3定义单元类型
选择TYPE 1 ,单击Option按钮进入单元设置选项，弹出MASS21 Element type options 对话框，在 Rotary inertia options （ K3 ）栏中更改选项为 2-D w/o rot iner （ 2D无转动惯量）,在单击OK关闭窗口，如图16-4所示，再 选择TYPE 2,单击Option按钮进入单元设置选项如图16-5所示，在DOF selection for 2D+3D （ K3 ）栏中更改选项为2~D longitudinal （定义弹 簧单元 自由度），单击0K按钮。
3. 定义实常数 （1）新建实例常量
运行主菜单 Main Menu>Preprocessor>Real Constants Add/Edit/Delete 弹出实常数定义对话框，如图16-6所示。
MIASS21 element type options Options for IASS21，Element
Type Ref.
Interpret real constants as 11 Ele・ coord
Iliisrses-Tnert ias ▼ |P»r»11 t o global ■
sryste・ T2 Rotary inertia options 13
3一D ■ lot inert
A A2-DD otCancel
9JDHE rorKrot iner 16-4设置单元配置项
命令,
图16-5设置单元配置项
2）输入实常数
单击Add按钮进入选择单元类型对话框如图16-7所示，选择TYPE 1单击0K 按钮。进入实例常量输入对话框，如图16-8,输入质点质量150,单击0K按钮， 出现如16-9左图 所示。如上步骤继续单击Add按钮，如图16-9、图16-10所 示，完成实常数Set 2的输入，在Spring constant （K） 项，输入50 000 ,在 单击0K按钮。
（3）关闭实常数对话框
回到实例常量对话框，此时显示出新建编号为Set 1和Set 2的实例常量，单击 Close按 钮完成输入，如图16-11所示。
图 16-6定义实常数对
图16-7选择定义实常数的单元类型
1601 》
OK
Apply
图16-8实例常量Set 2输入对话框
•- ■ —
Add... | Edit•… | Dele\" |
图16-9选择定义实常数的单元类型
Real Constant Set Huabet 2. for C0KBUH4 OK j Apply Cancel Help
图16-10实例常量Set 2输入对 图16-11定义实常数对
4. 建立有限元模型（由于本案例模型较为简单，可以直接创建节点和单元形成 有限元 模型。）
1）创建节点
运行主菜单 Main Menu>Preprocessor>Modeling>Crea.te>Nodes>In Active CS 命 令，在对 话框中分别在节点号NODE栏输入1,节点坐标X , Y , Z栏输入0, 0, 0,单击Apply按 钮完成一次输入，如图16-12所示。
在对话框中分别在节点号NODE栏输入2,节点坐标X , Y, Z栏输入0, - 0.2, 0,单击0K按钮完成节点输入，单击0K按钮，如图16-13所示。
图16-12当前坐标系下创建节点
图16-13当前坐标系下创建节点对话框
(2)创建单元
运行主菜单 Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Elements>Elem
Attributes命令，在［TYPE］单元类型序号栏中更改选项为1 MASS21 ,在［REAL］ 实常数序号栏中更改选项为L单击0K按钮，如图16-14所示。
运行主菜单 Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Elements>Auto
Numbered>Thru Nodes命令，如图16-15所示，输入节点号2,单击0K按钮，创建 质点
单元。
运行主菜单 Main Menu>Preprocessor>Modeling>Crea.te>Elements>Elem
Attributes命令，在［TYPE］单元类型序号栏中更改选项为2 C0MBIN14 ,在［REAL］ 实常数序号栏中更改选
项为2,单击0K按钮，如图16-16所示。
运行主菜单 Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Elements>Auto
Numbered>Thru Nodes命令，如图16-17所示，输入节点号1, 2 (中间用“，”间 隔）或用鼠标按顺序点选1、2节点，单击0K按钮，创建弹簧单元。
F^EleBent Attributes 图16-14单元属性对
图 16-15以节点创建单元对
图16-16单元属性 图16-17以节点创建单元
运行功能菜单 Utility Menu>PlotCtrls>Numbering 命令，弹出 Plot Numbering Control菜单在NODE Node numbers栏中鼠标点击选项为On ,在Elem/attrib numbering栏中更改选项为Element numbers单击OK按钮，如图16-18所示。
5. 定义分析类型和分析选项并加载 1）定义分析类型及选项
运行主菜单 Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis 命令，弹出 New Analysis对话框，选择Transient瞬态分析选项，单击0K按钮，弹出Transient
Analysis对话框，选择Reduced选项，单击0K按钮，如图16-19、图16-20所 zj\\ O
图16-18显示编号对话框
图16-19定义分析类型对话框
图16-20定义瞬态分析方法对话框
运行主菜单 Main Menu>Solution>Analysis Type〉New Analysis>Analysis Options 命令，弹 出 Reduced Transient Analysis 对话框，在[TRNOPT] Damping effects栏中更改选项为Ignore （忽略阻尼），单击OK按钮，如图16-21所 zj\\ O
图16-21缩减法瞬态分析选项对话框
（2）定义主自由度
运行主菜单 Main Menu>Solution>Master D0Fs>User Selected>Define 命令，弹 出Define Master DOFs对话框，输入节点号2,单击0K按钮，如图16-22所 示，又弹出Define Master DOFs对话框，如图16-23所示，在Labi栏中更改选项 为UY ,单击0K按钮完成质点单元 之自由度的定义即UY为其主自由度。
图16-22定义主自由度
（3）定义载荷步选项
I
2
Pick All
运行主菜单 Main
图16-23定义主自由度对话 Menu>Solution>Load Step
Opts>Time/Frequenc>Time 一Time Step 命令，弹出 Time and Time Step Options 对话框，在[DELTIM] Time step size 栏中输入 0. 02，在[KBC]step Stepped or
ramped b. c.栏鼠标点选 Ramped,在[DELTIM] Minimum time step size 栏 中输入 0. 002,在[DELTIM] Maximum time step size栏中输入0. 2,单击OK按钮，如图16~24所示。
■ Ranq>e4
图16-24定义载荷步对话框
4）定义输出选项
运行主菜单 Main Menu>Solution>Load Step Opts>Output Ctrls>Solu Printout 命令，弹出 Solution Printout Controls 对话框，在 Item Item for printout controled栏中更改选项为All items ,在FREQ Print frequency栏鼠标点选 Every substep ,单击OK按钮，如图16-25所示。
图16-25定义打印输出控制对话框
运行主菜单 Main Menu>Solution>Load Step Opts>Output Ctrls>DB/Results File 命令，弹 出 Controls for Database and Results File Writing 对话框，在 Item Item to be controled 栏中更改选项为 All items ,在 FREQ File write
frequency栏鼠标点选Every substep ,单击OK按钮。其它选项默认如图16-26 所示。
图16-26定义打印输出控制对
5）施加约束
运行主菜单 Main Menu>Solution>DefiiL©ads>Apply>Structural>Displacement>On Nodes命令，出现拾取菜单，如图16. 27拾取节点1,单击0K按钮确定，出现约 束定义对 话框如图16. 28,选择All DOF约束所有自由度，在Displacement Value选项输入0,再单击0K按钮完成约束定义。
Apply U, ROT G Pick
Single
C Polygon i
Count ninitouai ■ ■ Ilode Ha・ 金 List- of I
「Hin,
P.c^eV PICK All
图16-27拾取对话 图16-28施加节点约束对
单击ANSYSToolbar中的SAVE DB进行存盘。
（6）对第一载荷步施加载荷
运行主 菜单 Main Menu>Solution>Define
Loads>Apply>Structural>Force/Moment>On Nodes 命令，出现拾取菜单如图 16-29 所示，选择如图16-30中节点2,单击0K按钮确定，出现载荷定义对话框如图
16-31所示，在Lab栏中更改选项为FY ,在VALUE栏输入0,单击0K按钮确 定。
运行主菜单 Main Menu>Solution>Load Step Opts>Time/Frequenc>Time 一Time
Step命令, 出现拾取菜单如图 16-32所示，在［TIME］栏输入0,其它默认，单击 0K按钮确定。
图16-29定义节点载荷 路径
八
图16-30选择节点对
图16-31定义节点载荷方向和值
BUM 图16-32定义载荷步对话框
7）对第一载荷步进行求解
运行主菜单Main Menu>Solution>Current LS命令，出现菜单中单击0K按钮 确定，计算 机开始进行求解，求解完成后出现“ Solution is done”提示表示求解 完成，单击Close按钮 完成第一载荷步求解，如图16-33所示。
图16-33求解对话
（8）对第二载荷步到第五载荷步施加载荷
重复以上（6）〜（7）步骤，不同之处仅在图16-31 VALUE 一栏输入载荷数值 第二载 荷步到第五载荷步输入表16-3数值分别为-500、-150、-150、0。
在如图16-32所示，在[TIME] —栏输入载荷步时间值为第二载荷步到第五载荷步输 入表16-3时间值分别为2、4、6.8、9.5o分别对第二载荷步到第五载荷步进行求
ansys缺省的
载处理为替代方式，可用 fcum, sfcum命令修改, 可选择三种方式：替代 (repl)、累加 (add)、忽略 (ignore) 当采用缺省时，对于同一自由度处
的荷载，后面施加的荷载替代了前面施加的荷载 （或覆盖），故本例前一步骤载
否则应删除上步载荷。） 荷被覆盖而不用另外删除,
第五
载荷步求解完成后出现“ Solution is done”提示表示求解完成，单击Close按钮 完成所有载荷步的求解，如图16-33所示。
运行主菜单Main Menu>Solution>Finish命令，结束整个求解过程。
（9）定义扩展并求解
运行主菜单 Main Menu>Solution>Analysis Type>Expansion Pass 命令，弹出
Expansion Pass对话框，在EXPASS栏鼠标点选ON ,单击OK按钮确定，如图16- 34所示。
运行主菜单 Main Menu>Solution>Loa.d Step Opts>Expa.nsion Pass>Single
Expand>By Time/Freq 命令，弹出 Expand Single Solution by Time/Frequency 对 话框，在TIMFRQ栏输入7.8 （预扩展解时间值）,单击0K按钮确定，如图16-35 所示。
运行主菜单Main Menu>Solution>Finish命令，求解。 在ANSYS Toolbar上单击SAVE保存。
图16-35定义扩展求解时间对
5.观察计算结果
运行主菜单Main Menu>TimeHist Postpro命令，进入时间历程后处理器，弹出 女口图 16-36 Time Histroy Variables — \\file. rdsp 窗口（若为 Time Histroy Variables — \\file. rst 窗口可以运行如 16-36 图 file> 打开 Time Histroy Variable 一 \\file. rdsp 文件），单击 “ + ” 按钮，弹出如图 16-36 所示 Add Time 一 His troy Variables 窗口，单击选中 Nodal Sol uti on>Y — Component of displacement菜单，单击OK按钮，弹出如图16-37所示，输入节点号2 （或用鼠 标在窗口点选），单击 0K 按钮，返回 Time Histroy Variables — \\file. rdsp 窗口，界面显示出选择的节点2处的时间历程位移值如图16-38所示，单击Graph 按钮，ANSYS图形窗口显示节点2处的时间历程位移图示，如图16-38所示。
[lone
SQST
-T I
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I IIK；
图16-36定义时间历程变量对 图16-37选取节点对话框
单击List data按钮，弹出如图16-39所示的FRVAR Command窗口显示出选择点2处的时间历程位移值列表。
的节
53 YZ History Vari ablcs - - Vtr^nsicntexABplel. rdsp
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