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Ansys中的阻尼

時間:2010-01-12 11:19:40 來源:

ANSYS動力學分析中提供了各種的阻尼形式,這些阻尼在分析中是如何計算,并對分析有什么影響呢?本文將就此做一些說明何介紹.

一. 首先要清楚,在完全方法和模態疊加法中定義的阻尼是不同。因為前者使用節點坐標,而后者使用總體坐標.

1. 在完全的模態分析、諧相應分析和瞬態分析中,振動方程為:

阻尼矩陣為下面的各阻尼形式之和:

α為常值質量阻尼(α阻尼)(ALPHAD命令
β為常值剛度阻尼(β阻尼)(BETA命令)
ξ為常值阻尼比,f為當前的頻率(DMPRAT命令)
βj為第j種材料的常值剛度矩陣系數(MP,DAMP命令)
[C]為單元阻尼矩陣(支持該形式阻尼的單元)

where: [C] = structure damping matrix 
α = mass matrix multiplier (input on ALPHAD command) 
[M] = structure mass matrix 
β = stiffness matrix multiplier (input on BETAD command) 
βc = variable stiffness matrix multiplier (see Equation 15–23) 
[K] = structure stiffness matrix 
Nm = number of materials with DAMP or DMPR input
   = stiffness matrix multiplier for material j (input as DAMP on MP command)
   = constant (frequency-independent) stiffness matrix coefficient for material j (input as   DMPR on MP command)
Ω = circular excitation frequency
Kj = portion of structure stiffness matrix based on material j 
Ne = number of elements with specified damping 
Ck = element damping matrix 
Cξ = frequency-dependent damping matrix (see Equation 15–21)

2. 對模態疊加方法進行的諧相應分析、瞬態分析何譜分析,動力學求解方程為:

每個模態產生有效阻尼比ξid而不是創建阻尼矩陣

α為常值質量阻尼
β為常值剛度阻尼
ξ為常值阻尼比
ξmi為第i個模態的常值阻尼比
ξj為第j個材料的阻尼系數
Ejs為第j個材料的應變能,ANSYS由{f}T[K]{f}計算得到。

二.對譜分析,阻尼僅僅包含在模態組合里,而在計算模態系數的時候并沒有考慮。當使用模態疊加法時,材料阻尼被添加到擴展的模態中,因此,用戶必須在進行模態分析之前,就包括材料阻尼(MP,DAMP)并進行單元應力的計算(MXPAND命令)。

三.模態疊加法支持使用QR阻尼,但是用戶必須知道盡管是模態組合方法,阻尼在模態分析中已包含了,所以應該使用上面的完全阻尼矩陣[C]來計算阻尼。如果使用QR阻尼的的模態提取方法(MOPT,QRDAMP),并且在前處理或模態分析中指定了任何形式的阻尼,那么ANSYS將在進行模態疊加時忽略阻尼。

四. 了解MP,DAMP在不同的情況下有不同的作用非常重要。

在完全分析中,材料阻尼代表了該材料的一個剛度矩陣乘子,與粘性阻尼(與頻率成線性關系,但針對所有的材料)類似。因此,在這種情況下,對單自由度結構,材料阻尼值等于ξ/πf或c/k。如果有多種材料,那么,阻尼矩陣就是簡單得將材料的βj乘以相應的材料的剛度矩陣:

但是,在使用模態疊加法時材料阻尼值類似于結構阻尼(與頻率無關),也即材料阻尼值會等于單自由度體系的ξ。如果有多種材料,使用模態應變能方法(MSE)來計算系統的有效阻尼比:

也就是說,一個有效的常值材料阻尼將被用于所有模態的計算。

五. 下面的表格列出了不同分析類型中可以用到的阻尼。

 

§3.8.3阻尼

大多數系統中存在阻尼,而且在動力學分析中應當指定阻尼。在ANSYS程序可以指定五種形式的阻尼:

·Aplha和Beta阻尼(Rayleigh阻尼)

·和材料相關的阻尼

·恒定的阻尼比

·振型阻尼

·單元阻尼

在ANSYS/Professional程序中只有恒定阻尼比和振型阻尼可用。可以在模型中指定多種形式的阻尼,程序按所指定的阻尼之和形成阻尼矩陣[C]。下表列出了在不同結構分析中可用的阻尼類型。

不同分析類型可用的阻尼

 

分析類型

α , β阻尼

[ALPHAD,

BETAD]

材料相關阻尼

[MP,DAMP]

恒定阻尼比

[DMPRAT]

振型阻尼

[MDAMP]

單元阻尼 [3]

(COMBIN7等)

靜力學分析

N/A

N/A

N/A

N/A

N/A

模態分析

無阻尼

No[5]

No[5]

No[5]

No

No

有阻尼

Yes

Yes

No

No

Yes

諧響應分析

完全法

Yes

Yes

Yes

No

Yes

縮減法

Yes

Yes

Yes

No

Yes

模態疊加法

Yes[6]

Yes[4,6]

Yes[7]

Yes[7]

Yes[6]

瞬態分析

完全法

Yes

Yes

No

No

Yes

縮減法

Yes

Yes

No

No

Yes

模態疊加法

Yes[6]

Yes[4,6]

Yes[7]

Yes[7]

Yes[6]

譜分析

SPRS,MPRS[2]

Yes[1]

Yes

Yes

Yes

No

DDAM[2]

Yes[1]

Yes

Yes

Yes

No

PSD[2]

Yes

No

Yes

Yes

No

屈曲分析

N/A

N/A

N/A

N/A

N/A

子結構

Yes

Yes

No

No

Yes

 

N/A表示不能使用

[1]表示只可用β阻尼,不可用α阻尼

[2]表示阻尼只用于模態合并,不用于計算模態系數

[3]表示包括超單元阻尼矩陣

[4]表示如果經模態擴展轉換成了振型阻尼

[5]表示如果指定了,程序會計算出一個用于隨后的譜分析的有效阻尼比

[6]表示如果使用QR阻尼模態提取方法[MODOPT,QRDAMP],在前處理或模態分析過程中指定任何阻尼,但ANSYS在執行模態疊加分析時將忽略任何阻尼。

[7]如果你使用QR阻尼模態提取方法[MODOPT,QRDAMP],DMPART和MDAMP不能使用。

1. Alpha 阻尼Beta 阻尼

Alpha阻尼和Beta阻尼用于定義瑞利(Rayleigh)阻尼常數α和β。阻尼矩陣是在用這些常數乘以質量矩陣[M]和剛度矩陣[K]后計算出來的。

命令 ALPHADBETAD 分別用于確定瑞利(Rayleigh)阻尼常數α和β。通常α和β的值不是直接得到的,而是用振型阻尼比 計算出來的。 是某個振型i的實際阻尼和臨界阻尼之比。如果 是模態i的固有角頻率,則α和β滿足下列關系:

在許多實際問題中,Alpha阻尼(或稱質量阻尼)可以忽略(α=0)。這種情形下,可以由已知的 計算出β:

由于在一個載荷步中只能輸入一個β值,因此應該選取該載荷步中最主要的被激活頻率來計算β值。

為了確定對應給定阻尼比ξ的α和β值,通常假定α和β之和在某個頻率范圍內近似為恒定值(見圖5)。這樣,在給定阻尼比ξ和一個頻率范圍ωi~ωj后,解兩個并列方程組便可求得α和β。

圖5瑞利阻尼

Alpha阻尼在模型中引入任意大質量時會導致不理想的結果。一個常見的例子是在結構的基礎上加一個任意大質量以方便施加加速度譜(用大質量可將加速度譜轉化為力譜)。Alpha阻尼系數在乘上質量矩陣后會在這樣的系統中產生非常大的阻尼力,這將導致譜輸入的不精確,以及系統響應的不精確。

Beta阻尼和材料阻尼在非線性分析中會導致不理想的結果。這兩種阻尼要和剛度矩陣相乘,而剛度矩陣在非線性分析中是不斷變化的。由此所引起的阻尼變化有時會和物理結構的實際阻尼變化相反。例如,存在由塑性響應引起的軟化的物理結構通常相應地會呈現出阻尼的增加,而存在Beta阻尼的ANSYS模型在出現塑性軟化響應時則會呈現出阻尼的降低。

2. 和材料相關的阻尼

和材料相關的阻尼允許將Beta阻尼做為材料性質來指定[MP,DAMP]。但要注意在譜分析[ANTYPE,SPECTR]中的MP,DAMP是指定和材料相關的阻尼比ξ,而不是β。同樣要注意對于多材料單元如SOLID46,SOLID65,SHELL91和SHELL99,只能對單元整體指定一個β值,而不能對單元中的每一種材料都指定。在這些情形下,β是由單元的材料指針(用MAT命令設置)決定的,而不是由單元實常數MAT指向的材料決定的。

3. 恒定阻尼比

恒定阻尼比是在結構中指定阻尼的最簡單的方法。它表示實際阻尼和臨界阻尼之比,是用DMPRAT命令指定的小數值。DMPRAT只可用于譜分析、諧響應分析和模態疊加法瞬態動力學分析。

4. 振型阻尼

振型阻尼可用于對不同的振動模態指定不同的阻尼比。它用MDAMP命令指定且只能用于譜分析和模態疊加法瞬態動力學分析、諧響應分析。

5. 單元阻尼

單元阻尼在用到有粘性阻尼特征的單元類型時會涉及到,如單元COMBIN7, COMBIN14,COMBIN37,COMBIN40等。

關于阻尼的更詳細描述參見<<ANSYS理論參考手冊>>。


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