结构动力学随机振动分析：ANSYS应用实例

引言

前文已对结构动力学中的随机振动分析做了比较系统的理论介绍。

现以ANSYS为例，结合前文介绍的理论和要点，实现具体分析。在”基于ANSYS的响应谱分析”一文中介绍了APDL和Workbench的特点，在此，本文以APDL为例，同时兼顾Workbench，介绍ANSYS如何实现结构动力学中的随机振动分析。

随机振动分析

ANSYS中的随机振动分析，有如下假设需要注意：

• 基于模态叠加法，为线性分析；
• 和反应谱分析类似，也可分为单点和多点激励，单点激励比较好理解，时域上表现为激励各点无时延，频域上表现为没有相位差，多点表现为各激励并不同时进行，单点激励比较常用；
• 常用的阻尼有alpha阻尼(质量阻尼)、beta阻尼(刚度阻尼)和模态阻尼比mdamp(和频率相关)，一般使用常值阻尼比dmprat(和频率无关)，材料阻尼比会根据应变能等效原则进行等效处理。

分析过程

典型命令

SPOPT, Sptype, NMODE, Elcalc, modeReuseKey

——谱分析设置

Sptype——谱分析类型，随机振动为PSD

PSDUNIT, TBLNO, Type, GVALUE

——定义输入PSD曲线类型

TBLNO——输入数据表格的序号，若只有一组数据则可设置为1

Type——谱类型标签，有位移(DISP)、速度(VELO)、加速度(ACEL和ACCG)、力(FORCE)h和压力(PRES)；ACEL为加速度的标准单位，如(m/s2)2/Hz，而ACCG为g2/Hz，一般多用ACCG

GVALUE——当Type=ACCG时候，定义标准重力加速度g的单位。此时要特别注意，默认为英制单位，即1g=386.4in/s2，通常我们都使用国际单位下的标准重力加速度单位，即1g=9.8m/s2，因此,此值应该设置为9.8

PSDFRQ, TBLNO1, TBLNO2, FREQ1, FREQ2, FREQ3, …, FREQ7

——设置输入PSD曲线的频率值,必须递增输入,且两点之间在双对数坐标下进行插值

TBLNO1,TBLNO2——表格号，若为单点激励，一般TBLNO1设置为1，TBLNO2默认

PSDVAL, TBLNO, SV1, SV2, SV3, SV4, SV5, SV6, SV7

——设置输入PSD曲线的功率谱密度值

TBLNO——和PSDFRQ中TBLNO1值一致

PSDGRAPH, TBLNO1, TBLNO2

——显示已定义的PSD曲线

PSDRES, Lab, RelKey

——定义结果类型,1σ意义下的结果

Lab——求解输出的数据类型，有位移(DISP)、速度(VELO)和加速度(ACEL)

RelKey——输入的数据为相对值还是绝对值，相对值(REL)、绝对值(ABS)和不输出(OFF)

PSDCOM, SIGNIF, COMODE, , ForceType

SIGNIF——阈值，一般设置为0

COMODE——参与组合的模态阶次

ForceType——力计算标签，模态静态力(STATIC)和TOTAL(模态静态力+惯性力)

STORE, Lab, NPTS

——存储变量数据

Lab——设置数据来源，此处设置为PSD

NPTS——数据点的个数，如时间点和频率点的个数等

RPSD, IR, IA, IB, ITYPE, DATUM, Name, --, SIGNIF

——计算PSD

IR——参考的变量编号，一般从2开始取值(因为变量1为频率)

IA, IB——参与运算的两个变量的编号，如果不需要则IB为空

ITYPE——定义PSD的类型，位移(0或1)、速度(2)和加速度(3)

DATUM——参考的数据类型，绝对值(1)和相对值(2)

Workbench设置

算例

考虑某三层钢结构模型的随机振动分析。

分析结果为

• 在/post1中，可以查看云图，通过set命令设置载荷步(Load Step)查看位移(Load Step=3)、速度(Load Step=4)、加速度(Load Step=5)和不同置信区间(1σ、2σ、3σ)的结果，一般我们关心3σ下的结果；
• 随机振动分析的结果，均为概率意义下的，而不是确定性的，因此，各矢量(位移、速度和加速度)的结果一般看分量结果，应力也是一样的道理；对于如合成位移，Miss应力结果，要慎用；
• 在/post26中查看结果响应的PSD曲线。

以下为随机振动分析的部分命令流

!-----获得谱解-----
/solu
antype,spectrum
spopt,psd,20,yes
nsel,s,loc,y,0
d,all,ux,1.0
allsel
psdunit,1,disp
dmprat,0.01
psdfrq,1,,1,200
psdval,1,0.01,0.01
psdgraph,1
pfact,1,base
psdres,disp,abs
psdres,velo,abs
psdres,acel,abs
solve
finish
!-----PSD组合-----
/solu
antype,spectrum
psdcom,0.0,20,static
solve
finish 
!-----后处理查看云图-----
/post1
set,3,1,3
plnsol,u,x,0,1.0
finish
!-----后处理查看PSD曲线-----
/post26
store,psd,10
nsol,2,29,u,x,ux29
rpsd,3,2,,1,1,,0 
pltime,0,15
/axlab,x,freq
/axlab,y,disp
/gropt,logy,on
/gropt,axdv,off
plvar,3
finish

-完-

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