ANSYS谱分析的概念、步骤及关键点

zhengmai0101

谱是谱值和频率的关系曲线，反映了时间-历程载荷的强度和频率之间的关系。
响应谱代表系统对一个时间-历程载荷函数的响应，是一个响应和频率的关系曲线。
谱分析是一种将模态分析结果和已知谱联系起来的计算结构响应的分析方法，主要用于确定结构对随机载荷或随时间变化载荷的动力响应。谱分析可分为时间-历程分析和频域的谱分析。时间-历程谱分析主要应用瞬态动力学分析。谱分析可以代替费时的时间-历程分析，主要用于确定结构对随机载荷或时间变化载荷（地震、风载、海洋波浪、喷气发动机推力、火箭发动机振动等）的动力响应情况。 谱分析的主要应用包括核电站（建筑和部件），机载电子设备（飞机/**），宇宙飞船部件、飞机构件，任何承受地震或其他不规则载荷的结构或构件，建筑框架和桥梁等。
功率谱密度（Power Spectrum Density）：是结构在随机动态载荷激励下响应的统计结果，是一条功率谱密度值-频率值的关系曲线，其中PSD可以是位移PSD、速度PSD、加速度PSD、力PSD等形式。数学上，PSD-频率关系曲线下面的面积就是方差，即响应标准偏差的平方值。
ANSYS谱分析分为3种类型：
*响应谱分析（SPRS OR MPRS）
ANSYS响应谱分为单点响应谱和多点响应谱，前者指在模型的一个点集（不局限于一个点）定义一条响应谱；后者指在模型的多个点集定义多条响应谱。
* 动力设计分析（DDAM）
动力分析设计是一种用于分析船舶装备抗震性的技术
*随机振动分析（PSD）
随机振动分析主要用于确定结构在具有随机性质的载荷作用下的响应。
与响应谱分析类似，随机振动分析也可以是单点的或多点的。。 在单点随机振动分析时，要求在结构的一个点集上指定一个PSD；在多点随机振动分析时，则要求在模型的不同点集上指定不同的PSD。
一 单点响应谱分析
基本步骤
（1）建立模型
（2）求得模态解
（3）求得谱解
（4）扩展模态
（5）合并模态
（6）观察结果
1.模型的建立
*只允许线性行为，任何非线性特性均作为线性处理，即非线性行为无效；
*一定要定义弹性模量EX和密度DENS
2.计算模态解
结构的固有频率和模态振型是谱分析所必须的数据，在进行谱分析求解前需要先计算模态解。
*只能用subspace，Reduced 法和black lanczos法；
*所提取的模态数应足以表征在感兴趣的频率范围内结构所具有的响应；
*如果采用GUI菜单操作，在模态设置对话框打开了Expand mode shapes选项，将在模态分析中进行扩展操作，否则扩展操作将在谱分析求解之后进行（即模态扩展可在模态求解过程中实施，也可在谱分析以后单独扩展）；
*有材料相关的阻尼必须在模态分析中定义；
*对于地震谱必须在施加激励谱的位置添加自由度约束；
*对于力/压力谱，必须在模态分析时加载；
*求解结束退出solution处理器。
3.谱分析求解
（1）设置谱分析选项
*指定分析类型为single-pt resp（单点响应谱）；
*no.of models for solu(模态扩展数);
*Calculate elem stresses（如果需要计算单元应力，打开该选项）
（2）设置激励谱选项
*Type of response spectrum 响应谱的类型：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；除了力谱之外，其余的都可以表示地震谱，即它们都假定作用于基础上，即有约束的节点上。力谱作用于没有约束的节点，可以用F或FK命令施加，方向分别用FX，FY和FZ表示。PSD施加在非基础节点上。（PSD翻译成(in/sec2)2/Hz，是加速度PSD，ANSYS不推荐在SPRS中使用PSD分析），（命令：sytyp）。
*Excitation direction 设置激励谱方向，通过3个坐标分量确定（命令：sed,x,y,z）
（3）定义激励谱的谱值-谱线关系曲线（freq和sv）；
（4）设置阻尼；
（5）开始求解。
4.扩展模态
*只选择有明显意义的模态进行扩展；
*扩展后才能合并；
*选择应力计算；
5.合并模态
合并模态前要重新进入ANSYS求解器
（1）指定分析选项为Spectrum
（2）选择模态合并方法
*Mode Combination Method
CQC法：
GRP法：
DSUM法：
SRSS法：
NRLSUM法：
*Type of output 指定输出结果类型：位移disp（位移，应力，载荷等），速度velo（速度、应力速度、载荷速度等）和加速度 acel（加速度、应力加速度、载荷加速度等）
*合并求解 Solve-Current LS
6.观察结果
单点响应谱分析的结果是以POST1命令的形式写入模态合并文件Jobname.MCOM中的，这些命令依据模态合并方法指定的某种方式合并最大模态响应，最终计算出结构的总响应。总响应包括宗的位移（或总速度、总加速度）以及在模态扩展过程中得到的结果—总应力（或总反应力速度、总反应加速度）、总应变（或总应变速度、或总应变加速度）、总的反作用力（或总的反作用力速度、总反作用力加速度）。
*进入通用后处理器POST1
*读入jobname.MCOM文件；
*显示结果
注意：使用PLNSOL命令将衍生数据如应力、应变进行节点平均化处理，导致不同材料、不同壳厚度或其它不连续性单元共有的节点平均意义十分模糊。为避免这种问题，在执行PLNSOL命令前，先使用SELECTING选择工具将具有同材料、相同壳体厚度等单元选择出来，再分别执行PLNSOL命令进行节点平均化处理。
二 随机振动分析
功率谱密度（PSD）是针对随机变量在均方意义上的统计方法，用于随机振动分析。此时，响应的瞬态数值只能用于概率函数来表示，其数值的概率对应一个精确值。
基本步骤
（1）建立模型
（2）计算模态解
（3）谱分析求解
（4）扩展模态
（5）合并模态
（6）观察结果
其中（1）、（2）、（4）与单点响应谱分析相同
1.模型的建立
*只允许线性行为，任何非线性特性均作为线性处理，即非线性行为无效，例如，如果分析中包括接触单元，它们的刚度将依据原始状态来计算并且之后就不再改变；
*一定要定义弹性模量EX和密度DENS
2.计算模态解
结构的固有频率和模态振型是谱分析所必须的数据，在进行谱分析求解前需要先计算模态解。
*只能用subspace，Reduced 法和black lanczos法；
*所提取的模态数应足以表征在感兴趣的频率范围内结构所具有的响应；
*如果采用GUI菜单操作，在模态设置对话框打开了Expand mode shapes选项，将在模态分析中进行扩展操作，否则扩展操作将在谱分析求解之后进行（即模态扩展可在模态求解过程中实施，也可在谱分析以后单独扩展）；
*有材料相关的阻尼必须在模态分析中定义；
*对于地震谱必须在施加激励谱的位置添加自由度约束；
*对于力/压力谱，必须在模态分析时加载；
*求解结束退出solution处理器。
3.谱分析求解
进入ANSYS求解器，设置分析类型为Spectrum
（1）设置谱分析选项
*指定分析类型为 P.S.D 功率谱密度分析；
*no.of models for solu(模态扩展数);
*Calculate elem stresses（如果需要计算单元应力，打开该选项）
（2）设置激励谱选项
*Type of response spectrum 响应谱的类型：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 压力 Pressure Spectrum(pressure^2/Hz) 功率谱密度等；Force spectrum 和 Pressure Spectrum 只能作为节点激励，且必须在模态分析时就加载。
（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）定义激励谱的谱值-谱线关系曲线（freq和sv）；
（4）施加功率谱密度激励
Main Menu-Solusion-Define Loads-Apply-Spectrum-Base PSD Excit/Node PSD Excit
这个施加步骤很关键：基础激励就默认加载在定义的约束点上； 节点激励就默认模态分析时所加的力或压力作用的节点
（5）计算PSD参与因子
*Table no. of PSD table
指定所要计算的PSD谱编号
*Base or Node Excitation
设置PSD激励谱的类型是基础激励还是节点激励
命令（PFACT, TBLNO, Excit,Parcor）
（6）设置输出控制
位移解 Load Step3
速度解 Load Step4
加速度解 Load Step5
（7）开始求解。
4.扩展模态
*只选择有明显意义的模态进行扩展；
*扩展后才能合并；
*选择应力计算；
5.合并模态
合并模态前要重新进入ANSYS求解器
随机振动分析的合并模态操作与单点响应谱分析不同之处在于随机振动分析的合并方法只有PSD一种，在分析对话框中需要指定需要合并的模态数；
6.观察结果
随机振动分析结果写入结果文件 jobname.rst中，包括
*模态振型
*基础激励静力解
*位移解、速度解和加速度解
可用POST1和POST26观察结果
（1）通用后处理器POST1
*读入jobname.MCOM文件；
*显示结果
（2）POST26
*存储频率向量
STOR，PSD
*定义变量
*计算响应PSD并保存为变量
*获得响应曲线
命令 PLVAR 画出曲线
* 还可计算协方差
得到任意变量间的关系