ANSYS瞬态动力分析中，激励P(t)=P0+P1×SIN(ωT)如何施加？

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在ANSYS瞬态动力分析中，有许多很难觉察的“小陷阱”，稍微不注意就可能掉进去，并导致错误的计算结果。关键是还不知道结果是错误的，认为就是如此，然后去使用这些计算结果指导设计，从而造成或大或小的损失。

例如在ANSYS瞬态分析中，激励P(t)=P0 P1*SIN(ωT)如何施加才是正确的？不妨设悬臂梁（图1a））的截面尺寸为0.2×0.3m，长度为3m，材料弹性模量取2E11Pa，泊松系数取0.3，质量密度取7800kg/m^3，式中的P0=1E5N，P1=5E4N，ω=10，不考虑自重影响，时长为2s的悬臂端位移时程等结果如图1b~f)所示。如果你认为非常简单，先不必看本文，直接上机试试看，如能获得正确结果，说明你很注意瞬态动力分析的细节，也是此间高手。

好了，你计算后得到图1的结果了吗？还是如图2的结果？

理论推导时，可以直接用P(t)=P0 P1×SIN(ωT)进行推导，不会存在问题。但是用ANSYS模拟时，任何荷载都会在某个时间内达到所施加的荷载值，无论是在某个荷载步内（KBC=0）或某个荷载步的一个荷载子步内（KBC=1），因此，如果模拟计算时不做处理，施加的P0会成为冲击荷载，对结果影响很大，如图2所示结果。

在物理上，应将P0看做“静荷载”，然后在其平衡位置施加动荷载激励。而在ANSYS瞬态动力分析时，要采用下述方法并需注意三个问题：

1）先建立静力初始条件，即关闭时间积分效应（TIMINT,OFF），施加荷载P0，注意设置阶跃荷载（KBC=1）且NSUBST大于等于2，必须设置NSUBST。这种KBC=1的设置是在该荷载步（强调一下是Load Step=LDSTEP）的第一个“子步”（强调一下是SUBSTEP）就施加到P0（而不是分多个子步才达到P0），则在其后的子步中，因荷载不变而位移结果相同，从而速度和加速度均为零，就建立了静力初始条件。

特别注意，KBC=1且NSUBST≥2，否则会使结构产生初始的速度和加速度，这个问题极易忽略！在此基础上开展后续荷载步的动力分析当然是不正确的。可以仅仅进行该荷载步分析，设置KBC=0，求解后进入后处理查看结构速度和加速度是否零？（仅为试算使用，因为后续求解必须是连续SOLVE）

2）打开时间积分效应进行瞬态动力分析。此时，可以设置多个荷载步和子步数，KBC根据荷载情况设置。特别要注意的是，在荷载为非累加设置（FCUM或SFCUM）时，每个时刻施加的荷载为荷载总值而非增量，即施加P(t)=P0 P1×SIN(ωT)，不能仅仅施加P1×SIN(ωT)。如果仅仅施加后者，则ANSYS认为是从上一荷载步的P(t)=P0变成本荷载步的P(t)=P1×SIN(ωT)，即相当于突然卸载了P0，不仅不正确，还形成冲击效应。

3）在连续的SOLVE中，ANSYS默认前面所有荷载步的荷载继续有效，除非明确删除（FDELE命令）某些荷载。如果执行FDELE命令，无论KBC=0还是KBC=1，则均按阶跃荷载处理，也就是等同突然卸载。如果并非突然卸载，可设置KBC=0并按“F,NODE,FY,0”施加。

正确施加P(t)=P0 P1×SIN(ωT)的命令流如下：

FINISH$/CLEAR

!修改保存的结果点数

/CONFIG,NRES,5000

!创建模型

/PREP7

P0=1E5$P1=5E4$OMG=10

K,1$K,2,3$K,3,0,1$L,1,2

ET,1,BEAM189$MP,EX,1,2E11

MP,PRXY,1,0.3$MP,DENS,1,7800

SECTYPE,1,BEAM,RECT

SECDATA,0.2,0.3$

LATT,1,,1,,,3,1

ESIZE,0.2$LMESH,ALL$DK,1,ALL

!进入求解层，瞬态动力分析

/SOLU$ANTYPE,TRANS

AUTOTS,ON$OUTRES,ALL,ALL

!第一荷载步,建立静力初始条件

N1=NODE(3,0,0)

TIMINT,OFF!关闭时间积分效应

TIME,1E-5!较小的时间步

KBC,1!必须设置阶跃荷载

NSUBST,2!子步数必须≥2

F,N1,FY,-P0$SOLVE

!后续荷载步的求解

TIMINT,ON!打开时间积分效应

KBC,1!可根据荷载情况设置

NSUBST,10,,2!可根据需要设置

!循环求解各荷载步

*DO,IT,0.01,2.0,0.01

TIME,IT

F,N1,FY,-P0-P1*SIN(OMG*IT)

SOLVE

*ENDDO

FINISH

!进入后处理，查看时程结果

/POST26

NSOL,2,N1,U,Y$PLVAR,2

PROD,3,2,,,,,,1000$PLVAR,3

NSOL,4,N1,A,Y$PLVAR,4

RFORCE,5,1,F,Y$PLVAR,5

ANSYS瞬态分析时，建立初始条件很重要，稍有大意就会导致错误的计算结果，如本文的例子。但实际结构计算时，这种错误从计算结果中不易发现，会导致设计时采用错误结果。建立初始条件的关键是“KBC=1且NSUBST≥2”，可以在POST1中读入第一荷载步查验节点的速度和加速度，以保证所建初始条件的正确性。