畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）490q柴油機(jī)曲軸有限元分析

1、TianjinTianjin UniversityUniversity ofof TechnologyTechnology andand EducationEducation 畢畢 業(yè)業(yè) 論論 文文 專專 業(yè)：業(yè)： 汽車維修工程教育汽車維修工程教育 班級(jí)學(xué)號(hào)：班級(jí)學(xué)號(hào)： 汽修汽修 0402-140402-14 學(xué)生姓名：學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 二二八年八年 六六 月月 天津工程師范學(xué)院本科生畢業(yè)論文天津工程師范學(xué)院本科生畢業(yè)論文 490Q490Q 柴油機(jī)曲軸的有限元模態(tài)分析柴油機(jī)曲軸的有限元模態(tài)分析 modalmodal analysisanalysis ofof finitefin

2、ite elementelement onon 490Q490Q dieseldiesel engineengine cramkshaftcramkshaft 專業(yè)班級(jí)：汽修專業(yè)班級(jí)：汽修 04020402 學(xué)生姓名：學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 系系 別：汽車工程系別：汽車工程系 20082008 年年 6 6 月月 天津工程師范學(xué)院天津工程師范學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 2007 年 12 月 題 目 （包括副標(biāo)題） 490Q 柴油機(jī)曲軸有限元分析 教師姓名閻文兵系 別汽車工程系職 稱教授 學(xué)生姓名宋 煒班 級(jí)汽 0402 班學(xué) 號(hào)14 號(hào) 課題成果形式論文 設(shè)

3、計(jì)說(shuō)明書 實(shí)物 軟件 其它 1畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題任務(wù)的內(nèi)容及方法： 1、本課題的研究任務(wù)是：（1）了解模態(tài)的概念及模態(tài)分析的基本理論；掌握有限元解 題思路與步驟；（2）了解曲軸的結(jié)構(gòu)及工作特點(diǎn)；（3）熟練掌握 ANSYS 有限元分析軟 件。并應(yīng)用其對(duì) 490Q 柴油機(jī)曲軸進(jìn)行有限元模態(tài)分析分析。 2、本課題的研究方法：應(yīng)用 ANSYS 軟件對(duì) 490Q 柴油機(jī)曲軸進(jìn)行分析： （1）曲軸的工況分析及 ANSYS 建模 Pro/e 或其他三維 CAD 軟件建模 （2）有限元網(wǎng)格劃分 （3）確定邊界條件，施加載荷 （4）三維有限元計(jì)算，求解前十二階固有頻率 （5）調(diào)出分析結(jié)果 2畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工

4、作進(jìn)度計(jì)劃： 周 次工作內(nèi)容 第 1 周-第 3 周 第 4 周-第 5 周 第 6 周-第 8 周 第 9 周-第 10 周 第 11 周-第 12 周 查閱搜集資料，學(xué)習(xí)有關(guān)知識(shí)；總體結(jié)構(gòu)及多方案比較 自學(xué)模態(tài)分析的基本理論及方法；自學(xué)有限元法的基本理論，了 解有限元分析的基本步驟； 自學(xué)有限元分析軟件 ANSYS 零件及工藝設(shè)計(jì)應(yīng)用有限元分析軟件 ANSYS 建立曲軸的三維模型并進(jìn)行曲軸自由模態(tài)計(jì)算，要求求解 曲軸前六階固有頻率，分析計(jì)算結(jié)果； 撰寫畢業(yè)論文，準(zhǔn)備答辯。 教研室（學(xué)科組）主任簽字： 摘要摘要 曲軸是柴油機(jī)重要部件，本文在介紹490Q柴油機(jī)曲軸結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，根據(jù)三維 有限元

5、分析理論和多自由度系統(tǒng)振動(dòng)模態(tài)分析理論，運(yùn)用ANSYS軟件，采用有限單元 法,對(duì)490Q 柴油機(jī)曲軸進(jìn)行了符合實(shí)際情況的三維建模，對(duì)柴油機(jī)曲軸的整體進(jìn)行 有限元自由模態(tài)分析，提取出它的前十二階模態(tài)固有頻率和振型，參考其總體位移 變化云圖對(duì)曲軸整體振動(dòng)特性進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，結(jié)合曲軸應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D，對(duì)曲軸結(jié) 構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析，為柴油機(jī)優(yōu)化、改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了有價(jià)值的理論依據(jù)。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞 :曲軸；有限元；模態(tài)分析 AbstractAbstract The crankshaft is an important part of a diesel engine ,This article talks about

6、 the structure of crankshaft of 490Q diesel engine at first, then the finite element free modal analysis of the crankshaft was carried out in ANSYS software, which depends on the theoretic of 3-D finite element analysis and freedoms-system Vibration modal analysis , by means of FEM , this paper set

7、up a 32dimentional model for model 4190 diesel engines crankshaft corresponding to practical conditions, obtain its front 12 modal inherent frequency ,talks on its vibration characteristic according to total DOF picture. And created a finite element modal for single crutch , then analysis its static

8、 characteristic ，The model analysis was made for the crankshaft，which provides valuable theoretical foundation for the optimization and improvement of engine design Keywords:Keywords: crankshaft ； finite element；modal analysis 目錄 1 1 引言引言 .1 1 1.1 課題研究背景 .1 1 1.2 課題研究的意義 .1 1 1.3 研究任務(wù) .2 2 2 2 曲軸的功用

9、和工作條件曲軸的功用和工作條件.3 3 2.1 功用 .3 3 2.2 工作條件 .3 3 3 3 模態(tài)分析的基本理論模態(tài)分析的基本理論 .5 5 3.1 模態(tài)的概念 .5 5 3.2 模態(tài)分析方法 .5 5 3.3 有限元法 .6 6 3.4 課題研究擬采用的手段.6 6 4 4 ANSYSANSYS 簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介 .7 7 4.1 ANSYS 軟件主要功能 .7 7 4.2 ANSYS 軟件主要特點(diǎn) .7 7 4.3 運(yùn)行環(huán)境（ANSYS10.0）.8 8 5 5 ANSYSANSYS 的基本使用的基本使用 .9 9 6 6 模態(tài)分析模態(tài)分析 .1616 6.1 模態(tài)分析的定義 .1616 6

10、.2 模態(tài)提取方法 .1616 7 7 490Q490Q 柴油機(jī)曲軸自由模態(tài)分析柴油機(jī)曲軸自由模態(tài)分析 .1818 7.1 幾何建模 .1818 7.2 曲軸自由模態(tài)分析.2626 7.3 獲取處理圖形和數(shù)據(jù)結(jié)果 .2828 結(jié)論結(jié)論 .3333 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) .3434 致謝致謝 .3636 1 1 引言引言 1.11.1 課題研究背景課題研究背景 曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要的運(yùn)動(dòng)部件之一。它的尺寸參數(shù)還影響著發(fā)動(dòng)機(jī)整體尺 寸、重量和制造成本，并且在很大程度上影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和壽命。曲軸在工 作中承受著汽缸內(nèi)周期性變化的氣體壓力、往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量及旋轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性力引起的 周期性變化的載荷，并對(duì)外

11、輸出扭矩，因此承受交變的拉伸、壓縮、彎曲和扭轉(zhuǎn)的 復(fù)合應(yīng)力，同時(shí)還有彎曲振動(dòng)，從而會(huì)引起曲軸疲勞失效，而一旦失效，就可能引 起其他零件隨之破壞。所以對(duì)于整體式多缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸，如何比較準(zhǔn)確地得到應(yīng)力、 變形的大小及分布，對(duì)用于指導(dǎo)曲軸的優(yōu)化、改進(jìn)和設(shè)計(jì)具有重要意義1。 隨著科技的進(jìn)步和使用要求的不斷提高，以經(jīng)驗(yàn)和試制、實(shí)驗(yàn)為典型特征的傳 統(tǒng)設(shè)計(jì)方法已遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代產(chǎn)品對(duì)性能的需求，取而代之的是以計(jì)算機(jī)為基本工 具，以數(shù)值仿真分析為主要手段的現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和方法的廣泛應(yīng)用。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè) 計(jì)是典型的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)，針對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)研究具有代表性意義。 曲軸是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)至為關(guān)鍵的部件之一，其性

12、能優(yōu)劣直接影響著汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠 性和壽命，所以利用計(jì)算機(jī)仿真對(duì)曲軸設(shè)計(jì)及生產(chǎn)有著積極的指導(dǎo)作用2。 有限元技術(shù)的出現(xiàn)，為工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域提供了一個(gè)強(qiáng)有力的計(jì)算工具。經(jīng)過(guò)迄今 約半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，它已日趨成熟實(shí)用。發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的設(shè)計(jì)是有限元技術(shù)最早的 應(yīng)用領(lǐng)域之一。有限元技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)零部件設(shè)計(jì)中的廣泛應(yīng)用，提高了設(shè)計(jì)的可靠 性，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)，縮短了設(shè)計(jì)周期，降低了設(shè)計(jì)成本，大大推動(dòng)了發(fā)動(dòng)機(jī)工業(yè)的發(fā) 展3。 1.21.2 課題研究的意義課題研究的意義 曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要、載荷最大、價(jià)格最高的零件之一。曲軸承受著氣缸內(nèi) 的氣體壓力及往復(fù)和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性力引起的周期性變化的載荷,并對(duì)外輸出扭矩,曲 軸還有扭

13、轉(zhuǎn)振動(dòng),因此在曲軸內(nèi)產(chǎn)生交變的彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力,可能引起曲軸疲勞 失效,而一旦曲軸失效,就可能引起其它零件隨之破壞。所以對(duì)于整體式多缸機(jī)曲軸, 如何比較準(zhǔn)確地得到應(yīng)力、變形的大小及分布和曲軸的固有頻率及振形,對(duì)用于指導(dǎo) 曲軸的設(shè)計(jì)和改進(jìn),具有重要意義。本文采用有限單元法,對(duì) 490Q 柴油機(jī)曲軸進(jìn)行了 符合實(shí)際情況的三維建模,研究了整體曲軸的變形和應(yīng)力狀態(tài),校核了曲軸在交變載 荷下的疲勞強(qiáng)度,探討了目前曲軸應(yīng)力有限元計(jì)算中廣泛采用的單拐力學(xué)模型的可靠 性,并對(duì)曲軸進(jìn)行了模態(tài)分析, 曲軸的模態(tài)分析能準(zhǔn)確地確定振形節(jié)點(diǎn)位置,并能快 速地分析曲軸尺寸、平衡塊大小與布置、曲軸材料等因素對(duì)軸系動(dòng)特性的

14、影響。這 對(duì)產(chǎn)品改進(jìn)和開發(fā)選擇較優(yōu)的軸系參數(shù)是很有效的。隨著柴油機(jī)的不斷強(qiáng)化，曲軸 的工作條件愈加苛刻，保證曲軸的工作可靠性至關(guān)重要，其設(shè)計(jì)是否可靠，對(duì)柴油 機(jī)的使用壽命有很大影響，因此在研制過(guò)程中需給予高度重視。由于曲軸的形狀及 其載荷比較復(fù)雜，對(duì)其采用經(jīng)典力學(xué)的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析往往有局限性。有限元法 是根據(jù)變分原理求解數(shù)學(xué)物理問(wèn)題的一種數(shù)值計(jì)算方法，是分析各種結(jié)構(gòu)問(wèn)題的強(qiáng) 有力的工具，使用有限元法可方便地進(jìn)行分析并為設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)隨著柴油機(jī)的 不斷強(qiáng)化，曲軸的工作條件愈加苛刻，保證曲軸的工作可靠性至關(guān)重要，其設(shè)計(jì)是 否可靠，對(duì)柴油機(jī)的使用壽命有很大影響，因此在研制過(guò)程中需給予高度重視。由

15、 于曲軸的形狀及其載荷比較復(fù)雜，對(duì)其采用經(jīng)典力學(xué)的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析往往有局 限性。有限元法是根據(jù)變分原理求解數(shù)學(xué)物理問(wèn)題的一種數(shù)值計(jì)算方法，是分析各 種結(jié)構(gòu)問(wèn)題的強(qiáng)有力的工具，使用有限元法可方便地進(jìn)行分析并為設(shè)計(jì)提供理論依 據(jù)45。 1.31.3 研究任務(wù)研究任務(wù) （1）了解模態(tài)的概念及模態(tài)分析的基本理論；掌握有限元解題思路與步驟； （2）了解曲軸的結(jié)構(gòu)及工作特點(diǎn)； （3）熟練掌握 ANSYS 有限元分析軟件。并應(yīng)用其對(duì) 490Q 柴油機(jī)曲軸進(jìn)行有限 元模態(tài)分析分析。 2 2 柴油機(jī)曲軸的基本敘述柴油機(jī)曲軸的基本敘述 2.12.1 功用功用和工作條件和工作條件 曲軸連桿機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)五大機(jī)構(gòu)之一

16、。其曲軸是內(nèi)燃機(jī)的一個(gè)重要零部件，也 是內(nèi)燃機(jī)中成本最高的零件，它的尺寸較大、材料昂貴、形狀復(fù)雜、 加工精度要求 很高。曲軸的主要功用是把活塞、連桿傳來(lái)的氣體壓力、往復(fù)慣性力和旋轉(zhuǎn)慣性力， 轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)汽車的傳動(dòng)系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)的配器機(jī)構(gòu)，及其它輔助裝置（如噴油 泵、水泵、機(jī)油泵、發(fā)電機(jī)、風(fēng)扇等）。在周期性變化的氣壓力、往復(fù)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 引起的慣性力以及它們的彎扭矩共同作用下，使得曲軸在工作過(guò)程中既彎曲又扭轉(zhuǎn)， 因此，曲軸應(yīng)具有足夠的抗彎曲、抗扭轉(zhuǎn)的疲勞強(qiáng)度和剛度；軸頸應(yīng)具有足夠大的 承壓表面和耐磨性；曲軸的質(zhì)量應(yīng)盡量小，對(duì)各軸頸的潤(rùn)滑應(yīng)該充分。 2.22.2 曲軸的分類曲軸的分類 曲軸的可根據(jù)

17、不同的方式分類。從結(jié)構(gòu)上可分為整體式曲軸和組合式曲軸；主 從軸承可分為滑動(dòng)軸承式曲軸和滾動(dòng)軸承式曲軸；根據(jù)曲柄臂的特點(diǎn)，曲軸又分為 普通型和圓盤形兩種。對(duì)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，整體式曲軸用的最多，其中又以采用滑 動(dòng)軸承的占絕大多數(shù)。曲軸的不同結(jié)構(gòu)型式，會(huì)使整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)有很大的變化， 還會(huì)涉及到曲軸的制造方法與成本。所以要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的用途、要求和制造條件來(lái) 考慮。本文選用多支承式滑動(dòng)軸承整體式曲軸。 2.32.3 曲軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)曲軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 曲軸的結(jié)構(gòu)形式有很多種。從結(jié)構(gòu)上可分為整體式曲軸和組合式曲軸；主從軸 承可分為滑動(dòng)軸承式曲軸和滾動(dòng)軸承式曲軸；根據(jù)曲柄臂的特點(diǎn)，曲軸又分為普通 型和圓盤形兩種

18、。對(duì)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，整體式曲軸用的最多，其中又以采用滑動(dòng)軸 承的占絕大多數(shù)。曲軸的不同結(jié)構(gòu)型式，會(huì)使整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)有很大的變化，還會(huì) 涉及到曲軸的制造方法與成本。所以要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的用途、要求和制造條件來(lái)考慮。 本文選用多支承式滑動(dòng)軸承整體式曲軸6。 （a）整體式 （b） 組合式 1-油道 2-臺(tái)階 圖 2-1 整體式曲軸和組合式曲軸 1-曲軸前端 2-連桿軸頸（曲柄銷） 3-主軸頸 4-曲柄 5-平衡重 6-后端凸緣 圖 2-2 四缸直列式曲軸示意圖 3 3 模態(tài)分析的基本理論模態(tài)分析的基本理論 3.13.1 模態(tài)的概念模態(tài)的概念 模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性。用于反映模態(tài)特征的參數(shù)，如固有頻

19、率、阻 尼比和模態(tài)振型。每一階模態(tài)都擁有與其相對(duì)的模態(tài)參數(shù)，各階模態(tài)的疊加就是結(jié) 構(gòu)固有振動(dòng)特性的全貌。 模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的一種近代分析方法?；诰€形疊加原理，一個(gè) 結(jié)構(gòu)的復(fù)雜振動(dòng)是由無(wú)數(shù)階模態(tài)疊加的結(jié)果，其中有對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)起主要作用的模態(tài)， 也有對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)影響很小的模態(tài)。顯然必須應(yīng)用某種方法找出那些主要的模態(tài)，以 便了解結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的實(shí)質(zhì)，這種方法就是模態(tài)分析。振動(dòng)模態(tài)是彈性結(jié)構(gòu)的固有 的、整體的特性。如果通過(guò)模態(tài)分析方法搞清楚了結(jié)構(gòu)物在某一易受影響的頻率范 圍內(nèi)各階主要模態(tài)的特性，就可能預(yù)言結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)在外部或內(nèi)部各種振源作用 下實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)。因此，模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及設(shè)備的

20、故障診斷的重要方法。 3.23.2 模態(tài)分析方法模態(tài)分析方法 模態(tài)分析方法分為理論（解析）模態(tài)分析和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析其中)理論（解析）模 態(tài)分析或稱模態(tài)分析的理論過(guò)程，是指以線形振動(dòng)理論、有限元理論及方法（也可 包括傳遞矩陣?yán)碚摷胺椒ǎ榛A(chǔ)，以計(jì)算機(jī)及工程分析軟件（CAE）為手段，以建 立研究對(duì)象物理參數(shù)及求解其動(dòng)態(tài)特性為目標(biāo)的研究激勵(lì)、系統(tǒng)，響應(yīng)三者之間關(guān) 系的模態(tài)分析如圖所示。理論模態(tài)分析實(shí)際上是一種理論建模及分析過(guò)程，其實(shí)施 過(guò)程： 1)運(yùn)用有限元理論及方法或其他方法（如集中參數(shù)法或傳遞矩陣法等）對(duì)振動(dòng) 結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散、分析、再綜合成整體，以建立其有限元理論模型，即建立有限元運(yùn) 動(dòng)微分方程。

21、 2)一般在比例阻尼和無(wú)阻尼的假設(shè)條件下，建立有限元理論模型的特征問(wèn)題的 數(shù)學(xué)模型，用各種近似方法（如子空間迭待法等）求解其特征值和特征向量，進(jìn)而 運(yùn)用線形振動(dòng)理論建立其模態(tài)參數(shù)模型。 3)根據(jù)模態(tài)參數(shù)模型，求其頻率響應(yīng)函數(shù)（或傳遞函數(shù)）、脈沖響應(yīng)函數(shù)，就 可導(dǎo)出其非參數(shù)模型。4)理論模型的工程應(yīng)用7。 3.33.3 有限元法有限元法 有限元法（FiniteElement Method）始于本世紀(jì)四十年代初期，有限元方法的 基本思想是將結(jié)構(gòu)離散化，用有限個(gè)容易分析的單元來(lái)表示復(fù)雜的對(duì)象，單元之間 通過(guò)有限個(gè)節(jié)點(diǎn)相互連接，由于單元的數(shù)目是有限的，節(jié)點(diǎn)的數(shù)目也是有限的，所 以稱為有限元法。有限元理

22、論的發(fā)展為精確而全面地計(jì)算曲軸應(yīng)力提供了條件?？?體來(lái)看，已有的曲軸有限元分析的研究對(duì)象都是針對(duì)某種具體型號(hào)曲軸，而且從模 型和邊界條件的處理上存在較大的差別：在模型方面，二維平面模型和三維計(jì)算模 型的 1/4 或 1/2 拐模型和單拐模型乃至整體曲軸模型都有采用；載荷處理上一般只 考慮了單一受載情況，而忽略了扭矩和慣性力的作用；連桿軸頸表面作用力和主軸 頸約束采用不同的簡(jiǎn)化處理方法。同時(shí)，有限元軟件也層出不窮，目前常用的有： SAP、ANSYS、ADINA、NASTRAN、IDEAS 等8。在美國(guó)、西歐、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家和 物理參數(shù)模型非參數(shù)模型模態(tài)參數(shù) 模型 工程應(yīng)用 地區(qū)有限元分析早已作為

23、一種基本的設(shè)計(jì)手段，尤其是在內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)品開發(fā)中的使用， 大大的推動(dòng)了發(fā)動(dòng)機(jī)工業(yè)的發(fā)展。近幾年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件水平 的提高，發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限元技術(shù)又取得了許多新發(fā)展，由此也帶出了新的研究課 題。 3.43.4 課題研究擬采用的手段課題研究擬采用的手段 應(yīng)用 ANSYS 軟件對(duì) 490Q 柴油機(jī)曲軸進(jìn)行分析 曲軸的工況分析 ANSYS 建模 Pro/e 或其他三維 CAD 軟件建 模 有限元網(wǎng)格劃分 確定邊界條件，施加載荷 三維有限元計(jì)算，求解前十二階固有頻率 調(diào)出分析結(jié)果 4 4 ANSYSANSYS 簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介 ANSYS 是一種廣泛的商業(yè)套裝工程分析軟件。所謂工程分析軟件，主要是在機(jī) 械結(jié)構(gòu)

24、系統(tǒng)受到外力負(fù)載所出現(xiàn)的反應(yīng)，例如應(yīng)力、位移、溫度等，根據(jù)該反應(yīng)可 知道機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力負(fù)載后的狀態(tài)，進(jìn)而判斷是否符合設(shè)計(jì)要求。一般機(jī)械 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，受的負(fù)載也相當(dāng)多，理論分析往往無(wú)法進(jìn)行。想要 解答，必須先簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，采用數(shù)值模擬方法分析。由于計(jì)算機(jī)行業(yè)的發(fā)展，相應(yīng)的 軟件也應(yīng)運(yùn)而生，ANSYS 軟件在工程上應(yīng)用相當(dāng)廣泛，在機(jī)械、電機(jī)、土木、電子 及航空等領(lǐng)域的使用，都能達(dá)到某種程度的可信度，頗獲各界好評(píng)。使用該軟件， 能夠降低設(shè)計(jì)成本，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。 到 80 年代初期，國(guó)際上較大型的面向工程的有限元通用軟件主要有：ANSYS, NASTRAN, ASKA, ADINA,

25、 SAP 等。以 ANSYS 為代表的工程數(shù)值模擬軟件，是一個(gè)多 用途的有限元法分析軟件，它從 1971 年的 2.0 版本與今天的 5.7 版本已有很大的不 同，起初它僅提供結(jié)構(gòu)線性分析和熱分析，現(xiàn)在可用來(lái)求結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁 場(chǎng)及碰撞等問(wèn)題的解答。它包含了前置處理、解題程序以及后置處理，將有限元分 析、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，已成為現(xiàn)代工程學(xué)問(wèn)題必不可少的有力工具。 4.14.1 ANSYSANSYS 軟件主要功能軟件主要功能 ANSYS 軟件是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元軟件，可 廣泛的用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、汽車交通、國(guó) 防

26、軍工、電子、土木工程、生物醫(yī)學(xué)、水利、日用家電等一般工業(yè)及科學(xué)研究。該 軟件提供了不斷改進(jìn)的功能清單，具體包括：結(jié)構(gòu)高度非線性分析、電磁分析、計(jì) 算流體力學(xué)分析、設(shè)計(jì)優(yōu)化、接觸分析、自適應(yīng)網(wǎng)格劃分及利用 ANSYS 參數(shù)設(shè)計(jì)語(yǔ) 言擴(kuò)展宏命令功能。 4.24.2 ANSYSANSYS 軟件主要特點(diǎn)軟件主要特點(diǎn) 主要技術(shù)特點(diǎn)： 唯一能實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)及多場(chǎng)耦合分析的軟件 唯一實(shí)現(xiàn)前后處理、求解及多場(chǎng)分析統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)的一體化大型 FEA 軟件 唯一具有多物理場(chǎng)優(yōu)化功能的 FEA 軟件 唯一具有中文界面的大型通用有限元軟件 強(qiáng)大的非線性分析功能 多種求解器分別適用于不同的問(wèn)題及不同的硬件配置 支持異種、異構(gòu)平臺(tái)

27、的網(wǎng)絡(luò)浮動(dòng)，在異種、異構(gòu)平臺(tái)上用戶界面統(tǒng)一、數(shù)據(jù) 文件全部兼容 強(qiáng)大的并行計(jì)算功能支持分布式并行及共享內(nèi)存式并行 多種自動(dòng)網(wǎng)格劃分技術(shù) 良好的用戶開發(fā)環(huán)境 支持的圖形傳遞標(biāo)準(zhǔn)： SAT Parasolid STEP 與 CAD 軟件的接口 Unigraphics Pro/ENGINEER I-Deas Catia CADDS SolidEdge SolidWorks 4.34.3 運(yùn)行環(huán)境（運(yùn)行環(huán)境（ANSYS10.0ANSYS10.0） Computer: Pentium-class system Memory (RAM): 64 MB以上 Hard Disk: 500MB以上自由空間. O

28、perating System: Microsoft Windows 2000, Windows NT 4.0 (SP 5 or higher) or Windows 98 Graphics: A Windows 2000/NT 4.0 or 98 supported Graphics Card, capable of 1024x768 in High Color (16-bit).A 17 inch monitor (or larger) compatible with the above mentioned card is recommended9. 5 5 ANSYSANSYS 的基本使

29、用的基本使用 5.15.1 ANSYSANSYS 環(huán)境簡(jiǎn)介環(huán)境簡(jiǎn)介 ANSYS有兩種模式：一種是交互模式（Interactive Mode），另一個(gè)是非交互模 式（Batch Mode）。交互模式是初學(xué)者和大多數(shù)使用者所采用，包括建模、保存文 件、打印圖形及結(jié)果分析等，一般無(wú)特別原因皆用交互模式。但若分析的問(wèn)題要很 長(zhǎng)時(shí)間，如一、兩天等，可把分析問(wèn)題的命令做成文件，利用它的非交互模式進(jìn)行 分析。 運(yùn)行該程序一般采用 Interactive 進(jìn)入，這樣可以定義工作名稱，并且存放到 指定的工作目錄中。若使用 Run Interactive Now 進(jìn)入還需使用命令定義工作文件 名或使用默認(rèn)的文件名

30、，使用該方式進(jìn)入一般是為恢復(fù)上一次中斷的分析。所以在 開始分析一個(gè)問(wèn)題時(shí)，建議使用 Interactive 進(jìn)入交互模式。 進(jìn)入系統(tǒng)后會(huì)有6個(gè)窗口，提供使用者與軟件之間的交流，憑借這6個(gè)窗口可以 非常容易的輸入命令、檢查模型的的建立、觀察分析結(jié)果及圖形輸出與打印。整個(gè) 窗口系統(tǒng)稱為GUIGUI(G Graphical U User I Interface).如圖2-1所示。 各窗口的功能如下： 1. 應(yīng)用命令菜單（Utility Menu）：包含各種應(yīng)用命令，如文件控制（File）、 對(duì)象選擇（Select）、資料列式（List）、圖形顯示（Pplot）、圖形控制 （PlotCtrls）、工作

31、界面設(shè)定（WorkPlane）、參數(shù)化設(shè)計(jì)（Parameers）、 宏命令（Macro）、窗口控制（MenuCtrls）及輔助說(shuō)明（Help）等。 2. 主菜單（Main Menu）：包含分析過(guò)程的主要命令，如建立模塊、外力負(fù)載、 邊界條件、分析類型的選擇、求解過(guò)程等。 3. 工具欄（Toolbar）：執(zhí)行命令的快捷方式，可依照各人愛(ài)好自行設(shè)定。 4. 輸入窗口（Input Window）：該窗口是輸入命令的地方，同時(shí)可監(jiān)視命令的 歷程。 5. 圖形窗口（Graphic Window）：顯示使用者所建立的模塊及查看結(jié)果分析。 6. 輸出窗口（Output Window）：該窗口敘述了輸入命令執(zhí)

32、行的結(jié)果。 圖5-1 ANSYS的操作界面 5.25.2 有限元法的基本構(gòu)架有限元法的基本構(gòu)架 目前在工程領(lǐng)域內(nèi)常用的數(shù)值模擬方法有：有限元法、邊界元法、離散單元法和 有限差分法，就其廣泛性而言，主要還是有限單元法。它的基本思想是將問(wèn)題的求解 域劃分為一系列的單元，單元之間僅靠節(jié)點(diǎn)相連。單元內(nèi)部的待求量可由單元節(jié)點(diǎn)量 通過(guò)選定的函數(shù)關(guān)系插值得到。由于單元形狀簡(jiǎn)單，易于平衡關(guān)系和能量關(guān)系建立節(jié) 點(diǎn)量的方程式，然后將各單元方程集組成總體代數(shù)方程組，計(jì)入邊界條件后可對(duì)方程 求解。 有限元的基本構(gòu)成： 1.節(jié)點(diǎn)（Node）：就是考慮工程系統(tǒng)中的一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)位置，構(gòu)成有限元系 統(tǒng)的基本對(duì)象。具有其物理意

33、義的自由度，該自由度為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力 后，系統(tǒng)的反應(yīng)。 2.2.元素（Element）：元素是節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)相連而成，元素的組合由各節(jié)點(diǎn)相 互連接。不同特性的工程統(tǒng)，可選用不同種類的元素，ANSYS提供了一百 多種元素，故使用是必須慎重選則元素型號(hào)。 3.3.自由度（Degree Of Freedom）：上面提到節(jié)點(diǎn)具有某種程度的自由度， 以表示工程系統(tǒng)受到外力后的反應(yīng)結(jié)果。要知道節(jié)點(diǎn)的自由度數(shù)，請(qǐng)查看 ANSYS自帶的幫助文檔（Help/Element Refrence），那里有每種元素類型 的詳盡介紹。 5.35.3 ANSYSANSYS 架構(gòu)及命令架構(gòu)及命令 ANSYS 構(gòu)架分為兩層，一是

34、起始層（Begin Level），二是處理層（Processor Level）。這兩個(gè)層的關(guān)系主要是使用命令輸入時(shí)，要通過(guò)起始層進(jìn)入不同的處理器。 處理器可視為解決問(wèn)題步驟中的組合命令，它解決問(wèn)題的基本流程敘述如下： 1. 前置處理（General Preprocessor, PREP7） 1） 建立有限元模型所需輸入的資料，如節(jié)點(diǎn)、坐標(biāo)資料、元素內(nèi)節(jié)點(diǎn)排列 次序 2） 材料屬性 3） 元素切割的產(chǎn)生 2. 求解處理（Solution Processor, SOLU） 1） 負(fù)載條件 2） 邊界條件及求解 3. 后置處理（General Postprocessor, POST1 或 Time

35、Domain Postprocessor, POST26） POST1 用于靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析、屈曲分析及模態(tài)分析，將解題部分所得的解答 如：變位、應(yīng)力、反力等資料，通過(guò)圖形接口以各種不同表示方式把等位移圖、 等應(yīng)力圖等顯示出來(lái)。POST26 僅用于動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)分析，用于與時(shí)間相關(guān)的時(shí)域處 理。 5.45.4 典型的分析過(guò)程典型的分析過(guò)程 ANSYS 分析過(guò)程包含三個(gè)主要的步驟： 1. 創(chuàng)建有限元模型 1）創(chuàng)建或讀入限元模型 2）定義材料屬性 3）劃分網(wǎng)格 2. 施加載荷并求解 1）施加載荷及設(shè)定約束條件 2）求解 3. 查看結(jié)果 1）查看分析結(jié)果 2）檢查結(jié)果是否正確 5.55.5 ANSYSANSY

36、S 文件及工作文件名文件及工作文件名 ANSYS 在分析過(guò)程中需要讀寫文件，文件格式為 jobname.ext，其中 jobname 是 設(shè)定的工作文件名，ext 是由 ANSYS 定義的擴(kuò)展名，用于區(qū)分文件的用途和類型， 默認(rèn)的工作文件名是 file。ANSYS 分析中有一些特殊的文件，其中主要的幾個(gè)是數(shù) 據(jù)庫(kù)文件 jobname.db、記錄文件 jobname.log、輸出文件 jobname.out、錯(cuò)誤文件 jobname.err、結(jié)果文件 jobname.rxx 及圖形文件 jobname.grph。 5.65.6 圖形控制圖形控制 圖形在校驗(yàn)前處理的數(shù)據(jù)和后處理中檢查結(jié)果者是非常重

37、要的。ANSYS 的圖形常用 功能如下： 在實(shí)體模型和有限元模型上邊界條件顯示 計(jì)算結(jié)果的彩色等值線顯示 可以對(duì)視圖進(jìn)行放大、縮小、平移、旋轉(zhuǎn)等操作 用于實(shí)體顯示的橡皮筋技術(shù) 多窗口顯示 隱藏線、剖面及透視顯示 邊緣顯示 變形比率控制 三維內(nèi)直觀化顯示 動(dòng)畫顯示 窗口背影的選擇 以上功能利用 GUI 可方便實(shí)現(xiàn)，如打開圖形控制窗口（Utility MenuPlotCtrlsPanPan,Zoom,Rotate） 可對(duì)圖形進(jìn)行放大、縮小、平移、旋轉(zhuǎn)等操作。也可通過(guò)鍵盤各三鍵鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)上操 作，同時(shí)按下 Ctrl 鍵和鼠標(biāo)左鍵并拖移可實(shí)現(xiàn)視圖的平移；同時(shí)按下 Ctrl 鍵和鼠 標(biāo)中鍵并拖移可實(shí)現(xiàn)視圖

38、的縮放各 Z 向旋轉(zhuǎn)（上下拖動(dòng)實(shí)現(xiàn)縮放，左右實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)）； 同時(shí)按下 Ctrl 鍵和鼠標(biāo)中鍵并拖移可實(shí)現(xiàn)視圖的 X 及 Y 向旋轉(zhuǎn)。 5.75.7 ANSYSANSYS 中的有限元分析步驟中的有限元分析步驟 1. 前處理 前處理是指創(chuàng)建實(shí)體模型及有限元模型。它包括建立實(shí)體模型、定義單元屬性、 劃分網(wǎng)格、模型修正等幾個(gè)方面的內(nèi)容。與 CAD 相類似，ANSYS 以數(shù)學(xué)的方式表達(dá) 結(jié)構(gòu)的幾何形狀，可以在里面劃分節(jié)點(diǎn)和單元，還可以在幾何模型邊界上方便地施 加載荷，但是實(shí)體模型并不參與 ANSYS 的計(jì)算過(guò)程，而是 ANSYS 把施加在實(shí)體模型 邊界上的載荷或者約束傳遞到有限元模型上進(jìn)行最終的求解。 （

39、1） 建模 建立模型在整個(gè)分析過(guò)程中所花費(fèi)的時(shí)間應(yīng)該遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于其它過(guò)程。首先必須指 定作業(yè)名和分析標(biāo)題（也可使用 ANSYS 軟件默認(rèn)的作業(yè)名和標(biāo)題，但不推薦這樣做） ，然后使用 PREP7（預(yù)處理）處理器定義單元類型、單元實(shí)常數(shù)、材料特性和幾何 模型。ANSYS 程序的單元庫(kù)中有超過(guò) 100 多種的不同單元類型，每一種單元類型都 有自己特定的編號(hào)和單元類型名；當(dāng)為材料選擇了劃分網(wǎng)格的單元類型時(shí)，接下來(lái) 應(yīng)該輸入與此單元類型相關(guān)的單元常數(shù)。單元類型的實(shí)常數(shù)是根據(jù)所選的單元類型 而定的；大多數(shù)單元類型在分析時(shí)都要指定材料特性，ANSYS 程序可以選擇的材料 特性有：線性或非線性、各向同性、正交異性

40、或非彈性、不隨溫度而變化或隨著問(wèn) 題變化；接下來(lái)就可以創(chuàng)建幾何模型，ANSYS 中提供兩種創(chuàng)建有限元模型的方法： 實(shí)體建模和直接生成?？梢愿鶕?jù)自己的需要選擇合適的方式來(lái)生成有限元模型。 雖然 ANSYS 軟件的前處理模塊具有建模功能，但與其他 CAD 軟件相比，其功能 還不夠強(qiáng)大，對(duì)于一些形狀較復(fù)雜的模型，建構(gòu)起來(lái)還非常困難。因此，設(shè)置了與 多種 CAD 軟件如 Pro/E、UG、AutoCAD 等的數(shù)據(jù)交換接口。通過(guò)這個(gè)接口，可以把模 型直接傳入 ANSYS 中，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，加載求解等過(guò)程，此種方法適用于一些 復(fù)雜的三維實(shí)體模型12。 （2） 網(wǎng)格劃分 在 ANSYS 程序當(dāng)中，網(wǎng)格劃

41、分是在幾何模型建立好之后，最終進(jìn)行求解之前完 成的，也就是說(shuō)，它既可以放在加載之前，也可以放在加載之后。在 ANSYS 中，有 限元的網(wǎng)格是由程序自己來(lái)完成的，用戶所要做的就是通過(guò)給出一些參數(shù)與命令來(lái) 對(duì)程序?qū)嵭小昂暧^調(diào)控”?？偟膩?lái)說(shuō)，ANSYS 的網(wǎng)格劃分有兩種。第一種是自由劃 分網(wǎng)格（Free meshing），主要用于劃分邊界形狀不規(guī)則的區(qū)域，它所生成的網(wǎng)格 相互之間是呈不規(guī)則的排列的。常常對(duì)于復(fù)雜形狀的邊界選擇自由劃分網(wǎng)格。它的 缺點(diǎn)是分析精度往往不夠高。第二種是映射網(wǎng)格劃分（Mapped Meshing），該方法 是將規(guī)則的形狀（如正方形，三棱柱等）映射到不規(guī)則的區(qū)域（如畸變的四邊形

42、、 底面不是正多邊形的棱柱等）上面，它所生成的網(wǎng)格相互之間是呈規(guī)則的排列的， 分析的精度也很高。但是，它要求劃分區(qū)域滿足一定的拓?fù)錀l件，否則就不能進(jìn)行 映射網(wǎng)格劃分。而且該方法對(duì)于復(fù)雜形狀的邊界模擬能力較自由劃分網(wǎng)格差。在非 邊界區(qū)域盡可能地采用映射網(wǎng)格劃分，只有對(duì)于形狀復(fù)雜的邊界才采用自由劃分網(wǎng) 格。當(dāng)然，對(duì)于精度條件不是很高的情況下，且沒(méi)有足夠的時(shí)間，不妨采用自由劃 分網(wǎng)格。 在對(duì)模型劃分網(wǎng)格之前，甚至在建立模型之前，確定是采用自由（free）網(wǎng)格 還是采用映射（mapped）網(wǎng)格進(jìn)行分析是十分重要的。自由網(wǎng)格對(duì)于單元形狀沒(méi)有 限制，并且對(duì)模型沒(méi)有特定的要求。與自由網(wǎng)格相比，映射網(wǎng)格對(duì)其包

43、含的單元形 狀有限制，而且要求幾何模型必須滿足特定的規(guī)則。 在 ANSYS 程序的前處理當(dāng)中有功能強(qiáng)大的自動(dòng)劃分網(wǎng)格模塊（MeshTool）,我們 可以通過(guò)該功能快捷有效地將幾何模型轉(zhuǎn)化為物理模型（單元）。在 MeshTool 選項(xiàng) 下面，有絕大部分常用的網(wǎng)格劃分功能，至于完整的網(wǎng)格劃分功能，則都包含在 Meshing 里面13。 ANSYS 中有限元網(wǎng)格劃分過(guò)程包括 3 個(gè)步驟：1）定義單元屬性；2）設(shè)置網(wǎng)格 控制；3）生成網(wǎng)格。 對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，從理論上來(lái)講是任意的，但在實(shí)際工作中 必須考慮到現(xiàn)實(shí)性及經(jīng)濟(jì)性，因而在劃分時(shí)，必須遵循下列原則： （1） 所選用的單元不應(yīng)使受力狀

44、態(tài)失真； （1） 結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化應(yīng)確保所需要的計(jì)算精度； （2） 盡可能利用對(duì)稱性、重復(fù)性，從而壓縮所需的計(jì)算機(jī)內(nèi)存量，減少計(jì)算 時(shí)間； （4） 要選擇恰當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型，保證計(jì)算精度，減少計(jì)算時(shí)間，降低計(jì)算費(fèi)用。 2. 加載 對(duì)有限元模型的加載有兩層含義：一是加約束，二是加載荷。根據(jù)受力分析， 對(duì)已經(jīng)劃分完網(wǎng)格的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，模擬真實(shí)情況下實(shí)體所受到的約束與載荷。 ANSYS 中大多數(shù)載荷既可施加于實(shí)體模型（關(guān)鍵點(diǎn)、線和面）上也可以施加于有限 元模型（節(jié)點(diǎn)和單元）上。但 ANSYS 的求解期期望所有載荷應(yīng)該依據(jù)有限元模型， 因此，如果將載荷施加于實(shí)體模型，在開始求解時(shí)，ANSYS 會(huì)自動(dòng)將這些載

45、荷轉(zhuǎn)換 到節(jié)點(diǎn)和單元上，當(dāng)然也可以通過(guò)命令轉(zhuǎn)換。 在求解前，要定義好材料特性，預(yù)定義的材料特性為： 彈性模量:E 泊松比: 密度： 載荷施加于實(shí)體模型上有如下優(yōu)點(diǎn)： 實(shí)體模型載荷獨(dú)立于有限元網(wǎng)格。所以可以改變單元網(wǎng)格而不必改變施加 的載荷 。 與有限元模型相比，實(shí)體模型通常包括較少的實(shí)體（點(diǎn)線面圖元相對(duì)于節(jié) 點(diǎn)和 元來(lái)講要少許多）。因此，選擇實(shí)體模型的實(shí)體并在這些實(shí)體上施加 載荷要容易得多，尤其是通過(guò) GUI 操作時(shí)。 載荷施加于實(shí)體模型上有如下缺點(diǎn)： ANSYS 網(wǎng)格劃分命令生成的單元處于當(dāng)前激活的單元坐標(biāo)系中。網(wǎng)格劃分命 令生成的節(jié)點(diǎn)使用整體笛卡兒坐標(biāo)系。因此，實(shí)體模型和有限元模型可能 具

46、有不同的坐標(biāo)系，加載的方向也會(huì)因此而不同。 在縮減分析中，實(shí)體模型載荷不是很方便，此時(shí)，載荷施加于主自由度 （只能 節(jié)點(diǎn)而不能在關(guān)鍵點(diǎn)定義主自由度）。 不能顯示所有實(shí)體模型載荷。 如前所述，在開始求解時(shí)，實(shí)體模型載荷將自動(dòng)轉(zhuǎn)換到有限元模型。ANSYS 將 改寫任何已存在于對(duì)應(yīng)有限元實(shí)體上的載荷。 載荷施加于有限元模型有如下優(yōu)點(diǎn)： 在縮減分析中，可將載荷直接施加在主節(jié)點(diǎn)。 缺點(diǎn)： 任何對(duì)于有限元網(wǎng)格的修改都將使載荷無(wú)效，需要?jiǎng)h除先前的載荷并在新 網(wǎng)格重新施加載荷。 不便使用圖形拾取施加載荷。除非僅包含幾個(gè)節(jié)點(diǎn)或單元。 3. 后處理 后處理是指檢查并分析求解的結(jié)果的相關(guān)操作。這是分析中最重要的一環(huán)

47、之一， 因?yàn)槿魏畏治龅淖罱K目的都是為了研究作用在模型上的載荷是如何影響設(shè)計(jì)的。檢 查分析結(jié)果可使用兩個(gè)后處理器：POST1（通用后處理器）和 POST26（時(shí)間歷程后 處理器）。 POST1 允許檢查整個(gè)模型在某一載荷步和子步（或某一特定時(shí)間點(diǎn)或頻率）的 結(jié)果。 POST26 可以檢查模型的指定節(jié)點(diǎn)的某一結(jié)果項(xiàng)相對(duì)于時(shí)間、頻率或其他結(jié)果項(xiàng) 的變換。 需要注意的是 ANSYS 的后處理器僅是用于檢查分析結(jié)果的工具。要判斷 一個(gè)分析的結(jié)果是否正確，或者對(duì)結(jié)果進(jìn)行解釋，仍然需要工程判斷能 力。 6 6 ANSYSANSYS 中的模態(tài)分析中的模態(tài)分析 6.16.1 模態(tài)分析的定義模態(tài)分析的定義 模態(tài)分

48、析用于確定設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)或機(jī)器部件的振動(dòng)特性(固有頻率和振型)，即結(jié)構(gòu) 的固有頻率和振型，它們是承受動(dòng)態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。同時(shí)，也可以作 為其他動(dòng)力學(xué)分析問(wèn)題的起點(diǎn)，例如瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、諧響應(yīng)分析和譜分析。其中 模態(tài)分析也是進(jìn)行譜分析或模態(tài)疊加法譜響應(yīng)分析或瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析所必需的前期 分析過(guò)程。 ANSYS 的模態(tài)分析可以對(duì)有預(yù)應(yīng)力的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析和循環(huán)對(duì)稱結(jié)構(gòu)模態(tài)分 析。前者有旋轉(zhuǎn)的渦輪葉片等模態(tài)分析，后者則允許在建立一部分循環(huán)對(duì)稱結(jié)構(gòu)的 模型來(lái)完成對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析。ANSYS6.1 中的模態(tài)分析是一個(gè)線性分析。任 何非線性特性，如塑性和接觸(間隙)單元，即使定義了也將被忽略。 6.

49、26.2 模態(tài)提取方法模態(tài)提取方法 典型的無(wú)阻尼模態(tài)分析求解的基本方程是經(jīng)典的特征值問(wèn)題： iiiMK=2 其中： K剛度矩陣， i第 i 階模態(tài)的振型向量(特征向量)， i第 I 階模態(tài)的固有頻率(是特征值)， 2i M質(zhì)量矩陣 有許多數(shù)值方法可用于求解上面的方程。ANSYS6.1 提供了 7 種模態(tài)提取方法。 它們是： Block Lanczos (分塊蘭索斯)法 分塊蘭索斯(Block Lanczos)法特征值求解器采用 Lanczos 算法，Lanczos 算法是 用一組向量來(lái)實(shí)現(xiàn) Lanczos 遞歸計(jì)算。當(dāng)計(jì)算某系統(tǒng)特征值譜所包含一定范圍的固 有頻率時(shí)，采用分塊蘭索斯(Block

50、Lanczos)法提取模態(tài)特別有效。計(jì)算時(shí)，求解從 頻率譜中間位置到高頻端范圍內(nèi)的固有頻率時(shí)的求解收斂速度和求解低階頻率時(shí)基 本上一樣快。其特別適用于大型對(duì)稱特征值求解問(wèn)題。 Subspace (子空間)法 Subspace（子空間）法使用子空間迭代技術(shù)，它內(nèi)部使用廣義的 Jacobi 迭代算法， 主要適用于大型對(duì)稱特征值求解問(wèn)題?？梢杂脦追N求解控制選項(xiàng)來(lái)控制子空間 迭代過(guò)程。 Powerdynamics 法 PowerDynamics 法適用于非常大的模型（100,000 個(gè)自由度以上）。此法特別適 合于只求解結(jié)構(gòu)前幾階模態(tài)以了解結(jié)構(gòu)將如何響應(yīng)的情形，接著可以選擇合適的提 取方法（Subsp

51、ace 或 Block Lanczos）求得最終的解。這種方法自動(dòng)采用集中質(zhì)量 （LUMPM,ON）。當(dāng)在批處理或命令方式中使用 PowerDynamics 方法時(shí)，首先應(yīng)該 用命令 MODOPT,SUBSPACE，接著再用命令 EQSLV,PCG。 Reduced (縮減)法 Reduced 法比 Subspace 法快，因?yàn)樗褂昧丝s減的系統(tǒng)矩陣采計(jì)算解。但是由 于縮減質(zhì)量矩陣是近似矩陣，此法的精度較低。 Unsymmetric (非對(duì)稱)法 Unsymmetric 法用于系統(tǒng)矩陣為非對(duì)稱矩陣的問(wèn)題，例如流體結(jié)構(gòu)相互作用問(wèn) 題。 Damped (阻尼)法 Damped 法用于阻尼不可忽略的

52、問(wèn)題，例如軸承問(wèn)題。 QR Damped (QR 阻尼)法 QR Damped (QR 阻尼)法最關(guān)鍵的思想是，以線性合并無(wú)阻尼系統(tǒng)少量數(shù)目的特 征向量近似表示前幾階復(fù)阻尼特征值。采用實(shí)特征值求解無(wú)阻尼振型之后，運(yùn)動(dòng)方 程將轉(zhuǎn)化到模態(tài)坐標(biāo)系。然后，采用 QR 阻尼法，一個(gè)相對(duì)較小的特征值問(wèn)題就可 以在特征子空間中求解出來(lái)了。 該方法能夠很好地求解大阻尼系統(tǒng)模態(tài)解。由于該方法的計(jì)算精度取決于提取 的模態(tài)數(shù)目，所以建議提取足夠多的基頻模態(tài)，這樣才能保證得到好的計(jì)算結(jié)果。 在大多數(shù)分析過(guò)程中將選用 Subspace 法、Reduced 法、Block Lanczos 法或 PowerDynamics

53、 法。Unsymmetric 法和 Damped 法只在特殊情形下會(huì)用到。在指定某 種模態(tài)提取方法后，ANSYS 會(huì)自動(dòng)選擇合適的方程求解器。在 ANSYS/Linear Plus 中 Unsymmetric 法和 Damped 法不可用16. 7 7 490Q490Q 柴油機(jī)曲軸柴油機(jī)曲軸自由模態(tài)的分析自由模態(tài)的分析 1）采用 ANSYS 由底向上建模法直接建模 2）對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分 3）采用模態(tài)分析 Block Lanczos (分塊蘭索斯)法進(jìn)行求解 7.17.1 幾何建模幾何建模 采用 ANSYS 由底向上法直接建模。 第 1 步：設(shè)定分析范圍 1 選取菜單 Mainpreferen

54、ce 2 如圖 7-1，單擊 Structure 選項(xiàng)使之為 ON,單擊 OK。 圖 7-1 第 2 步 定義單元類型 1選取菜單途徑 MainMenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete 2Element Types 對(duì)話框出現(xiàn)。 3單擊 Add。Library of Element Type 對(duì)話框出現(xiàn)。 4在左邊的滾動(dòng)條框中單擊“Structural Solid”. 5在右邊的滾動(dòng)框中單擊“TET 10node 92”. 6單擊 Apply. 7單擊 OK。 8單擊 Element Type 對(duì)話框中的 Close 按紐。 第 3 步：指定材料性

55、能 1選取菜單途徑 Main MenuPreprocessorMaerial PropsMaterial Models, 對(duì)話框出現(xiàn)。 2在對(duì)話框中分別單擊 Isotropic 和 Density。 在兩個(gè)對(duì)話框中分別輸入 EX 為 2E+011，PEXY 為 0.29，DENS 為 7158。 圖 7-2 第 4 步：生成關(guān)鍵點(diǎn)建模 1 選取菜單途徑 Main MenuPreprocessorModeling CreatKeypointsIn Active CS 生成下列關(guān)鍵點(diǎn)： （0，-84，0） （0，-75，-35） （0，-60，-58） （0，-26，-58） （0，-8，-46）

56、 （0，80，-18） (0,84,-9) (0,84,0) (9,80,- 18) (0,-18,-50)。2 選取菜單途徑 MainMenuPreprocessorModeling CreatLinesStraight Line(Splines)將關(guān)鍵點(diǎn)連接起來(lái)，其后圖形如圖所示： 圖 7-3 3 選 取菜單途徑 Main MenuPreprocessorModelingCreatAreasArbitraryBy Lines,選擇 pick all,OK 完成。 4 選取菜單途徑 MainMenuPreprocessorModelingOperateAreasAlong Normoal,選

57、 擇創(chuàng)建面，輸入擴(kuò)展距離 20。 圖 7-4 5 選取映射命令（MenuPreprocessorModelingOperateReflectVolumes）,在 出現(xiàn)的 Reflext Volumes 菜單中選取 Pick All,選取 X-Y Plane Z 進(jìn)行映射。 圖 7-5 6 按照步驟 1 生成關(guān)鍵點(diǎn)（7，84，0）、（20，46，46）、（20，54，0）、 （9，50，6），再用 Splines 命令將個(gè)點(diǎn)連接起來(lái)。 7 選擇 Main MenuPreprocessorModelingCreatLinesLine Fillet 建立倒角， 分別是 8cm 和 20cm. 8 選

58、取 MenuPreprocessorModelingOperateBooleansAddLines 將倒角直線 連成一體，選取 Main MenuPreprocessorModelingCreatAreasBy Lines 生成剖 面 A1。 9 采用命令 Main MenuPreprocessorModelingCreatVolumesArbitaryBy Areas 選取所建剖面與該剖面底部各面， 生成體 V1。 10 采用 Main MenuPreprocessorModelingOperateDelete，將原來(lái)的體塊刪 除。生成的體如圖： 圖 7-6 11 按照步驟 1 生成關(guān)鍵點(diǎn)（

59、20，0，0）（20，35,0）(37，35,0)（37，0，0）， 創(chuàng)建 Lines,采用 Line Fillet 生成 3.5 的倒角。 12 采用 Main MenuPreprocessorModelingCreatAreasBy Lines，生成面 A2， 采用 Main MenuPreprocessorModelingOperateExtrudeAreasAbout Axis，選取 A2，選擇繞 X 軸旋轉(zhuǎn) 360 度，得到一半的主軸頸，如圖所示： 圖 7-7 按同樣的方法生成一半的連桿軸頸。 13 采用 WorkPlane 創(chuàng)建臨時(shí)工作平面:點(diǎn)選 Display Working P

60、lane，使之為 ON.在 WP Setting 中選擇 Grid and Triad,其它的保持默認(rèn)，選擇 Offset WorkingPlane By Increment。 圖 7-8 14 沿-X 方向平移臨時(shí)工作平面 17，采用映射命令按 Y-Z Plane X 進(jìn)行映射。沿- Y 方向平移臨時(shí)工作平面 18(在 XY,YZ，ZX Angles 輸入 0，-18，0)。 15 采用 Mian MenuPreprocessorModelingOperateBooleansDivideVolu by wrkplane 將映射后所得平衡塊體進(jìn)行切分，刪除下部分，再根據(jù)臨時(shí)工作平面將曲臂 按