ansys動力分析之模態(tài)設計

Ansys

機械設計動力分析青島大學信息工程學院*內(nèi)容提要 本章介紹動力分析。在實際工程結(jié)構的設計工作中，動力學設計和分析是必不可少的一部分，幾乎現(xiàn)代的所有工程結(jié)構都面臨著動力問題。在航空航天、船舶、汽車等行業(yè)，動力學問題更加突出，在這些行業(yè)中將會接觸大量的旋轉(zhuǎn)結(jié)構（例如：軸、輪盤等結(jié)構）。本章重點重點動力分析介紹結(jié)構模態(tài)分析諧響應分析瞬態(tài)響應分析響應譜分析1.動力分析介紹1.1動力分析的類型：通常的動力分析的工作主要有系統(tǒng)的動力特性分析（即求解結(jié)構的固有頻率和振型），和系統(tǒng)在受到一定的載荷時的功力響應分析兩部分構成。根據(jù)系統(tǒng)的特性可分為線性動力分析和非線性動力分析。根據(jù)載荷時間的變化關系可以分為穩(wěn)態(tài)動力分析和瞬態(tài)動力分析。動力學分析動力特性分析動力響應分析線性動力分析非線性動力分析穩(wěn)態(tài)動力分析瞬態(tài)動力分析1.動力分析介紹1.2.

動力分析的分類模態(tài)分析響應分析瞬態(tài)動力分析譜分析1.動力分析介紹第四節(jié)

結(jié)構模態(tài)分析實例4.1.提出問題：

齒輪的工作狀態(tài)是變化的，即動態(tài)的，由于結(jié)構的振動特性決定結(jié)構對于各種動力載荷的響應情況。所以在準備進行其他分析之前，首先要進行模態(tài)分析。齒輪實體圖如下圖所示。標準齒輪模型4.2.建立模型 建立模型包括設定分析作業(yè)名和標題；定義單元類型和實常數(shù)；定義材料屬性；建立幾何模型；劃分有限元網(wǎng)格。4.2.1設定分析作業(yè)名和標題：（1）執(zhí)行Utilitymenu：File>ChangeJobname

命令，將打開ChangeJobname

對話框；（2）在Enternewjobname（輸入新的文件名）文本框中輸入文字“example7-2”，作為

本分析實例的數(shù)據(jù)庫文件名，如圖示：（3）單擊OK完成文件名的修改。（4）執(zhí)行Utilitymenu：File>ChangeTitle命令，打開ChangeTitle（修改標題）對話框； （5）在Enternewtitle（輸入新標題）文本框中輸入文字“dynamicanalysisofagear”，如圖示；單擊OK按鈕完成對標題名的指定；

（6）執(zhí)行UtilityMenu：Plot>Replot

命令，指定的標題“dynamicanalysisofagear”將顯示在窗口圖形的左下角，如圖示：（7）執(zhí)行MainMenu：Preference命令，將打開PreferenceofGUIFiltering（菜單過濾參數(shù)選擇）對話框，選中Structural復選框，單擊ok按鈕。4.2.2.定義單元類型： 在進行有限元分析時，首先根據(jù)分析問題的幾何結(jié)構、分析類型和所分析的問題的精度要求等，選定合適具體分析的單元類型。本例選用二十結(jié)點體單元SOLID186；（1）執(zhí)行MainMenu：Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete命令，將打開ElementType（單元類型）對話框；（2）單擊Add，將打開LibraryofElementType（單元類型庫）；（3）然后再左面列表框中選中Solid選項；在右面的列表框中選擇Brick20node186選項，即選擇了二十結(jié)點體單元SOLID186，如圖示；（4）單擊ok，將SOLID186單元添加，并關閉單元類型對話框；（5）單擊Close，關閉單元類型對話框，結(jié)束單元類型的添加。4.2.3定義實常數(shù)：

本實例中選用三維SOLID186單元，不需要設置其厚度實常數(shù)。4.2.4定義材料屬性：

本例需要考慮慣性力的靜力分析中必須定義材料的彈性模量和密度。（1）執(zhí)行MainMenu：Preprocessor>MaterialProps>MaterialModel命令，將打開DefineMaterialModelBehavior（定義材料模型屬性）窗口。如圖示；（2）依次雙擊Structural>Linear>Elastic>Isotropic，展開材料屬性的樹形結(jié)構，將打開1號材料的彈性模量EX和泊松比PRXY的定義對話框；（3）在彈出對話框輸入彈性模量2.06e11，在RPXY中輸入0.3。單擊ok，并返回到定義材料屬性窗口，在此窗口的左邊一欄出現(xiàn)剛剛定義的參數(shù)號為1的材料的屬性。（4）依次雙擊Structural>Density，打開定義材料密度的對話框，并在DENS文本框中輸入密度值“7.8e3”。單擊ok，關閉對話框，并返回到定義材料屬性窗口，在此窗口的左邊一欄參考號為1的材料屬性下面出現(xiàn)密度項。（5）在DefineMaterialModelBehavior窗口中，執(zhí)行Material>Exit命令，退出此窗口。4.2.5建立齒輪的三維實體模型：

4.2.5.1建立齒輪的一個扇形模型:

（1） 將激活的坐標系設置為總體柱坐標系。 執(zhí)行UtilityMenu：WorkPlane>Change ActiveCSto>GlobalCylindrical

（2）定義一個關鍵點執(zhí)行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>InActiveCS…

在Keypointnumber文本框中輸入1，X=20，Y=0，單擊ok；

（3）定義一個點作為輔助點執(zhí)行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>InActiveCS…

在Keynumber文本框中輸入110，X=16，Y=40，單擊ok；

（4）定義一個點作為輔助點執(zhí)行UtilityMenu：WorkPlane>OffsetWPto>Keypoints+;

在Ansys圖形窗口選擇110號點，單擊ok；偏移工作平面到給定位置后的結(jié)果如圖示；

（5）旋轉(zhuǎn)工作平面執(zhí)行UtilityMenu：WorkPlane>OffsetWPbyIncrements。打開的對話框后，在XY，YZ，ZXAngles文本框中輸入-50，0，0，點擊ok，結(jié)果如圖示；

（6）將激活的坐標系設置為工作平面坐標系。 執(zhí)行UtilityMenu：WorkPlane>ChangeActive CSto>WorkingPlane;

（7）建立第二個關鍵點執(zhí)行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>InActiveCS…在Keynumber文本框中輸入2，X=12.838，Y=0，單擊ok，結(jié)果如圖示；建立關鍵點

（8）將激活的坐標系設置為總柱面坐標系。

即執(zhí)行：UtilityMenu：WorkPlane>Change ActiveCSto>GlobalCylindrical

（9）建立其余的輔助點 按照（3）同樣的步驟建立其余的輔助點，將其編號 分別設置為120，130，140，150，160，其坐標分別 為（16，43），（16，46），（16，49），（16， 52），（16，55）。所得結(jié)果如圖示；建立其余的輔助點的結(jié)果

（10）將工作平面平移到第二個輔助點執(zhí)行UtilityMenu：WorkPlane>OffsetWPto>Keypoints+;

在Ansys圖形窗口選擇120號點，單擊ok；

（11）旋轉(zhuǎn)工作平面執(zhí)行UtilityMenu：WorkPlane>OffsetWPbyIncrements；打開的對話框后，在XY，YZ，ZXAngles文本框中輸入3，0，0，點擊ok；

（12）將激活的坐標系設置為工作平面坐標系

執(zhí)行UtilityMenu：WorkPlane>ChangeActive CSto>WorkingPlane;

（13）建立第三個關鍵點執(zhí)行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>InActiveCS…在Keynumber文本框中輸入3，X=13.676，Y=0，單擊ok；

（14）重復以上步驟，分別把工作平面平移到編號為 130，140，150，160的輔助點，然后旋轉(zhuǎn)工作平 面，旋轉(zhuǎn)角度為3，0，0，再將工作平面設為當前坐 標系，在工作平面中分別建立編號為4，5，6，7的關 鍵點，其坐標為（14.513，0），（15.351，0）， （16.189，0）,（17.027，0）。建立關鍵點的結(jié)果 如圖示；

（15）建立編號為8，9，10的關鍵點將激活的坐標設置為柱面坐標系，即執(zhí)行：UtilityMenu：WorkPlane>ChangeActiveCSto>GlobalCylindrical；執(zhí)行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>InActiveCS…在Keypointnumber文本框中輸入8，X=24，Y=9.857，單擊ok；執(zhí)行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>InActiveCS…在Keypointnumber文本框中輸入9，X=24，Y=13，單擊ok；執(zhí)行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>InActiveCS…在Keypointnumber文本框中輸入10，X=20，Y=-5，單擊ok；

（16）在柱面坐標系中創(chuàng)建圓弧線執(zhí)行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Create>Lines>StraightLine+分別拾取關鍵點10和1，1和2，2和3，3和4，4和5，5和6，6和7，7和8，8和9，然后單擊ok；

（17）把齒輪上的線加起來，使其成為一條線執(zhí)行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Add>Lines在圖像窗口選擇剛剛建立的齒輪邊上的線，點擊ok；ANSYS會提示是否刪除原來的線，選擇Deleted選項，單擊ok；

（18）偏移工作平面到總坐標系的原點;

執(zhí)行UtilityMenu：WorkPlane>OffsetWPto>GlobalOrigin+； （19）偏移工作平面與總體直角坐標系對齊;

執(zhí)行UtilityMenu：WorkPlane>AlignWPwith >GlobalCartesian;

（20）將工作平面旋轉(zhuǎn)13°;執(zhí)行UtilityMenu：WorkPlane>OffsetWPbyIncrements；在XY，YZ，ZXAngles文本框中輸入13，0，0，點擊ok； （21）將激活的坐標系設置為工作平面坐標系；執(zhí)行 UtilityMenu：WorkPlane>ChangeActive CSto>WorkingPlane;

（22）將所有線沿X-Z進行鏡象（在Y方向）執(zhí)行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Reflect>Lines+在對話框中選擇PickAll；ANSYS會提示選擇鏡象的面和編號增量，選擇X-Z面，在增量中輸入1000，單擊ok，選擇Copied；將所有線鏡像后的結(jié)果如下頁圖示；將所有線鏡像后的結(jié)果

（23）把齒頂上的兩條線粘接起來執(zhí)行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Glue>Lines;選擇齒頂上的兩條線，點擊OK。 （24）把齒頂上的兩條線加起來，成為一條線執(zhí)行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Add>Lines;選擇齒頂上的兩條線，點擊OK。 （25）在柱面坐標系下進行拷貝線將激活的坐標系設置為總體柱面坐標系，即執(zhí)行：UtilityMenu：WorkPlane>ChangeActiveCSto>GlobalCylindrical；從主菜單中執(zhí)行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Copy>Lines。單擊PickAll，其結(jié)果如圖所示。拷貝線輸入拷貝線的數(shù)量和坐標④ANSYS會提示拷貝線的數(shù)量和偏移坐標，在Numberofcopies文本框中輸入36，單擊OK，如上頁圖所示。⑤在柱面坐標系下進行的拷貝線后所得的結(jié)果如下圖示。 （26）把齒頂上的兩條線粘接起來執(zhí)行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Glue>Lines;選擇齒頂上的兩條線，點擊OK。 （27）把齒頂上的所有線加起來執(zhí)行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Add>Lines;分別選擇齒底上的兩條線，點擊OK。把齒底上的所有線加起來。 （28）把所有線粘接起來執(zhí)行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Glue>Lines;單擊PickAll。 （29）用當前定義的所有線創(chuàng)建一個面執(zhí)行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Arbitrary> ByLines+;②選擇所有的線，點擊OK。③其結(jié)果如圖示：

（30）創(chuàng)建圓面執(zhí)行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Circle>Solid Circle…；X=0，Y=0，Radius=8，單擊OK。創(chuàng)建圓面后的結(jié)果如圖示。 （31）從齒輪面中“減”去圓面形成軸功率孔執(zhí)行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Subtract>Areas;拾取齒輪面作為布爾“減”操作的母體，單擊Apply。拾取剛剛建立的圓面作為布爾“減”去的對象，單擊OK。所得結(jié)果如圖所示。

（32）存儲數(shù)據(jù)庫ANSYS； （33）用當前定義的一個面創(chuàng)建一個體執(zhí)行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Operate>Extrude>Areas>AlongNormal;選擇創(chuàng)建的面，單擊OK按鈕。此時將打開的ExtrudeAreaalongNormal對話框，在Lengthofextrusion文本框中輸入8，如圖示。 （34）創(chuàng)建一個圓柱體執(zhí)行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Create>Volumes>Cylinder>SolidCylinder;

WPX=0，WPY=0，Radius=16，Depth=-2.5，點擊OK，將生成一個圓柱體。如圖示； （35）偏移工作平面執(zhí)行UtilityMenu：WorkPlane>OffsetWPto>XYZLocations+;在GlobalCartesian文本框中輸入0，0，8，點擊OK，如圖示； （36）創(chuàng)建另一個圓柱體執(zhí)行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Create>Volumes>Cylinder>SolidCylinder;

WPX=0，WPY=0，Radius=16，Depth=-2.5，點擊OK，將生成一個圓柱體。 （37）從齒輪體中“減”去兩個圓柱體執(zhí)行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Subtract>Volumes+;拾取齒輪體作為布爾“減”操作的母體，單擊Apply。拾取剛剛建立的兩個圓柱體作為布爾“減”去的對象，單擊OK。所得結(jié)果如圖所示。 （38）將激活的坐標系設置為總體柱面坐標系執(zhí)行：UtilityMenu：WorkPlane>ChangeActiveCSto>GlobalCylindrical； （39）定義一個關鍵點執(zhí)行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>InActiveCS…在NPT一欄中輸入10000，在文本框中輸入X=12,Y=-5，單擊OK。 （40）偏移工作平面到給定位置執(zhí)行UtilityMenu：WorkPlane>OffsetWPto>Keypoints+;在ANSYS圖形窗口選擇剛剛建立的關鍵點，單擊OK。 （41）將激活的坐標系設置為工作平面坐標系執(zhí)行UtilityMenu：WorkPlane>ChangeActiveCSto>WorkingPlane； （42）創(chuàng)建一個圓柱體執(zhí)行Preprocessor>Modeling>Create>Volumes>Cylinder>SolidCylinder;WPX=0，WPY=0，Radius=2.5，Depth=-8，點擊OK，將生成一個圓柱體。 （43）將激活的坐標系設置為總體柱面坐標系執(zhí)行：UtilityMenu：WorkPlane>ChangeActiveCSto>GlobalCylindrical； （44）將小圓柱沿圓周方向復制執(zhí)行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Copy>Volumes+;選擇剛剛建立的小圓柱。在Numberofcopies文本框中輸入10，在Y-offsetinactiveCS文本框中輸入36，單擊OK，如圖示。 （45）從齒輪體中“減”去小圓柱體執(zhí)行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Subtract>Volumes+;拾取齒輪體作為布爾“減”操作的母體，單擊Apply。拾取剛剛建立的所有小圓柱體作為布爾“減”去的對象，單擊OK。所得結(jié)果如圖所示。這時如果有警告彈出，單擊Close。存儲數(shù)據(jù)庫ANSYS；

4.2.6對齒輪體進行網(wǎng)格劃分： （1）本節(jié)選用SOLID186單元對盤面劃分網(wǎng)格。執(zhí)行MainMenu：Preprocessor>Meshing>MeshTool;激活“SmartSize”，將滑標設置為3，按Mesh按鈕，這時出現(xiàn)MeshVolumes對話框，點擊PickAll按鈕。4.3.模型求解 在進行模態(tài)分析中，建立有限元模型后，就需要進行模態(tài)設置、施加邊界條件、進行模態(tài)擴展設置、進行擴展求解。4.3.1進行模態(tài)分析設置：執(zhí)行MainMenu：Solution>AnalysisType>NewAnalysis；在打開的對話框中，要求選擇分析的種類，選擇“Modal”，單擊OK按鈕。如圖示；3. 執(zhí)行MainMenu：Solution>AnalysisType>AnalysisOptions；在打開的對話框中，要求進行模態(tài)分析設置，選擇“BlockLanczos”，在NO.ofnodestoextract文本框中輸入15，將Expandmodetoshapes設置為Yes；在NO.ofnodestoexpand文本框中輸入15，單擊OK按鈕。如圖示；將打開BlockLanczosMethod對話框，在StartFreq（initialshift）文本框中輸入0，在EndFrequency中輸入100000，單擊OK。4.3.2施加邊界條件：執(zhí)行MainMenu：Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>onKeypoints；打開關鍵點選擇對話框，要求選擇欲施加位移約束的關鍵點，選擇內(nèi)徑上的一個關鍵點，如158號關鍵點，單擊OK按鈕。如圖示；選擇關鍵點選擇約束的種類4.3.3進行求解：執(zhí)行MainMenu：Solution>Solve>CurrentLS；打開一個確認對話框和狀態(tài)列表，要求查看列出的求解選項；查看列表中的信息確認無誤后，單擊OK按鈕，開始求解；ANSYS會顯示求解過程中的狀態(tài)。求解完成后將打開對話框提示求解結(jié)束，單節(jié)close；執(zhí)行MainMenu：Finish;求解當前載荷步確認對話框4.3.4進行模態(tài)擴展設置：重新進入求解器，執(zhí)行MainMenu：Solution>LoadStepOpts>ExpansionPass>SingleExpand>Expandmodes;在打開的ExpandModes對話框中，在NO.ofnodestoexpand文本框中輸入15，在Frequencyrange文本框中輸入0，100000，將Calculateelemresults設為Yes，單擊OK按鈕，如圖示；設置頻率范圍執(zhí)行MainMenu：Solution>LoadStepOpts>OutputCtrls>DB/ResultsFiles;打開數(shù)據(jù)輸出設置對話框，在ItemtobeControlled列表框中選擇AllItem，在FilesWriteFrequency單選列表中選擇Everysubstep，單擊OK按鈕，如圖示；數(shù)據(jù)輸出設置執(zhí)行MainMenu：Solution>LoadStepOpts>OutputCtrls>SoluPrintout;打開結(jié)果輸出設置對話框，在ItemforprintoutControl列表框中選擇AllItem，在Pri