第9章WORKBENCH中的動力學(xué)分析簡介

第九章

WORKBENCH中的動力學(xué)分析簡介第一節(jié)ANSYSWorkBench概述第二節(jié)WorkBench中的模態(tài)分行第三節(jié)WorkBench中的諧響應(yīng)分析現(xiàn)在是1頁\一共有91頁\編輯于星期四WORKBENCH中的動力學(xué)分析

第一節(jié)ANSYSWORKBENCH概述什么是ANSYS

Workbench?ANSYSWorkbench

是用ANSYS求解實際問題的新一代產(chǎn)品，它給ANSYS的求解提供了強大的功能。這種環(huán)境為CAD系統(tǒng)和您的設(shè)計提供了全新的平臺，保證了最好的CAE結(jié)果ANSYSWorkbench由四個模塊組成:DS是用ANSYS的求解器，做結(jié)構(gòu)或熱分析。DM用來建立CAD幾何模型，為分析作準(zhǔn)備DX和DXVT用于研究變量的輸入（如幾何、載荷）對響應(yīng)（如應(yīng)力、頻率）的影響。FEModeler

用來把Nastran的網(wǎng)格轉(zhuǎn)化到ANSYS中使用?，F(xiàn)在是2頁\一共有91頁\編輯于星期四WORKBENCH中的動力學(xué)分析

…ANSYSWORKBENCH概述DesignSimulationDesignModelerDesignXplorerFEModelerANSYSWorkbench現(xiàn)在是3頁\一共有91頁\編輯于星期四WORKBENCH中的動力學(xué)分析

…ANSYSWORKBENCH概述DS可以做的分析類型:線性應(yīng)力:誤差估計、應(yīng)力、安全系數(shù)等，基于承受靜力載荷下的材料強度理論模態(tài):計算包括預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在內(nèi)的系統(tǒng)固有頻率（自由振動）熱傳遞:求解溫度場和熱流場的穩(wěn)態(tài)熱分析，允許與溫度相關(guān)的熱傳導(dǎo)和對流，支持熱應(yīng)力分析DesignSimulation概述現(xiàn)在是4頁\一共有91頁\編輯于星期四WORKBENCH中的動力學(xué)分析

…ANSYSWORKBENCH概述DS可以做的分析類型(續(xù)):諧分析:計算結(jié)構(gòu)在正弦激勵下的響應(yīng).線性屈曲:計算屈曲的失效載荷和安全系數(shù)及其屈曲形態(tài).形狀優(yōu)化:通過使用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，對受載荷的零件體積優(yōu)化給出預(yù)測非線性結(jié)構(gòu)分析:計算靜力載荷作用下的系統(tǒng)變形和應(yīng)力，包括大變形和接觸非線性（和材料非線性）.DesignSimulation概述現(xiàn)在是5頁\一共有91頁\編輯于星期四WORKBENCH中的動力學(xué)分析

…ANSYSWORKBENCH概述啟動DS有兩種方法:從ANSYSWorkbench中直接進(jìn)入直接從CAD系統(tǒng)中進(jìn)入啟動DesignSimulation現(xiàn)在是6頁\一共有91頁\編輯于星期四

WORKBENCH中的動力學(xué)分析

…ANSYSWORKBENCH概述開始ANSYSWorkbench:Workbench模塊都是從同一個圖標(biāo)進(jìn)入：“ANSYSWorkbench”,在“開始>程序>ANSYS8.0”下或者，用戶也可以直接從CAD系統(tǒng)中進(jìn)入啟動DesignSimulation（續(xù)）現(xiàn)在是7頁\一共有91頁\編輯于星期四

WORKBENCH中的動力學(xué)分析

…ANSYSWORKBENCH概述ANSYSWorkbench起始界面進(jìn)入ANSYSWorkbench以后，出現(xiàn)起始頁面，用戶可以使用上面的選項:盡管運行DS需要LICENSE，啟動開始頁面卻不需要現(xiàn)在是8頁\一共有91頁\編輯于星期四

WORKBENCH中的動力學(xué)分析

…ANSYSWORKBENCH概述ANSYSWorkbench起始界面Workbench起始界面提供對Workbench項目創(chuàng)建、打開、輸入數(shù)據(jù)db功能。允許用戶選定一個特定的LICENSE在指定的路徑下產(chǎn)生新的題目打開一個已經(jīng)存在的WORKBENCH題目導(dǎo)入一個獨立的DSDB文件導(dǎo)入一個獨立的DMDB文件導(dǎo)入一個獨立的DXDB文件現(xiàn)在是9頁\一共有91頁\編輯于星期四

WORKBENCH中的動力學(xué)分析

…ANSYSWORKBENCH概述DesignSimulation界面現(xiàn)在是10頁\一共有91頁\編輯于星期四WORKBENCH中的動力學(xué)分析

第二節(jié)WORKBENCH模態(tài)分析在本節(jié)主要介紹如何在DesignSimulation中進(jìn)行模態(tài)分析.在DesignSimulation中,進(jìn)行一個模態(tài)分析類似于一個線性分析.本節(jié)內(nèi)容如下:模態(tài)分析流程預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析流程現(xiàn)在是11頁\一共有91頁\編輯于星期四

WORKBENCH中的動力學(xué)分析

…WORKBENCH模態(tài)分析

A.模態(tài)分析過程模態(tài)分析過程和一個線性靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析過程非常相似,因此這里不再詳細(xì)的介紹每一操作步驟.下面這些步驟里面，黃色斜體字體部分是模態(tài)分析所特有的.建模設(shè)定材料屬性定義解除對(假如存在)劃分網(wǎng)格(可選擇)施加載荷(假如存在的話)需要使用FrequencyFinder結(jié)果設(shè)置

FrequencyFinder選項求解查看結(jié)果現(xiàn)在是12頁\一共有91頁\編輯于星期四…幾何模型和材料屬性類似于線性靜態(tài)分析,任何一種能被DesignSimulation支持的幾何模型都有可以使用:體元素面元素(需定義適當(dāng)?shù)暮穸?線元素(需定義適當(dāng)?shù)臋M截面)對于線元素,只能得到振型和位移.材料屬性：需要定義楊氏模量、泊松比和密度由于沒有載荷，所以定義了以上材料屬性，就不再需要其他的材料屬性了現(xiàn)在是13頁\一共有91頁\編輯于星期四…接觸域在模態(tài)分析中，接觸對是可能出現(xiàn)的.但是，由于模態(tài)分析是純粹的線性分析，所以接觸對不同于非線性分析中的接觸類型,如下所示:在模態(tài)分析中定義接觸需要注意以下兩個方面的內(nèi)容:兩個非線性的接觸行為–粗糙的和無摩擦的–都將表現(xiàn)為線性模式,因此它們會轉(zhuǎn)化為綁定或者無間隙接觸方式來替代并產(chǎn)生作用.假如有間隙存在,非線性的接觸行為將是自由無約束的(也就是說,好像是沒有接觸一樣).綁定的和無間隙的接觸將取決于pinball區(qū)域的大小.pinball區(qū)域由缺省值自動產(chǎn)生現(xiàn)在是14頁\一共有91頁\編輯于星期四…接觸域?qū)τ?/p>

ANSYS專業(yè)licenses

和更高的licenses,在模態(tài)分析中，存在更多的接觸選項:對于粗糙和無摩擦的接觸,“InterfaceTreatment”能被轉(zhuǎn)變?yōu)椤癆djustedtoTouch,”這種方式將使接觸面分別按照綁定和不分離接觸來進(jìn)行處理.(假如這個選項被設(shè)置了，那么即使有間隙存在,這些部分也按照最初就已經(jīng)接觸上的情況來進(jìn)行計算.)即使有間隙存在，“PinballRegion”的大小也能夠改變和被顯示出來.這樣，就能很好地確保綁定和不分離接觸的建立.有關(guān)pinballregion的內(nèi)容和如何定義其大小，請參考第3和4章對于ANSYS結(jié)構(gòu)licenses和更高的licenses,假如表面將要被接觸，但實際上是自由面（沒有接觸），那么摩擦接觸和綁定接觸將變得非常的相似.在模態(tài)分析中不推薦使用摩擦接觸，因為它是非線性的.現(xiàn)在是15頁\一共有91頁\編輯于星期四…載荷和約束在模態(tài)分析中，不能使用結(jié)構(gòu)和熱載荷關(guān)于預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析的內(nèi)容，參見本節(jié)后面的部分B.在這種情況下，只是為了體現(xiàn)預(yù)應(yīng)力效果，載荷才被考慮.在模態(tài)分析中可以使用各種約束:假如沒有或者只存在部分的約束,剛體模態(tài)將能被檢測和獲得測評.這些模態(tài)將處于0位置或者0HZ附近.與靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析不同,模態(tài)分析并不要求禁止剛體運動.邊界條件對于模態(tài)分析來說，是很重要的。因為他們能影響部件的振型和固有頻率.因此需要仔細(xì)考慮模型是如何被約束的.壓縮約束是非線性的，因此在此分析中將不能被使用.如果存在的話,壓縮約束通常會表現(xiàn)出與無摩擦約束相似.現(xiàn)在是16頁\一共有91頁\編輯于星期四…求解結(jié)果模態(tài)分析的大部分結(jié)果和靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析非常相似.但是，當(dāng)Solutions菜單里的FrequencyFinder

被選中之后，DesignSimulation會自動進(jìn)行模態(tài)分析將FrequencyFindertool分支添加到求解選項（Solutions分支）里面FrequencyFinder的Details窗中的選項可以允許用戶自定義最大的模態(tài)數(shù)量“MaxModestoFind.”默認(rèn)是6階模態(tài)(最大是200).隨著要獲得模態(tài)數(shù)量的增加，運算時間也隨之相應(yīng)增加.在LimitSearchtoRange框中選擇Yes，可以指定搜索范圍限制在一個用戶感興趣的特定的頻率范圍內(nèi).在默認(rèn)情況下,如果搜索范圍沒有設(shè)定，程序?qū)⒂嬎銖?Hz開始的所有頻率(rigid-bodymodes).在“LimitSearchtoRange”中，能指定最小和最大的頻率.但是要注意這個選項和“MaxModestoFind”是相關(guān)聯(lián)的，假如不需要足夠多的模態(tài)，在這個搜索的頻率范圍內(nèi)，并不是所有的模態(tài)都能發(fā)現(xiàn).現(xiàn)在是17頁\一共有91頁\編輯于星期四…求解結(jié)果在FrequencyFinder里，相應(yīng)的命令分支是最需要得到的當(dāng)“MaxModestoFind”與FrequencyFinder分支條綁定的時候,更多的振型將被自動添加.用戶不必在Context工具欄里尋找振型.假如需要得到應(yīng)力、應(yīng)變或者各方向位移，可以通過Context工具欄添加這些想要得到的結(jié)果.對于每一種加載的應(yīng)力、應(yīng)變或者位移，用戶能夠從Details里指定相對應(yīng)的振型.假如需要得到應(yīng)力或者應(yīng)變結(jié)果，一定要在FrequencyFinder分支條

里加上這些選項，而不是在Solution

分支條里面加.現(xiàn)在是18頁\一共有91頁\編輯于星期四…求解結(jié)果對應(yīng)于FrequencyFinder分支的ANSYS命令如下:假如FrequencyFinder分支被選上,對應(yīng)于ANTYPE,MODAL

命令定義模態(tài)的階數(shù)使用

nmodes

命令,定義“搜索頻率”的最小和最大范圍使用MODOPT,,nmodes,freqb,freqe

命令的freqb

和freqe，振型被放大通過MXPAND

命令.為了節(jié)省磁盤空間和計算時間，單元求解選項不能打開，除非需要得到應(yīng)力或者應(yīng)變結(jié)果.現(xiàn)在是19頁\一共有91頁\編輯于星期四…求解設(shè)置

Solution分支提供了將要進(jìn)行的某種分析的細(xì)節(jié)選項對于模態(tài)分析，并不是DetailsviewoftheSolution分支中的所有選項都需要改變.在大多數(shù)情況下,“SolverType”應(yīng)該保持“ProgramControlled”的默認(rèn)選項.假如模型是由一種很大的實體單元構(gòu)成的,并且僅僅需要求解不多的振型時,那么把求解器類型（SolverType）設(shè)置為迭代求解器（Iterative）可能會更有效些.對于每一種模態(tài)分析的“分析類型（AnalysisType）”將顯示為“自由振動（FreeVibration）”.現(xiàn)在是20頁\一共有91頁\編輯于星期四…求解設(shè)置對于一個標(biāo)準(zhǔn)的模態(tài)分析,在求解選項中除了設(shè)置“SolverType”會有很多影響之外，其他設(shè)置均無效“大撓度”和“弱彈簧”選項對應(yīng)于靜態(tài)分析，因此不要改變其設(shè)置.“求解器類型（SolverType）”可以設(shè)置為“直接求解器（Direct）”或者“迭代求解器（Iterative）”“程序自動選擇求解器（ProgramControlled）”或者“直接求解器（Direct）”采用BlockLanczos特征值提取方法，使用的是稀疏矩陣直接方程求解器

（ANSYS命令為MODOPT,LANBandEQSLV,SPARSE）。在處理較小的或者較大的模型時，若采用梁、殼、體單元進(jìn)行劃分網(wǎng)格，稀疏矩陣直接方程求解器是最廣泛使用的特征求解器（eigensolver），因此常作為默認(rèn)選項.“迭代求解器（Iterative）”使用PowerDynamics求解方法,這種方法是子空間特征值提取方法的混合，使用的是PCG方程求解器(ANSYS命令是MODOPT,SUBSPandEQSLV,PCG).當(dāng)僅僅需要求解不多的振型時，PowerDynamics特征值對于具有體單元的大模型是很有效的.現(xiàn)在是21頁\一共有91頁\編輯于星期四…求解在設(shè)置完前面的選項之后，像其他的分析一樣點擊solve按鈕便可以求解模態(tài)分析了.對于相同的模型，模態(tài)分析比起靜態(tài)分析通常要花費更多的計算，因為他們的求解方程是不同的.Solution分支條里的Worksheet表提供了詳細(xì)的求解輸出內(nèi)容，包括所使用的內(nèi)存數(shù)和已經(jīng)提取了的模態(tài)階數(shù).如果在一個求解完成之后，需要獲得應(yīng)力、應(yīng)變或者更多的頻率/振型，那么必須重新進(jìn)行求解.現(xiàn)在是22頁\一共有91頁\編輯于星期四…查看結(jié)果求解完成后,將可獲得振型的結(jié)果由于沒有激勵作用在結(jié)構(gòu)上，因此振型只是與自由振動相關(guān)的相對值振型(位移量)、應(yīng)力和應(yīng)變只是相對值,而不是絕對值在Detailsview里面能夠看到每個結(jié)果的頻率值.在ResultsContext工具欄中的動畫按鈕能用來顯示可視化振型圖.現(xiàn)在是23頁\一共有91頁\編輯于星期四…查看結(jié)果 FrequencyFinder分支條的Worksheet中以表格的形式總結(jié)了所有的頻率值通過查看頻率和振型，你能針對在不同激勵作用下的結(jié)構(gòu)可能具有的動態(tài)響應(yīng)，獲得到一個更好的理解現(xiàn)在是24頁\一共有91頁\編輯于星期四在某些情況下，進(jìn)行模態(tài)分析時，應(yīng)該考慮預(yù)應(yīng)力效果.在一個靜態(tài)載荷(static)的作用下,結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)可能影響到它的固有頻率.這一點是非常重要的，尤其是對于那些在某一個或兩個尺度上很薄的結(jié)構(gòu).現(xiàn)在，考慮一個吉它弦被調(diào)節(jié)的情況–當(dāng)軸向載荷增加(拉緊)的時候,橫向頻率也隨之相應(yīng)的增加.這是一個應(yīng)力硬化的例子.

WORKBENCH中的動力學(xué)分析

…WORKBENCH模態(tài)分析

B.預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析現(xiàn)在是25頁\一共有91頁\編輯于星期四…預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析在求解預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析的過程，需要自動執(zhí)行兩個迭代過程:最初線性靜態(tài)分析首先將被執(zhí)行:基于靜態(tài)分析的應(yīng)力狀態(tài),應(yīng)力硬化矩陣[S]的影響將被考慮:然后求解預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析,包括[S]項現(xiàn)在是26頁\一共有91頁\編輯于星期四…預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析過程執(zhí)行一個預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析(也就做帶有預(yù)應(yīng)力的自由振動分析)的過程,除了下面所列的一些要注意的事項外，與進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的自由振動分析的過程基本是一樣的:必須通過施加載荷(結(jié)構(gòu)或熱載荷)的方式，來確定結(jié)構(gòu)的最初應(yīng)力狀態(tài).線性靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果能夠在Solution分支里面獲得，而不是在FrequencyFinder分支條在FrequencyFinder分支條里的應(yīng)力或應(yīng)變結(jié)果，是一個特殊模態(tài)的相對應(yīng)力/應(yīng)變值在Solution分支里的應(yīng)力或應(yīng)變(或是位移)結(jié)果，是靜載荷的真實的應(yīng)力/應(yīng)變/位移值現(xiàn)在是27頁\一共有91頁\編輯于星期四…預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析例題對一個一邊固支的薄板的結(jié)構(gòu)，簡單對比一下以下兩種分析分別進(jìn)行兩種分析–自由振動分析和帶預(yù)緊力的自由振動分析–比較一下兩者之間的區(qū)別.FreeVibrationFreeVibrationwithPrestress現(xiàn)在是28頁\一共有91頁\編輯于星期四…預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析例題注意：兩種分析的區(qū)別在于，是否存在預(yù)應(yīng)力如果FrequencyFindertool存在并且載荷也存在,那么DesignSimulation會自動進(jìn)行一個“帶有預(yù)應(yīng)力的自由振動分析”.假如一些結(jié)果，例如位移、應(yīng)力或者應(yīng)變，需要直接在Solution分支條下面出現(xiàn),那么線性靜態(tài)分析的結(jié)果也能夠公布出來.現(xiàn)在是29頁\一共有91頁\編輯于星期四…預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析例題在這個例子中,隨著施加的載荷,產(chǎn)生拉應(yīng)力,因此固有頻率相應(yīng)的增大,如下圖所示自由振動1階模態(tài)頻率:141Hz預(yù)應(yīng)力自由振動1階模態(tài)頻率:184Hz現(xiàn)在是30頁\一共有91頁\編輯于星期四…預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析對于預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析,DesignSimulation進(jìn)行兩個必要的內(nèi)在迭代運算:首先進(jìn)行線性靜態(tài)分析（PSTRES,ON）然后是考慮預(yù)應(yīng)力效應(yīng)的模態(tài)分析ANSYS用戶需要注意的其它有用的選項:在DesignSimulation中，程序并不支持大撓度的預(yù)應(yīng)力效應(yīng)，因此,在Solution分支中激活“大撓度”選項（“LargeDeflection:On”）是不被允許的.對應(yīng)于靜態(tài)分析的方程求解器和對應(yīng)于模態(tài)分析的特征值求解器，都不能獨立設(shè)置.兩者將受Solution分支里面的“SolverType”影響.現(xiàn)在是31頁\一共有91頁\編輯于星期四目標(biāo):研究兩個發(fā)動機蓋的振動特性（四孔的模型和五孔的模型）.

WORKBENCH中的動力學(xué)分析

…WORKBENCH模態(tài)分析

C.實例現(xiàn)在是32頁\一共有91頁\編輯于星期四WORKBENCH中的動力學(xué)分析

第三節(jié)WORKBENCH諧響應(yīng)分析本節(jié)中，DS的諧響應(yīng)分析將會涉及到以下內(nèi)容:假定用戶已經(jīng)了解了第四章的線性靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析和第五章的模態(tài)分析所涉及的內(nèi)容.在本節(jié)中，將會涵蓋如下內(nèi)容:建立諧響應(yīng)分析諧響應(yīng)求解方法阻尼查看結(jié)果現(xiàn)在是33頁\一共有91頁\編輯于星期四WORKBENCH中的動力學(xué)分析

…WORKBENCH諧響應(yīng)分析

A.諧響應(yīng)分析步驟諧分析的操作很類似于線性靜態(tài)的操作，因此我們不會涉及所有詳細(xì)的操作步驟。在下列的文字?jǐn)⑹鲋袑⒄f明諧分析的步驟.獲取幾何模型設(shè)置材料屬性定義接觸域（若可用的話）定義網(wǎng)格控制（可選）施加載荷與約束的條件指定所要求諧分析選項設(shè)置諧分析選項求解模型查看結(jié)果現(xiàn)在是34頁\一共有91頁\編輯于星期四

…幾何模型在諧分析中，可適用任何類型的幾何模型適用實體、面、線及其任意的組合對于線，將不能輸出應(yīng)力與應(yīng)變的結(jié)果現(xiàn)在是35頁\一共有91頁\編輯于星期四

…材料屬性在諧分析中，要求輸入楊氏彈性模量，泊松比和密度其它所有材料的屬性可以指定，但它們不會參與諧分析后面將說明，阻尼不是作為材料的屬性輸入，而是作為全局屬性被輸入現(xiàn)在是36頁\一共有91頁\編輯于星期四

…接觸區(qū)域接觸區(qū)域可用在模態(tài)分析中。但由于在線性分析中的接觸行為不同于非線性接觸問題，如下表所示:接觸行為類似于模態(tài)分析（見第五章）。在模態(tài)分析中，由于簡諧模擬是線性的，非線性接觸相對于它的線性對應(yīng)部件做出了簡化.一般在諧分析中不要使用非線性接觸現(xiàn)在是37頁\一共有91頁\編輯于星期四

…載荷和約束除以下情況之外，載荷與約束皆可適用于諧分析中不支持熱載荷不支持慣性載荷（加速度、標(biāo)準(zhǔn)重力加速度、角速度）不支持平移力載荷由于螺栓預(yù)緊力載荷是非線性的，因此也不適用“CompressionOnlySupport”是非線性的，也不適用。若施加了這種約束，它也變得類似于“FrictionlessSupport”記?。核薪Y(jié)構(gòu)載荷都在同一激振頻率作用下成正弦變化現(xiàn)在是38頁\一共有91頁\編輯于星期四

…載荷和約束約束載荷表如下所示:在下一節(jié)中，我們將討論“求解的方法”.要注意的是，在ANSYS專業(yè)licenses中并不支持完全法求解，因此它也并不支持在諧分析中給定位移約束.并不是所有可用的載荷皆可輸入相位。螺栓載荷與力矩載荷的相位角為0°.若有其它的載荷（如螺栓載荷、力矩載荷）存在，其相位角仍保持0°?，F(xiàn)在是39頁\一共有91頁\編輯于星期四

…載荷和約束添加諧分析載荷:在通常情況下，可施加任意的約束載荷.當(dāng)“TimeType”欄處，將“Static”切換為“Hamonic”鍵入載荷大小（或各分量大小，若可用的話）相位輸入，若可用的話若已知載荷的實部F1

與虛部F2

，模的大小與相位y

便可根據(jù)如下的公式計算：現(xiàn)在是40頁\一共有91頁\編輯于星期四

…載荷和約束選擇載荷，可顯示出載荷兩個周期的圖像，然后點擊“Worksheet”菜單。模的大小與相位角便在載荷的視圖中顯示出來現(xiàn)在是41頁\一共有91頁\編輯于星期四

…載荷和約束(ANSYS)在程序內(nèi)部，載荷的施加與等效靜態(tài)分析中略有不同:施加在頂點和邊上的力通過F,FX/FY/FZ,REAL,IMAG轉(zhuǎn)化為節(jié)點載荷的實部與虛部。施加在表面上的壓力與力要作用在表面效應(yīng)單元SURF154（KEYOPT(11)=2）對施加壓力載荷，要輸入SF,,PRES,REAL,IMAG對施加表面上的力載荷，實部要輸入SFE,,5,PRES,0，虛部要輸入SFE,,5,PRES,2對于給定的位移約束，要輸入D,,UX/UY/UZ,REAL,IMAG螺栓與力矩載荷的施加與靜態(tài)條件下一樣.螺栓載荷是作為SFE施加在單元SURF上的“Face5”上。對于施加螺栓載荷，需要設(shè)置軸向與徑向兩部分載荷：軸向，KEYOPT(11)=2；徑向:KEYOPT(11)=0施加在殼頂點或邊的力矩，是通過F，，MX/MY/MZ轉(zhuǎn)化為節(jié)點載荷，而施加在表面上的力矩是通過基于表面CONTA174單元約束的（見第四章）現(xiàn)在是42頁\一共有91頁\編輯于星期四WORKBENCH中的動力學(xué)分析

…WORKBENCH諧響應(yīng)分析

B.諧響應(yīng)分析求解在求解前，需設(shè)定諧分析工具選項:選擇求解分支條，并從相關(guān)的工具條中插入一個諧分析工具在諧分析工具的明細(xì)窗中，用戶能通過輸入最大值、最小值來確定激振頻率域，并確定求解的步長。頻率域fmax-fmin

，間隔數(shù)n決定頻率的步長DWDS將從W+DW.開始，求解n個頻率Intheexampleabove,withafrequencyrangeof0–10,000Hzat10intervals,thismeansthatDesignSimulationwillsolvefor10excitationfrequenciesof1000,2000,3000,4000,5000,6000,7000,8000,9000,and10000Hz.現(xiàn)在是43頁\一共有91頁\編輯于星期四

…求解選項在ANSYSStructural及其更高的licenses中，有兩種求解方法。這兩種方法各有優(yōu)缺點，因此接下來針對它們進(jìn)行討論:模態(tài)疊加法是默認(rèn)的求解選項，適用于ANSYS專業(yè)及其更高的licenses完全法適用于ANSYS專業(yè)及其更高的licenses在諧分析工具的明細(xì)窗中，“SolutionMethod”欄中只有兩個的選項可以勾選（若可用的話）求解命令條的明細(xì)窗的選項不可用，因為它對分析并沒有影響.現(xiàn)在是44頁\一共有91頁\編輯于星期四

…模態(tài)疊加法模態(tài)疊加法是在模態(tài)的坐標(biāo)中求解諧分析方程的諧分析方程如下對于線性系統(tǒng)，用戶可以將x寫成關(guān)于模態(tài)形狀的fi的線性組合的表達(dá)式：

在關(guān)系式中，yi指模態(tài)的坐標(biāo)（系數(shù)）。例如，用戶可以通過求解一個模態(tài)分析來確定固有頻率wi和相應(yīng)的模態(tài)形狀因子fi?？梢钥吹?，包括的模態(tài)n越多，對{x}逼近越精確?，F(xiàn)在是45頁\一共有91頁\編輯于星期四

…模態(tài)疊加法合并前兩個方程并乘模態(tài)形狀{fi}T:這雖然超出了我們討論范圍，但以上的方程可化簡化為如下的形式：所得到的方程并不是耦合的，因此更容易求解在劃分網(wǎng)格中，節(jié)點數(shù)并沒有指明總的自由度數(shù)。相反，它是根據(jù)方程中的模態(tài)數(shù)n確定的。根據(jù)如下特性，方程可得簡化:矩陣[M]的正交性:模態(tài)的固有頻率wi:模態(tài)i的阻尼比率xi:現(xiàn)在是46頁\一共有91頁\編輯于星期四

…模態(tài)疊加法前面的討論主要介紹了關(guān)于模態(tài)疊加法的一些基本信息。在此，有三點需要注意的：1.

由于采用了模態(tài)的坐標(biāo)系，因此使用模態(tài)疊加法進(jìn)行諧分析時，程序會首先自動地進(jìn)行模態(tài)分析。這些過程能很清楚的記錄在求解命令條的工作表菜單中，也能傳給用戶。DS能自動地確定模態(tài)數(shù)n，這是精確求解來說是必要的。雖然首先進(jìn)行的是模態(tài)分析，但正如上個幻燈片所示，諧分析部分的求解還是很迅速且高效的，因此，總的來說，模態(tài)疊加法通常比完全法要快的多?，F(xiàn)在是47頁\一共有91頁\編輯于星期四

…模態(tài)疊加法由于進(jìn)行了模態(tài)分析，DS將會獲得結(jié)構(gòu)的自然頻率。在諧分析中，響應(yīng)的峰值是與結(jié)構(gòu)的固有頻率相對應(yīng)。由于自然頻率已知，DS能夠?qū)⒔Y(jié)果聚斂到自然振動頻率附近而不是使用evenlyspaced結(jié)果。Inthisexample,theclusteroptioncapturesthepeakresponsebetterthanevenly-spacedintervals(4.51e-3vs.4.30e-3)TheClusterNumberdetermineshowmanyresultsoneithersideofanaturalfrequencyissolved.現(xiàn)在是48頁\一共有91頁\編輯于星期四

…模態(tài)疊加法3.

由于模態(tài)疊加法的本質(zhì)原因，所以并不支持給定位移的約束。由于求解在模態(tài)坐標(biāo)系下完成的，所以不允許有非零的位移。在討論載荷與約束期間，這早已被提及?，F(xiàn)在是49頁\一共有91頁\編輯于星期四

…模態(tài)疊加法(ANSYS)ANSYS模態(tài)疊加法在內(nèi)部的執(zhí)行情況：首先，模態(tài)分析采用BlockLanczos特征值提取法執(zhí)行。(MODOPT,LANB,200,FREQB/2,2*FREQE)在起始頻率FREQB的1/2與結(jié)束頻率FREQE的2倍之間求解200階模態(tài)的最大值。在這期間，程序?qū)⒆詣由梢粋€載荷矢量。然后，使用模態(tài)疊加法(HROPT,MSUP)進(jìn)行諧分析用HARFRQ,FREQB,FREQE確定頻率區(qū)間。若要使用cluster選項，須使用命令HROUT,,ON所有的載荷在頻率區(qū)間內(nèi)分步實施(KBC,1)

使用命令NSUBST制定步長數(shù)（或cluster數(shù)）。使用LVSCALE,1制定載荷矢量為1.0。使用OUTRES時，需要制定多用節(jié)點和單元組件。對于contourresults可以使用expansionpass運用EXPASS,ONandHREXP,ALL現(xiàn)在是50頁\一共有91頁\編輯于星期四

…完全法完全法也是求解諧分析的一種方法。諧分析的方程如下：在完全法中，直接在節(jié)點坐標(biāo)系下求解矩陣方程，除了使用了復(fù)數(shù)基本類似于線性靜態(tài)分析?，F(xiàn)在是51頁\一共有91頁\編輯于星期四

…完全法通過與模態(tài)疊加法幾個不同的結(jié)果作比較：1.

對每一個頻率，完全法必須將[Kc]因式分解。在模態(tài)疊加法中是求解化簡后的非耦合方程；在完全法中，必須將復(fù)雜的耦合矩陣[KC]因式分解。因此，完全法一般比模態(tài)疊加法更耗計算時間。2.

支持給定位移約束由于對{x}直接求解，允許施加位移約束，并可以使用給定位移約束?，F(xiàn)在是52頁\一共有91頁\編輯于星期四

…完全法3.

完全法沒有使用模態(tài)的信息與模態(tài)疊加法不同的，完全法并不依賴模態(tài)形狀與固有頻率程序在內(nèi)部并不執(zhí)行模態(tài)分析對{xC}的求解是精確的。并沒有模態(tài)形狀的響應(yīng){x}近似的結(jié)果產(chǎn)生但是，由于在求解過程中，DS并沒有產(chǎn)生模態(tài)信息，因此，不會產(chǎn)生頻率聚集的結(jié)果，只有頻率均勻分布的結(jié)果產(chǎn)生。現(xiàn)在是53頁\一共有91頁\編輯于星期四

…完全法(ANSYS)完全法在ANSYS內(nèi)部的運行情況:需用HARFRQ,FREQB,FREQE指定頻率區(qū)間使用HROPT,FULL用NSUBST指定步長數(shù)用命令KBC,1在頻率區(qū)間內(nèi)分步施加載荷方程的求解器默認(rèn)是稀疏求解器，求解命令條中的明細(xì)窗對完全法諧分析沒有影響，因為求解命令(EQSLV)不需要設(shè)置對節(jié)點和單元分量使用OUTRES命令現(xiàn)在是54頁\一共有91頁\編輯于星期四WORKBENCH中的動力學(xué)分析

…WORKBENCH諧響應(yīng)分析

C.阻尼的輸入在諧方程中有一個阻尼矩陣[C]如前所述，阻尼是被指定為全局屬性的。在ANSYS專業(yè)licenses中,只能輸入阻尼比常量x在ANSYS結(jié)構(gòu)licenses中可以輸入阻尼比常量x或beta阻尼值注：兩種阻尼選項同時被輸入，影響是累積的。兩種阻尼選項皆可在兩種求解方法（完全法和模態(tài)疊加法）中使用。現(xiàn)在是55頁\一共有91頁\編輯于星期四

…阻尼的基礎(chǔ)知識動力系統(tǒng)中阻尼的結(jié)果是產(chǎn)生能量損耗對響應(yīng)有影響的阻尼會改變結(jié)構(gòu)固有頻率并減弱響應(yīng)的幅值。在任何的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，阻尼都是以多種形式存在的。由于多種因素的影響，阻尼是一個復(fù)雜的現(xiàn)象。然而，數(shù)學(xué)上對阻尼的表達(dá)卻是很簡單的，粘性阻尼被認(rèn)為：粘性阻尼力Fdamp是與速度成正比的，其中c為阻尼常數(shù)。

臨界阻尼ccr是指沒有振動時的阻尼值。阻尼比率x是指實際阻尼c與臨界阻尼ccr的比值?，F(xiàn)在是56頁\一共有91頁\編輯于星期四

…恒定阻尼比率在DesignSimulation中，輸入恒定的阻尼比率意味著x值在整個頻率區(qū)間內(nèi)是一個常量。

x值在模態(tài)疊加法中會被直接使用。阻尼比率常數(shù)x

是無量綱的在完全法中，阻尼率

x

不會被直接使用。在程序內(nèi)部，它根據(jù)[C]轉(zhuǎn)化為一個合適的值?，F(xiàn)在是57頁\一共有91頁\編輯于星期四

…Beta阻尼另一種模擬阻尼的方法是假設(shè)阻尼C是與剛度K成正比的，其中

b為常量:那么相關(guān)的阻尼比率

x為:

由方程可知，在beta阻尼的作用下，阻尼對頻率的影響成線性增長。與阻尼比率是常數(shù)不同，beta阻尼是隨頻率的增大而增大的。Beta阻尼往往衰減掉高頻的影響。Beta阻尼的單位是時間?，F(xiàn)在是58頁\一共有91頁\編輯于星期四

…Beta阻尼有兩種方法可輸入Beta阻尼:直接輸入Beta阻尼輸入阻尼比率與頻率，相應(yīng)的Beta阻尼值，將會由DS中根據(jù)上一張幻燈片中的公式計算出來。盡管輸入頻率和阻尼比率，但要記住beta阻尼是隨著頻率線性增長的。這意味著低階頻率阻尼小些，而高階頻率阻尼大些。現(xiàn)在是59頁\一共有91頁\編輯于星期四

…阻尼相互關(guān)系一般來說，還有其它一些計算阻尼的方法。這些方法通常用于單自由度系統(tǒng)，因此，在將它們擴展到多自由度系統(tǒng)（例如有限元）中時，要慎重。品質(zhì)因子

Qi

是1/(2xi)損耗因子

hi

是負(fù)的Q或2xi對數(shù)衰減量

di

近似于空阻尼情況，約為2pxi半量帶寬

Dwi

近似于帶有輕微阻尼的結(jié)構(gòu)，約為2wixi這些計算阻尼的方程都進(jìn)行了簡化，僅適用于單自由度系統(tǒng)。如果用戶能很好地理解在頻率時間內(nèi)的物理結(jié)構(gòu)的響應(yīng)與阻尼比率常數(shù)跟beta阻尼的差異，那么在DS中將能很好地模擬阻尼的情況?，F(xiàn)在是60頁\一共有91頁\編輯于星期四WORKBENCH中的動力學(xué)分析

…WORKBENCH諧響應(yīng)分析

D.諧響應(yīng)結(jié)果獲取工具可以從諧響應(yīng)工具條獲取結(jié)果?？色@取三種類型的結(jié)果:一定頻率和相位角下，裝配體、零件、表面的位移、應(yīng)力、應(yīng)變的結(jié)果云圖。選定的點、線、面處的頻率響應(yīng)圖，包括加速度、位移、應(yīng)力、應(yīng)變的最小值、最大值、平均值。特定頻率下的零件的位移、應(yīng)力、應(yīng)變平均最大值、最小值相位響應(yīng)。與線性靜力分析不同，在獲取結(jié)果之前，必須啟動求解。否則，如果當(dāng)一個求解完成時，想獲取其它結(jié)果就必須重新進(jìn)行求解?，F(xiàn)在是61頁\一共有91頁\編輯于星期四

…諧響應(yīng)結(jié)果獲取工具通過諧響應(yīng)工具條，可以獲取任意有用的結(jié)果。確認(rèn)實體查詢結(jié)果的范圍。對于邊和表面，要確定平均值、最小值、最大值是否顯示。輸入其它適合的參數(shù)。如果要查詢的結(jié)果在求解的頻率之間，可用線性插值計算響應(yīng)。例如，如果在100和1000Hz之間以100Hz的間隔求解，若用戶想獲得333Hz處的結(jié)果,可以在300和400Hz之間進(jìn)行線性插值?，F(xiàn)在是62頁\一共有91頁\編輯于星期四

…RequestHarmonicToolResultsDesignSimulation假定響應(yīng)是諧函數(shù)(正弦).如果分量不同相，獲得的量，象等效應(yīng)力/主應(yīng)力不是簡諧的。因此這些結(jié)果并不可用。收斂控制并不能用在諧分析結(jié)果中。執(zhí)行模態(tài)分析，并在反映響應(yīng)的模態(tài)形狀上執(zhí)行收斂。這有助于確認(rèn)網(wǎng)格是否足夠密以達(dá)到在后續(xù)的諧分析中捕捉動態(tài)響應(yīng)。現(xiàn)在是63頁\一共有91頁\編輯于星期四

…求解模型在諧分析中并不用到求解明細(xì)窗中的選項。只有將要被求解的分析類型的狀態(tài)信息會顯示出來。在設(shè)定諧響應(yīng)分析選項與需求解的結(jié)果后，通常點擊“solve”按鈕，就可進(jìn)行求解?，F(xiàn)在是64頁\一共有91頁\編輯于星期四

…云圖顯示結(jié)果在給定頻率與相位角的條件下，可獲得應(yīng)力、應(yīng)變或位移分量的結(jié)果云圖現(xiàn)在是65頁\一共有91頁\編輯于星期四

…云圖動畫顯示這些結(jié)果可以制作成動畫播放。這些動畫使用到了實際的諧響應(yīng)（實部與虛部的結(jié)果）現(xiàn)在是66頁\一共有91頁\編輯于星期四

…頻率響應(yīng)圖可以顯示：應(yīng)力、應(yīng)變、位移或加速度的分量的圖象。在選中的結(jié)果中，要顯示出結(jié)果的平均值、最小或最值。Bodeplots(如右圖所示)是默認(rèn)的顯示方式。但也可以顯示實部與虛部的結(jié)果。通過按住Ctrl＋左鍵，用戶可在圖形上查詢結(jié)果。在命令條上，點擊右鍵，結(jié)果可輸出到Excel中。在視圖窗點擊左鍵，可改變圖形的屬性?，F(xiàn)在是67頁\一共有91頁\編輯于星期四

…頻率響應(yīng)圖在頻率給定的條件下，能繪出帶輸入力載荷的應(yīng)力、應(yīng)變、或位移各分量的相位對比圖。選定結(jié)果的平均、最小、最大可以用來追蹤輸入力載荷相位之間的關(guān)系。在本例中，響應(yīng)如預(yù)計的一樣滯后于輸入力，用戶可以檢查相位的差異。在視圖窗點擊左鍵，可改變圖形的屬性?，F(xiàn)在是68頁\一共有91頁\編輯于星期四

…RequestingResults一個諧響應(yīng)分析的求解通常需要進(jìn)行多次求解：使用頻率搜索器的模態(tài)分析總是首先執(zhí)行，以確定固有頻率與模態(tài)形狀。雖然模態(tài)分析在內(nèi)部采用模態(tài)疊加法，但模態(tài)的形狀并不能讓用戶查看。因此，必須插入或復(fù)制一個獨立的環(huán)境命令條，添加到頻率搜索器中。兩種諧分析的求解需要執(zhí)行:最初執(zhí)行的是諧分析頻率范圍的掃略，此時需要位移、應(yīng)力等。用戶可以看到感興趣的頻率范圍的結(jié)果。當(dāng)確定發(fā)生峰值響應(yīng)處的頻率和相位后，云圖顯示了在這些頻率下結(jié)構(gòu)的所有響應(yīng)?，F(xiàn)在是69頁\一共有91頁\編輯于星期四現(xiàn)在是70頁\一共有91頁\編輯于星期四WORKBENCH中的動力學(xué)分析

…WORKBENCH諧響應(yīng)分析

實例–目標(biāo)

目標(biāo):在這個練習(xí)，我們的目標(biāo)是研究如圖所示的機架(Frame.x_t)的諧響應(yīng).在給定頻率的作用下，確定機架的頻率響應(yīng)與應(yīng)力、變形狀況?，F(xiàn)在是71頁\一共有91頁\編輯于星期四–假定我們假定機架是用結(jié)構(gòu)鋼制造。假設(shè)機架為一焊接件，并是一個連續(xù)體（無接觸）。我們假定機架被設(shè)計用于支撐一臺設(shè)備，該設(shè)備在Y方向上傳遞400N的力，并以200Hz頻率運行。該設(shè)備被連接在與其它相互作用60度相位差的兩個不同位置上。結(jié)構(gòu)鋼的阻尼比率被認(rèn)為是常數(shù)0.2?，F(xiàn)在是72頁\一共有91頁\編輯于星期四–啟動界面選擇“Alinktoageometryfileonmycomputerornetwork”并選擇“Frame.x_t”.調(diào)用project文件“Frame”，其位置由指導(dǎo)教師給出?！癘penanewsimulationbasedontheselectedgeometry”當(dāng)DS啟動，點擊窗口右上角‘X’關(guān)閉臨時菜單。注意:關(guān)閉臨時菜單是為了給圖形顯示留出更多的空間。同時，盡管可以通過SimWiz來完成練習(xí)，還是建議你按指定的操作步驟完成練習(xí)?，F(xiàn)在是73頁\一共有91頁\編輯于星期四將單位制改為米“Units>Metric(m,kg,MPa,C,s)”.在進(jìn)行諧分析前，我們將會在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行一次模態(tài)分析。雖然在諧分析并不一定要求，但這樣能更好地了解結(jié)構(gòu)的固有頻率的情況，這會有助于選擇諧分析中被認(rèn)為更重要的結(jié)果。–前處理1.現(xiàn)在是74頁\一共有91頁\編輯于星期四–模態(tài)環(huán)境選中Environment命令條.選中在機架管子部分的8個圓柱孔表面?！癛MB>Insert>CylindricalSupports”.4.3.(8faces)2.現(xiàn)在是75頁\一共有91頁\編輯于星期四在明細(xì)表窗口中將圓柱體支撐約束的定義變更為Fixed/Fixed/Free.選中求解命令條.“RMB>Inser