實驗四：ANSYS模態(tài)分析

高速旋轉輪盤擬態(tài)分析在進行高速旋轉機械的轉子系統(tǒng)動力設計時，需要對轉動部件進行模態(tài)分析，求解出其固有頻率和相應的模態(tài)振型。通過合理的設計使其工作轉速盡量遠離轉子系統(tǒng)的固有頻率。而對于高速部件，工作時由于受到離心力的影響，其固有頻率跟靜止時相比會有一定的變化。為此，在進行模態(tài)分析時需要考慮離心力的影響。通過該實驗掌握如何用ANSYS進行有預應力的結構的模態(tài)分析。一．問題描述本實驗是對某高速旋轉輪盤進行考慮離心載荷引起的預應力的模態(tài)分析，求解出該輪盤的前5階固有頻率及其對應的模態(tài)振型。輪盤截面形狀如下圖，該輪盤安裝在某轉軸上以12000轉/分的速度高速旋轉。相關參數為：彈性模量EX＝2.1E5Mpa，泊松比PRXY＝0.3，密度DENS＝7.8E-9Tn/mm3。1-5關鍵點坐標：1(-10,150,0)2(-10,140,0)3(-3,140,0)4(-4,55,0)5(-15,40,0)L=10+〔學號×0.1〕二．分析具體步驟定義工作名、工作標題、過濾參數=1\*GB3①定義工作名：Utilitymenu>File>Jobname=2\*GB3②工作標題：Utilitymenu>File>ChangeTitle〔個人學號〕選擇單元類型本實驗將選用六面體結構實體單元來分析，但在建模過程中需要使用四邊形平面單元，所有需要定義兩種單元類型：PLANE42和SOLID45，具體操作如下：MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete=1\*GB3①“StructuralSolid〞→“Quad4node42〞→Apply〔添加PLANE42為1號單元〕=2\*GB3②“StructuralSolid〞→“Quad8node45〞→ok〔添加六面體單元SOLID45為2號單元〕在ElementTypes(單元類型定義)對話框的列表框中將會列出剛定義的兩種單元類型：PLANE42、SOLID45，關閉ElementTypes(單元類型定義)對話框，完成單元類型的定義。設置材料屬性由于要進行的是考慮離心力引起的預應力作用下的輪盤的模態(tài)分析，材料的彈性模量EX和密度DENS必須定義。=1\*GB3①定義材料的彈性模量EXMainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels>Structural>Linear>Elastic>Isotropic彈性模量EX＝2.1E5泊松比PRXY＝0.3=2\*GB3②定義材料的密度DENSMainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels>densityDENS=7.8E-9實體建模對于本實例的有限元模型，首先需要建立輪盤的截面幾何模型，然后對其進行網格劃分，最后通過截面的有限元網格掃描出整個輪盤的有限元模型。具體的操作過程如下。=1\*GB3①創(chuàng)立關鍵點操作：MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>InActiveCS=2\*GB3②由關鍵點生成線的操作：MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Lines>InActiveCoord=3\*GB3③建立圓角：Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Lines>LinesFillet=4\*GB3④生成面：MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Arbitrary>ByLines〔逆時針選線〕5.劃分網絡MainMenu>Preprocessor>Meshing>MeshTool=1\*GB3①對全局進行設置。單擊SizeControls(尺寸控制區(qū))全局設置項(Global)的Set按鈕，將彈出GlobalElementSizes單元尺寸全局設置對話框在對話框中輸入ElementedgeLength(單元邊長度)為6.7。=2\*GB3②單擊SizeControls(尺寸控制區(qū))Lines(線設置項)的按鈕，將彈出ElementSizeonPickedLines(在所選線上定義單元尺寸)的拾取對話框。用鼠標左鍵在圖形輸出窗口中拾取圓角對應的線。單擊ok按鈕，將彈出ElementSizeonPickedLines(在所選線上定義單元尺寸)對話框，在對話框中輸入No.ofelementdivisions(每條線將要分成的單元數)為1，設定圓角處對應的線只分一個單元。(由于是模態(tài)分析，只要能反響出需要知道的前幾階模態(tài)就行，而不需要知道具體的應力值，所以不需要對此處進行單元細化。)=3\*GB3③對分網進行控制。在分網控制區(qū)的Mesh下拉框中選定分網類型為Area(面)，Shape(網格形狀)設置為Quad(四邊形)，分網方式設置為Free(自由分網)。=4\*GB3④對面進行分網。在MeshTool(分網工具)對話框中單擊Mesh按鈕，將彈出MeshAeras(對面劃分網格)拾取對話框。從圖形輸出窗口中拾取創(chuàng)立的面，單擊ok按鈕。完成網格劃分。6.出整個輪盤的有限元模型通過將面繞軸旋轉成有限元實體模型的功能，將前面建立的輪盤截面有限元網格，圍繞定義的旋轉軸掃掠成整個輪盤的實體有限元模型。具體的操作過程如下。=1\*GB3①定義旋轉軸。可以通過定義旋轉軸所在軸線上的兩個關鍵點來，指定旋轉軸的位置。MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>InActiveCS生成兩個關鍵點20、21。關鍵點20：X,Y,Z位置分別為-10，0，0關鍵點21：X,Y,Z位置分別為10，0，0=2\*GB3②設置單元生成選項MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Extrude>ElemExtOpts，彈出ElementExtrusionOptions(單元擠出選項)對話框，在對話框中的Elementtypenumber(單元類型序號)下拉框中選擇2號單元SOLID45。單元尺寸選項中的分割單元數〔VAL1NO.ElemDivs〕設置為18，即在擠壓出的每個體上將沿周向被分成18份。拉伸比例為0，保持等截面拉伸。將Cleararea(s)afterext(刪除原始面)設置為Yes，在擠壓的單元完成之后將刪除原來的面以及其上的單元。單擊ok按鈕，完成對單元選項的設置。=3\*GB3③繞軸旋轉截面MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Extrude>Areas>AboutAxis，將彈出SweepAreasaboutAxis(繞軸掃描面)的拾取對話框。從圖形輸出窗口中選擇創(chuàng)立好的平面網格，單擊拾取對話框中的按鈕。然后從圖形窗口中選取定義旋轉軸的關鍵點20，21，單擊ok按鈕，將彈出SweepAreasaboutAxis對話框，在對話框中輸入旋轉角度為(Arclengthindegrees)360，No.ofvolumesegments〔一周創(chuàng)立體的數目〕為4，單擊ok按鈕。創(chuàng)立如下圖的整個盤的有限元模型。=4\*GB3④觀察創(chuàng)立的網格形式。UtilityMenu>Plot>Element，圖形窗口中將會顯示出由平面網格掃掠而成的實體單元網格情況。存盤，SAVE_DB。至此，完成了創(chuàng)立輪盤有限元模型的所有工作。7.節(jié)點的坐標變換根據輪盤的工作情況其約束條件為盤心軸向和周向約束，這種約束條件在直角坐標系下無法定義，而柱坐標下可以非常方便地定義。根據ANSYS程序中坐標系的定義規(guī)那么，需要將柱坐標系的Z軸和旋轉軸重合，Y軸表示轉角，X軸表示徑向。ANSYS程序提供的全局柱坐標系不滿足要求。通?？梢杂袃煞N方法來解決這個問題：a.將所建有限元模型進行旋轉使其軸向和柱坐標Z軸方向一致。b.重新建立一個柱坐標系使其的Z向和旋轉軸一致。本實例采用第二種方法。具體操作過程如下：=1\*GB3①UtilityMenu>WorkPlane>OffsetWPbyIncrements，彈出OffsetWP(工作平面偏移)菜單,拖動Degrees滑動條，將Degrees(旋轉角度)值設置為90。單擊按鈕，使工作平面繞Y軸正向旋轉90度，單擊ok按鈕，將工作平面的WZ軸和總體坐標系的X軸方向重合，。=2\*GB3②在工作平面原點創(chuàng)立柱坐標系。UtilityMenu>WorkPlane>LocalCoordinateSystems>CreateLocalCS>AtWPOrigin，將彈出CreateLocalCSatWPOrigin(在工作平面原點創(chuàng)立本地坐標系)對話框，Refnumberofnewcoordsys(新坐標系的參考序號)缺省值為11，一般就使用缺省值，也可自己設定。在Typeofcoordinatesystem(坐標系類型)下拉框中選取Cylindrical1(柱坐標系),其它設置為缺省值。單擊ok按鈕。將完成要求的柱坐標系的創(chuàng)立，并且將新建坐標系定義為當前激活坐標系。=3\*GB3③將所有節(jié)點移到當前柱坐標系中。MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Nodes>RotateNodeCS>ToActiveCS將彈出RotateNodesintoCS菜單。在菜單中單擊按鈕，將所有的節(jié)點都移到當前激活柱坐標系下。8.進行靜力分析由于對輪盤模態(tài)的分析需要考慮離心力引起的應力對模態(tài)的影響，所以需要先對其進行靜力分析，求解出離心力產生的應力，及其對剛度陣的影響，將結果寫入數據庫文件。有預應力的輪盤靜力分析具體過程如下。=1\*GB3①指定分析類型及分析選項a．MainMenu>Solution>NewAnalysis→“Static〞b．MainMenu>Solution>Sol’nControls，將彈出求解控制(SolutionControls)對話框。單擊標簽“Basic〞，在CalculatePrestresseffects選項前打“√〞。翻開預應力選項。=2\*GB3②定義邊界條件和轉速對于本實例分析的輪盤，由安裝條件知道其邊界條件應該是，在輪盤盤心的節(jié)點軸向和周向固定，而徑向自由。其離心載荷是由于高速旋轉產生的，因此需要在分析時指定輪盤的旋轉速度，具體操作過程如下：a．將要加載模型放大。在圖形窗口中選取盤心局部，對其進行放大，以便在加載時能夠準確地選擇所要加載的模型元素(本實例為節(jié)點)。b．定義約束MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>OnNodes，將彈出ApplyU,ROTonNodes(給節(jié)點施加約束)對話框，單擊對話框中的Circle單項選擇按鈕，選用圓形區(qū)域選擇方式(因為需要約束的為盤心節(jié)點)。將光標移至盤心，按住鼠標左鍵并拖動光標，在圖形窗口中將會出現一個選擇用的圓形選擇框隨光標移動，當圓形框剛好將盤心所有的第一排節(jié)點選中，而沒有選擇第二排節(jié)點時，放開按鈕。將會將所有盤心的節(jié)點選中，后面的約束也將施加在這些節(jié)點上。單擊ok按鈕，將彈出ApplyU,ROTonNodes(給節(jié)點施加約束)的對話框，在對話框的DOFstobeconstrained(被約束自由度)列表框中選擇UY,UZ兩個自由度，分別表示對周向和軸向施加約束。在Displacementvalue(位移約束值)文本框中輸入0(缺省值為：0)。c．定義轉速MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Inertia>AngularVelocity>Global，將彈出Applyangularvelocity(角速度定義)對話框，在對話框中的GlobalCartesianX-comp(繞總體坐標系中X軸旋轉角速度)文本框中輸入1256.64，指定輪盤的旋轉速度為1256.64弧度/秒。單擊ok按鈕，完成對旋轉角速度的定義。存盤SAVE_DB。=3\*GB3③進行求解MainMenu|Solution|CurrentLS9．進行模態(tài)分析設定由于模態(tài)分析時位移約束條件和進行靜力分析時一樣，而靜力分析時所定義的轉速在模態(tài)分析時將被忽略，因此進行模態(tài)分析時再不需要重新定義邊條，可以直接進入求解菜單進行求解。=1\*GB3①指定分析選項MainMenu>Solution>AnalysisType>NewAnalysis→“Modal〞(模態(tài)分析)=2\*GB3②分析選型設定MainMenu>Solution>AnalysisType>AnalysisOptions將彈出模態(tài)分析選項對話框,在對話框中，指定Modeextractionmethod(模態(tài)提取方法)為BlockLanczos(分塊蘭索斯法)，并指定No.ofmodesextract(提取模態(tài)的階數)為10,將Expandmodeshapes(模態(tài)擴展)設置為“YES〞,在No.ofmodestoexpand(模態(tài)擴展階數)文本框中輸入10。這樣ANSYS程序在進行模態(tài)求解的同時將完成模態(tài)的擴展，不需要再單獨進行模態(tài)擴展。將Inclprestresseffects(預應力效應)設置為“YES〞，這樣在進行模態(tài)分析時ANSYS程序將會把前面靜力分析中求解得到的離心力產生的應力對剛度的影響考慮進去。(重要)單擊ok按鈕，將會彈出BlockLanczosMethod(蘭索斯法模態(tài)分析選項)對話框，在對話框中對模態(tài)提取的范圍進行定義，一般定義的范圍要求將所關心的所有頻率都包含在指定的范圍之內，這里指定的值為：StartFreq(開始頻率)是0，EndFrequency(結束頻率)是99999999。單擊ok按鈕，完成對分析選項的設置。=3\*GB3③進行求解MainMenu|Solution|CurrentLS10.后處理=1\*GB3①列出固有頻率MainMenu>GeneralPostproc>ResultsSummary，將列出輪盤的所有求解的固有頻率，在文本框里列出了輪盤的前10階固有頻率，可以看出有些頻率值相同，這是由于輪盤結構和邊條都是對稱的，會出現振型和頻率相同但相位不同的情況。=2\*GB3②觀察解得的模態(tài)本實例中由于設置了對模態(tài)進行擴展，所以對于求得的每一階固有頻率，程序同時都求解了其對應的模態(tài)振型，來反映在該固有頻率時，輪盤的各節(jié)點的位移情況?？梢岳猛ㄓ煤筇幚砥鞣奖愕貙?/p>