ansys動(dòng)力分析之模態(tài)設(shè)計(jì)

Ansys

機(jī)械設(shè)計(jì)動(dòng)力分析青島大學(xué)信息工程學(xué)院*內(nèi)容提要 本章介紹動(dòng)力分析。在實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作中，動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)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(gòu)都面臨著動(dòng)力問(wèn)題。在航空航天、船舶、汽車(chē)等行業(yè)，動(dòng)力學(xué)問(wèn)題更加突出，在這些行業(yè)中將會(huì)接觸大量的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)（例如：軸、輪盤(pán)等結(jié)構(gòu)）。本章重點(diǎn)重點(diǎn)動(dòng)力分析介紹結(jié)構(gòu)模態(tài)分析諧響應(yīng)分析瞬態(tài)響應(yīng)分析響應(yīng)譜分析1.動(dòng)力分析介紹1.1動(dòng)力分析的類(lèi)型：通常的動(dòng)力分析的工作主要有系統(tǒng)的動(dòng)力特性分析（即求解結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型），和系統(tǒng)在受到一定的載荷時(shí)的功力響應(yīng)分析兩部分構(gòu)成。根據(jù)系統(tǒng)的特性可分為線性動(dòng)力分析和非線性動(dòng)力分析。根據(jù)載荷時(shí)間的變化關(guān)系可以分為穩(wěn)態(tài)動(dòng)力分析和瞬態(tài)動(dòng)力分析。動(dòng)力學(xué)分析動(dòng)力特性分析動(dòng)力響應(yīng)分析線性動(dòng)力分析非線性動(dòng)力分析穩(wěn)態(tài)動(dòng)力分析瞬態(tài)動(dòng)力分析1.動(dòng)力分析介紹1.2.

動(dòng)力分析的分類(lèi)模態(tài)分析響應(yīng)分析瞬態(tài)動(dòng)力分析譜分析1.動(dòng)力分析介紹第四節(jié)

結(jié)構(gòu)模態(tài)分析實(shí)例4.1.提出問(wèn)題：

齒輪的工作狀態(tài)是變化的，即動(dòng)態(tài)的，由于結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性決定結(jié)構(gòu)對(duì)于各種動(dòng)力載荷的響應(yīng)情況。所以在準(zhǔn)備進(jìn)行其他分析之前，首先要進(jìn)行模態(tài)分析。齒輪實(shí)體圖如下圖所示。標(biāo)準(zhǔn)齒輪模型4.2.建立模型 建立模型包括設(shè)定分析作業(yè)名和標(biāo)題；定義單元類(lèi)型和實(shí)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(shè)定分析作業(yè)名和標(biāo)題：（1）執(zhí)行Utilitymenu：File>ChangeJobname

命令，將打開(kāi)ChangeJobname

對(duì)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(shí)例的數(shù)據(jù)庫(kù)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(kāi)ChangeTitle（修改標(biāo)題）對(duì)話框； （5）在Enternewtitle（輸入新標(biāo)題）文本框中輸入文字“dynamicanalysisofagear”，如圖示；單擊OK按鈕完成對(duì)標(biāo)題名的指定；

（6）執(zhí)行UtilityMenu：Plot>Replot

命令，指定的標(biāo)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(kāi)PreferenceofGUIFiltering（菜單過(guò)濾參數(shù)選擇）對(duì)話框，選中Structural復(fù)選框，單擊ok按鈕。4.2.2.定義單元類(lèi)型： 在進(jìn)行有限元分析時(shí)，首先根據(jù)分析問(wèn)題的幾何結(jié)構(gòu)、分析類(lèi)型和所分析的問(wèn)題的精度要求等，選定合適具體分析的單元類(lèi)型。本例選用二十結(jié)點(diǎn)體單元SOLID186；（1）執(zhí)行MainMenu：Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete命令，將打開(kāi)ElementType（單元類(lèi)型）對(duì)話框；（2）單擊Add，將打開(kāi)LibraryofElementType（單元類(lèi)型庫(kù)）；（3）然后再左面列表框中選中Solid選項(xiàng)；在右面的列表框中選擇Brick20node186選項(xiàng)，即選擇了二十結(jié)點(diǎn)體單元SOLID186，如圖示；（4）單擊ok，將SOLID186單元添加，并關(guān)閉單元類(lèi)型對(duì)話框；（5）單擊Close，關(guān)閉單元類(lèi)型對(duì)話框，結(jié)束單元類(lèi)型的添加。4.2.3定義實(shí)常數(shù)：

本實(shí)例中選用三維SOLID186單元，不需要設(shè)置其厚度實(shí)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(kāi)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(kāi)材料屬性的樹(shù)形結(jié)構(gòu)，將打開(kāi)1號(hào)材料的彈性模量EX和泊松比PRXY的定義對(duì)話框；（3）在彈出對(duì)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(hào)為1的材料的屬性。（4）依次雙擊Structural>Density，打開(kāi)定義材料密度的對(duì)話框，并在DENS文本框中輸入密度值“7.8e3”。單擊ok，關(guān)閉對(duì)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(hào)為1的材料屬性下面出現(xiàn)密度項(xiàng)。（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(shí)體模型：

4.2.5.1建立齒輪的一個(gè)扇形模型:

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

（2）定義一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)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(gè)點(diǎn)作為輔助點(diǎn)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(gè)點(diǎn)作為輔助點(diǎn)執(zhí)行UtilityMenu：WorkPlane>OffsetWPto>Keypoints+;

在Ansys圖形窗口選擇110號(hào)點(diǎn)，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(kāi)的對(duì)話框后，在XY，YZ，ZXAngles文本框中輸入-50，0，0，點(diǎn)擊ok，結(jié)果如圖示；

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

（7）建立第二個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)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(guān)鍵點(diǎn)

（8）將激活的坐標(biāo)系設(shè)置為總柱面坐標(biāo)系。

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

（9）建立其余的輔助點(diǎn) 按照（3）同樣的步驟建立其余的輔助點(diǎn)，將其編號(hào) 分別設(shè)置為120，130，140，150，160，其坐標(biāo)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(diǎn)的結(jié)果

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

在Ansys圖形窗口選擇120號(hào)點(diǎn)，單擊ok；

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

（12）將激活的坐標(biāo)系設(shè)置為工作平面坐標(biāo)系

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

（13）建立第三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)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(fù)以上步驟，分別把工作平面平移到編號(hào)為 130，140，150，160的輔助點(diǎn)，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(shè)為當(dāng)前坐 標(biāo)系，在工作平面中分別建立編號(hào)為4，5，6，7的關(guān) 鍵點(diǎn)，其坐標(biāo)為（14.513，0），（15.351，0）， （16.189，0）,（17.027，0）。建立關(guān)鍵點(diǎn)的結(jié)果 如圖示；

（15）建立編號(hào)為8，9，10的關(guān)鍵點(diǎn)將激活的坐標(biāo)設(shè)置為柱面坐標(biāo)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(biāo)系中創(chuàng)建圓弧線執(zhí)行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Create>Lines>StraightLine+分別拾取關(guān)鍵點(diǎn)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(lái)，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(diǎn)擊ok；ANSYS會(huì)提示是否刪除原來(lái)的線，選擇Deleted選項(xiàng)，單擊ok；

（18）偏移工作平面到總坐標(biāo)系的原點(diǎn);

執(zhí)行UtilityMenu：WorkPlane>OffsetWPto>GlobalOrigin+； （19）偏移工作平面與總體直角坐標(biāo)系對(duì)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(diǎn)擊ok； （21）將激活的坐標(biāo)系設(shè)置為工作平面坐標(biāo)系；執(zhí)行 UtilityMenu：WorkPlane>ChangeActive CSto>WorkingPlane;

（22）將所有線沿X-Z進(jìn)行鏡象（在Y方向）執(zhí)行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Reflect>Lines+在對(duì)話框中選擇PickAll；ANSYS會(huì)提示選擇鏡象的面和編號(hào)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(yè)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(lái)執(zhí)行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Glue>Lines;選擇齒頂上的兩條線，點(diǎn)擊OK。 （24）把齒頂上的兩條線加起來(lái)，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(diǎn)擊OK。 （25）在柱面坐標(biāo)系下進(jìn)行拷貝線將激活的坐標(biāo)系設(shè)置為總體柱面坐標(biāo)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(biāo)④ANSYS會(huì)提示拷貝線的數(shù)量和偏移坐標(biāo)，在Numberofcopies文本框中輸入36，單擊OK，如上頁(yè)圖所示。⑤在柱面坐標(biāo)系下進(jìn)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(lái)執(zhí)行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Glue>Lines;選擇齒頂上的兩條線，點(diǎn)擊OK。 （27）把齒頂上的所有線加起來(lái)執(zhí)行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Add>Lines;分別選擇齒底上的兩條線，點(diǎn)擊OK。把齒底上的所有線加起來(lái)。 （28）把所有線粘接起來(lái)執(zhí)行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Glue>Lines;單擊PickAll。 （29）用當(dāng)前定義的所有線創(chuàng)建一個(gè)面執(zhí)行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Arbitrary> ByLines+;②選擇所有的線，點(diǎn)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(duì)象，單擊OK。所得結(jié)果如圖所示。

（32）存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)ANSYS； （33）用當(dāng)前定義的一個(gè)面創(chuàng)建一個(gè)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(shí)將打開(kāi)的ExtrudeAreaalongNormal對(duì)話框，在Lengthofextrusion文本框中輸入8，如圖示。 （34）創(chuàng)建一個(gè)圓柱體執(zhí)行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Create>Volumes>Cylinder>SolidCylinder;

WPX=0，WPY=0，Radius=16，Depth=-2.5，點(diǎn)擊OK，將生成一個(gè)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(diǎn)擊OK，如圖示； （36）創(chuàng)建另一個(gè)圓柱體執(zhí)行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Create>Volumes>Cylinder>SolidCylinder;

WPX=0，WPY=0，Radius=16，Depth=-2.5，點(diǎn)擊OK，將生成一個(gè)圓柱體。 （37）從齒輪體中“減”去兩個(gè)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(gè)圓柱體作為布爾“減”去的對(duì)象，單擊OK。所得結(jié)果如圖所示。 （38）將激活的坐標(biāo)系設(shè)置為總體柱面坐標(biāo)系執(zhí)行：UtilityMenu：WorkPlane>ChangeActiveCSto>GlobalCylindrical； （39）定義一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)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(guān)鍵點(diǎn)，單擊OK。 （41）將激活的坐標(biāo)系設(shè)置為工作平面坐標(biāo)系執(zhí)行UtilityMenu：WorkPlane>ChangeActiveCSto>WorkingPlane； （42）創(chuàng)建一個(gè)圓柱體執(zhí)行Preprocessor>Modeling>Create>Volumes>Cylinder>SolidCylinder;WPX=0，WPY=0，Radius=2.5，Depth=-8，點(diǎn)擊OK，將生成一個(gè)圓柱體。 （43）將激活的坐標(biāo)系設(shè)置為總體柱面坐標(biāo)系執(zhí)行：UtilityMenu：WorkPlane>ChangeActiveCSto>GlobalCylindrical； （44）將小圓柱沿圓周方向復(fù)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(duì)象，單擊OK。所得結(jié)果如圖所示。這時(shí)如果有警告彈出，單擊Close。存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)ANSYS；

4.2.6對(duì)齒輪體進(jìn)行網(wǎng)格劃分： （1）本節(jié)選用SOLID186單元對(duì)盤(pán)面劃分網(wǎng)格。執(zhí)行MainMenu：Preprocessor>Meshing>MeshTool;激活“SmartSize”，將滑標(biāo)設(shè)置為3，按Mesh按鈕，這時(shí)出現(xiàn)MeshVolumes對(duì)話框，點(diǎn)擊PickAll按鈕。4.3.模型求解 在進(jìn)行模態(tài)分析中，建立有限元模型后，就需要進(jìn)行模態(tài)設(shè)置、施加邊界條件、進(jìn)行模態(tài)擴(kuò)展設(shè)置、進(jìn)行擴(kuò)展求解。4.3.1進(jìn)行模態(tài)分析設(shè)置：執(zhí)行MainMenu：Solution>AnalysisType>NewAnalysis；在打開(kāi)的對(duì)話框中，要求選擇分析的種類(lèi)，選擇“Modal”，單擊OK按鈕。如圖示；3. 執(zhí)行MainMenu：Solution>AnalysisType>AnalysisOptions；在打開(kāi)的對(duì)話框中，要求進(jìn)行模態(tài)分析設(shè)置，選擇“BlockLanczos”，在NO.ofnodestoextract文本框中輸入15，將Expandmodetoshapes設(shè)置為Yes；在NO.ofnodestoexpand文本框中輸入15，單擊OK按鈕。如圖示；將打開(kāi)BlockLanczosMethod對(duì)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(kāi)關(guān)鍵點(diǎn)選擇對(duì)話框，要求選擇欲施加位移約束的關(guān)鍵點(diǎn)，選擇內(nèi)徑上的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，如158號(hào)關(guān)鍵點(diǎn)，單擊OK按鈕。如圖示；選擇關(guān)鍵點(diǎn)選擇約束的種類(lèi)4.3.3進(jìn)行求解：執(zhí)行MainMenu：Solution>Solve>CurrentLS；打開(kāi)一個(gè)確認(rèn)對(duì)話框和狀態(tài)列表，要求查看列出的求解選項(xiàng)；查看列表中的信息確認(rèn)無(wú)誤后，單擊OK按鈕，開(kāi)始求解；ANSYS會(huì)顯示求解過(guò)程中的狀態(tài)。求解完成后將打開(kāi)對(duì)話框提示求解結(jié)束，單節(jié)close；執(zhí)行MainMenu：Finish;求解當(dāng)前載荷步確認(rèn)對(duì)話框4.3.4進(jìn)行模態(tài)擴(kuò)展設(shè)置：重新進(jìn)入求解器，執(zhí)行MainMenu：Solution>LoadStepOpts>ExpansionPass>SingleExpand>Expandmodes;在打開(kāi)的ExpandModes對(duì)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(shè)為Yes，單擊OK按鈕，如圖示；設(shè)置頻率范圍執(zhí)行MainMenu：Solution>LoadStepOpts>OutputCtrls>DB/ResultsFiles;打開(kāi)數(shù)據(jù)輸出設(shè)置對(duì)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(shè)置執(zhí)行MainMenu：Solution>LoadStepOpts>OutputCtrls>SoluPrintout;打開(kāi)結(jié)果輸出設(shè)置對(duì)話框，在ItemforprintoutControl列表框中選擇AllItem，在Pri