彈性力學(xué)仿真軟件：ANSYS：結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析基礎(chǔ)

彈性力學(xué)仿真軟件：ANSYS：結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析基礎(chǔ)1緒論1.1結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)概述結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)是研究結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)載荷作用下的響應(yīng)和行為的學(xué)科。它涵蓋了振動(dòng)理論、動(dòng)力學(xué)方程的求解、以及結(jié)構(gòu)在各種動(dòng)態(tài)載荷（如地震、風(fēng)、爆炸、機(jī)械沖擊等）下的性能分析。結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析對(duì)于確保結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)環(huán)境中的安全性和可靠性至關(guān)重要。1.2ANSYS在結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析中的應(yīng)用ANSYS是一款廣泛應(yīng)用于工程分析的軟件，特別在結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域，它提供了強(qiáng)大的工具和算法來(lái)模擬和預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。ANSYS可以進(jìn)行模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析和隨機(jī)振動(dòng)分析，幫助工程師理解結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免共振和疲勞破壞。1.3仿真軟件基本操作介紹在使用ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，基本操作流程包括前處理、求解和后處理三個(gè)階段。1.3.1前處理前處理階段涉及模型的建立，包括幾何建模、網(wǎng)格劃分、材料屬性定義、邊界條件和載荷的設(shè)定。例如，定義材料屬性時(shí)，可以使用以下代碼：#ANSYSPythonAPI示例：定義材料屬性

fromansys.mapdl.coreimportlaunch_mapdl

mapdl=launch_mapdl()

mapdl.prep7()

mapdl.mp('EX',1,200e3)#定義材料的彈性模量為200GPa

mapdl.mp('DENS',1,7800)#定義材料的密度為7800kg/m^31.3.2求解求解階段是運(yùn)行分析，計(jì)算結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。例如，進(jìn)行模態(tài)分析的代碼如下：#ANSYSPythonAPI示例：進(jìn)行模態(tài)分析

mapdl.antype('MODAL')#設(shè)置分析類型為模態(tài)分析

mapdl.modopt('LANB',10)#設(shè)置求解器為L(zhǎng)anczos，求解前10個(gè)模態(tài)

mapdl.solve()1.3.3后處理后處理階段用于查看和分析結(jié)果，包括結(jié)果的可視化和數(shù)據(jù)提取。例如，提取模態(tài)頻率的代碼：#ANSYSPythonAPI示例：提取模態(tài)頻率

frequencies=mapdl.post1()

frequencies=mapdl.prnsol('EIGFREQ')

print(frequencies)通過(guò)以上步驟，工程師可以全面地分析結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)載荷下的行為，從而做出更準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)決策。2彈性力學(xué)仿真軟件：ANSYS：結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析基礎(chǔ)-前處理：模型建立2.1創(chuàng)建ANSYS項(xiàng)目在開(kāi)始ANSYS結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析之前，首先需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)新的項(xiàng)目。這一步驟涉及到定義項(xiàng)目的基本信息，如項(xiàng)目名稱、分析類型、單位系統(tǒng)等。在ANSYSWorkbench中，可以通過(guò)以下步驟創(chuàng)建項(xiàng)目：打開(kāi)ANSYSWorkbench，點(diǎn)擊“NewProject”創(chuàng)建新項(xiàng)目。在彈出的對(duì)話框中，輸入項(xiàng)目名稱，選擇保存路徑。選擇“StructuralSystem”作為分析類型，這將確保我們使用的是結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模塊。定義單位系統(tǒng)，例如選擇“mm,N,s”以毫米、牛頓和秒為基本單位。2.2選擇材料屬性ANSYS允許用戶為模型中的不同部件指定材料屬性，這對(duì)于準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析至關(guān)重要。材料屬性包括密度、彈性模量、泊松比等，這些參數(shù)直接影響結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。例如，對(duì)于鋼材料，可以在材料庫(kù)中選擇“Steel”，或者手動(dòng)輸入材料屬性：密度：7850kg/m^3彈性模量：200GPa泊松比：0.3在ANSYSWorkbench中，材料屬性的設(shè)置通常在“ProjectSchematic”界面的“Material”模塊中進(jìn)行。選擇材料后，可以在“Properties”面板中查看和修改材料屬性。2.3幾何建模與網(wǎng)格劃分2.3.1幾何建模幾何建模是結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)，它涉及到創(chuàng)建或?qū)肽Ｐ偷膸缀涡螤?。ANSYS提供了多種建模工具，包括直接建模、基于草圖的建模以及從CAD軟件導(dǎo)入模型。例如，創(chuàng)建一個(gè)簡(jiǎn)單的梁模型：在“Geometry”模塊中，選擇“Createanewgeometry”。使用“Sketch”工具繪制梁的截面。使用“Extrude”工具將截面拉伸成三維模型。2.3.2網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分是將連續(xù)的幾何模型離散化為有限數(shù)量的單元，以便進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。ANSYS提供了自動(dòng)網(wǎng)格劃分工具，同時(shí)也支持手動(dòng)調(diào)整網(wǎng)格尺寸和質(zhì)量。網(wǎng)格劃分的質(zhì)量直接影響分析的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率。例如，對(duì)于上述梁模型，可以使用以下步驟進(jìn)行網(wǎng)格劃分：在“Mesh”模塊中，選擇“Solve”以自動(dòng)劃分網(wǎng)格。在“Meshing”面板中，可以調(diào)整“Size”參數(shù)以控制網(wǎng)格的平均尺寸。使用“ManualSizeControl”工具，可以在模型的特定區(qū)域手動(dòng)調(diào)整網(wǎng)格尺寸，以提高局部精度。2.3.3示例：網(wǎng)格劃分代碼#ANSYSMeshingAPI示例代碼

#假設(shè)已經(jīng)加載了ANSYSMeshingAPI庫(kù)

#創(chuàng)建Meshing對(duì)象

meshing=ansys.meshing.prime.Meshing()

#設(shè)置網(wǎng)格尺寸

meshing.set_default_size(10)#設(shè)置默認(rèn)網(wǎng)格尺寸為10mm

#手動(dòng)調(diào)整特定區(qū)域的網(wǎng)格尺寸

meshing.set_size_on_curves(curve_ids=[1,2],size=5)#在曲線ID為1和2的區(qū)域，設(shè)置網(wǎng)格尺寸為5mm

#執(zhí)行網(wǎng)格劃分

meshing.mesh()在上述代碼中，我們首先創(chuàng)建了一個(gè)Meshing對(duì)象，然后設(shè)置了網(wǎng)格的默認(rèn)尺寸和特定區(qū)域的網(wǎng)格尺寸，最后執(zhí)行了網(wǎng)格劃分。這只是一個(gè)簡(jiǎn)化的示例，實(shí)際的ANSYS網(wǎng)格劃分API提供了更復(fù)雜和詳細(xì)的控制選項(xiàng)。通過(guò)以上步驟，我們可以完成ANSYS項(xiàng)目的基本前處理工作，包括項(xiàng)目創(chuàng)建、材料屬性設(shè)置以及幾何建模和網(wǎng)格劃分。這些準(zhǔn)備工作為后續(xù)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析奠定了基礎(chǔ)。3邊界條件與載荷3.1定義邊界條件邊界條件在結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析中至關(guān)重要，它們定義了結(jié)構(gòu)與周圍環(huán)境的相互作用。在ANSYS中，邊界條件可以分為幾種類型：固定約束：限制結(jié)構(gòu)在特定方向上的位移。旋轉(zhuǎn)約束：限制結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)。接觸條件：定義不同部件之間的接觸行為。周期性邊界條件：在對(duì)稱結(jié)構(gòu)中使用，以減少計(jì)算量。3.1.1示例：固定約束假設(shè)我們有一個(gè)簡(jiǎn)單的梁模型，需要在兩端施加固定約束。在ANSYS中，可以通過(guò)以下步驟定義：選擇節(jié)點(diǎn)：首先，選擇梁的兩端節(jié)點(diǎn)。施加約束：使用*SET,NSET,Nall選擇所有節(jié)點(diǎn)，然后使用D,node,DOF,0命令來(lái)固定節(jié)點(diǎn)。*SET,NSET,Nall

NSEL,S,NODE,1,100

D,ALL,UX,0

D,ALL,UY,0這段代碼中，NSEL,S,NODE,1,100選擇了節(jié)點(diǎn)1到100，D,ALL,UX,0和D,ALL,UY,0分別固定了這些節(jié)點(diǎn)在X和Y方向上的位移。3.2施加載荷載荷的施加是結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析中的另一個(gè)關(guān)鍵步驟，它決定了結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。ANSYS支持多種載荷類型，包括：集中力：作用在單個(gè)節(jié)點(diǎn)上的力。分布力：作用在結(jié)構(gòu)表面或體積上的力。慣性力：由加速度引起的力。3.2.1示例：集中力假設(shè)我們需要在節(jié)點(diǎn)50上施加一個(gè)沿Y方向的集中力，大小為100N。在ANSYS中，可以使用F,node,DOF,force命令來(lái)實(shí)現(xiàn)：F,50,FY,100這里，F(xiàn),50,FY,100表示在節(jié)點(diǎn)50上施加一個(gè)沿Y方向的力，大小為100N。3.3時(shí)間歷程載荷的設(shè)置時(shí)間歷程載荷是指隨時(shí)間變化的載荷，如地震載荷、風(fēng)載荷等。在ANSYS中，可以通過(guò)定義時(shí)間歷程函數(shù)來(lái)施加這類載荷。3.3.1示例：時(shí)間歷程載荷假設(shè)我們有一個(gè)隨時(shí)間變化的力，其表達(dá)式為F(t)=100*sin(2*pi*t)，作用在節(jié)點(diǎn)50的Y方向上。在ANSYS中，可以使用*FUNCTION定義時(shí)間歷程函數(shù)，然后使用F,node,DOF,function命令施加載荷：*FUNCTION,Ftime,100*sin(2*pi*t),t

F,50,FY,Ftime這里，*FUNCTION,Ftime,100*sin(2*pi*t),t定義了一個(gè)時(shí)間歷程函數(shù)Ftime，表達(dá)式為100*sin(2*pi*t)，其中t是時(shí)間變量。F,50,FY,Ftime表示在節(jié)點(diǎn)50上施加沿Y方向的力，其大小隨時(shí)間按照Ftime函數(shù)變化。通過(guò)以上步驟，我們可以在ANSYS中有效地定義邊界條件和施加載荷，包括復(fù)雜的時(shí)間歷程載荷，為結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析提供必要的輸入。4求解設(shè)置4.1選擇求解類型在進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，首先需要確定分析的類型。ANSYS提供了多種動(dòng)力學(xué)分析類型，包括靜力分析、模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析和譜分析等。選擇正確的求解類型對(duì)于準(zhǔn)確模擬結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)行為至關(guān)重要。4.1.1靜力分析靜力分析用于求解在靜態(tài)載荷作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，不考慮時(shí)間效應(yīng)。4.1.2模態(tài)分析模態(tài)分析用于確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，是動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)。4.1.3諧響應(yīng)分析諧響應(yīng)分析用于求解結(jié)構(gòu)在正弦載荷作用下的響應(yīng)，可以得到頻率響應(yīng)函數(shù)。4.1.4瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析用于求解結(jié)構(gòu)在隨時(shí)間變化的載荷作用下的響應(yīng)，可以模擬沖擊、振動(dòng)等現(xiàn)象。4.1.5譜分析譜分析用于求解結(jié)構(gòu)在隨機(jī)載荷或地震載荷作用下的響應(yīng)，基于頻域分析。4.2設(shè)置求解參數(shù)在ANSYS中，設(shè)置求解參數(shù)是確保分析準(zhǔn)確性和效率的關(guān)鍵步驟。這包括定義材料屬性、網(wǎng)格劃分、載荷和邊界條件等。4.2.1材料屬性例如，對(duì)于彈性材料，需要定義彈性模量和泊松比。在ANSYS中，可以通過(guò)以下命令設(shè)置：/MAT,1,ELAS,0

MP,EX,1,200e3

MP,PRXY,1,0.3這里，/MAT命令用于選擇材料，MP,EX定義彈性模量，MP,PRXY定義泊松比。4.2.2網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分的質(zhì)量直接影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。ANSYS提供了自動(dòng)和手動(dòng)網(wǎng)格劃分工具。手動(dòng)劃分時(shí)，可以使用MESH命令：MESH,1這將對(duì)編號(hào)為1的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。4.2.3載荷和邊界條件載荷和邊界條件的正確設(shè)置是模擬真實(shí)情況的基礎(chǔ)。例如，施加一個(gè)100N的力在節(jié)點(diǎn)1上：F,1,P,100這里，F(xiàn)命令用于施加載荷，1是節(jié)點(diǎn)編號(hào)，P表示力的類型，100是力的大小。4.3時(shí)間步長(zhǎng)與求解控制在瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析中，時(shí)間步長(zhǎng)的選擇對(duì)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率有重大影響。ANSYS允許用戶自定義時(shí)間步長(zhǎng)，也可以選擇自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)控制。4.3.1自定義時(shí)間步長(zhǎng)例如，設(shè)置分析總時(shí)間為1秒，時(shí)間步長(zhǎng)為0.01秒：ANTYPE,TRANS

TIME,1

TIMINT,0.01這里，ANTYPE,TRANS命令選擇瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，TIME設(shè)置總時(shí)間，TIMINT設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)。4.3.2自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)控制自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)控制基于分析的穩(wěn)定性條件自動(dòng)調(diào)整時(shí)間步長(zhǎng)，可以使用以下命令：ANTYPE,TRANS

AUTOTS,ONAUTOTS,ON命令開(kāi)啟自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)控制。4.3.3求解控制求解控制包括求解器的選擇、迭代次數(shù)的設(shè)置等。例如，選擇直接求解器：SOLVTYPE,DIRECT這將使用直接求解器進(jìn)行計(jì)算，適用于小規(guī)模問(wèn)題。對(duì)于大規(guī)模問(wèn)題，可以使用迭代求解器：SOLVTYPE,ITERATIVE并設(shè)置最大迭代次數(shù)：SOLCONTROL,1000這里，SOLCONTROL命令用于設(shè)置迭代次數(shù)，1000是最大迭代次數(shù)。通過(guò)以上步驟，可以設(shè)置ANSYS中的求解類型、求解參數(shù)以及時(shí)間步長(zhǎng)和求解控制，為結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析提供準(zhǔn)確的模擬環(huán)境。5結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析類型在結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析中，ANSYS提供了多種分析類型，以滿足不同工程需求。下面將詳細(xì)介紹模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析和譜分析的原理與內(nèi)容。5.1模態(tài)分析模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)，用于確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。通過(guò)模態(tài)分析，工程師可以了解結(jié)構(gòu)在自由振動(dòng)下的行為，這對(duì)于避免共振和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性至關(guān)重要。5.1.1原理模態(tài)分析基于結(jié)構(gòu)的線性動(dòng)力學(xué)方程，即：M其中，M是質(zhì)量矩陣，C是阻尼矩陣，K是剛度矩陣，u是位移向量。在模態(tài)分析中，假設(shè)結(jié)構(gòu)沒(méi)有外部激勵(lì)，即u=0和K這里，λ是固有頻率的平方，u是與之對(duì)應(yīng)的振型。5.1.2內(nèi)容在ANSYS中進(jìn)行模態(tài)分析，首先需要建立結(jié)構(gòu)模型，包括幾何、材料屬性和邊界條件。然后，選擇模態(tài)分析類型，設(shè)置求解參數(shù)，如求解的模態(tài)數(shù)量。最后，運(yùn)行分析并查看結(jié)果，包括固有頻率和振型。5.2諧響應(yīng)分析諧響應(yīng)分析用于評(píng)估結(jié)構(gòu)在正弦激勵(lì)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。這種分析特別適用于預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)在特定頻率下的行為，如振動(dòng)臺(tái)測(cè)試或風(fēng)力影響。5.2.1原理諧響應(yīng)分析基于頻率域的線性動(dòng)力學(xué)方程，考慮外部激勵(lì)的影響：M其中，F(xiàn)ω5.2.2內(nèi)容在ANSYS中進(jìn)行諧響應(yīng)分析，需要定義正弦激勵(lì)的頻率范圍和步長(zhǎng)。分析結(jié)果通常包括位移、速度和加速度的幅值和相位，以及頻率響應(yīng)函數(shù)。5.3瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析用于模擬結(jié)構(gòu)在時(shí)間域內(nèi)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，可以考慮非線性效應(yīng)和瞬時(shí)載荷。5.3.1原理瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析基于時(shí)間域的線性或非線性動(dòng)力學(xué)方程：M這里，F(xiàn)t是隨時(shí)間變化的外部載荷。通過(guò)數(shù)值積分方法，如Newmark或Central5.3.2內(nèi)容在ANSYS中進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，需要定義時(shí)間步長(zhǎng)和總分析時(shí)間。此外，必須指定隨時(shí)間變化的載荷。分析結(jié)果包括隨時(shí)間變化的位移、速度和加速度。5.4譜分析譜分析用于評(píng)估結(jié)構(gòu)在隨機(jī)或非周期性激勵(lì)下的響應(yīng)，如地震或風(fēng)荷載。它基于頻譜密度函數(shù)，可以提供結(jié)構(gòu)在不同頻率下的響應(yīng)統(tǒng)計(jì)特性。5.4.1原理譜分析基于頻譜密度函數(shù)和結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，通過(guò)隨機(jī)振動(dòng)理論來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)特性。頻譜密度函數(shù)描述了激勵(lì)的頻率和強(qiáng)度分布。5.4.2內(nèi)容在ANSYS中進(jìn)行譜分析，需要定義頻譜密度函數(shù)，如功率譜密度（PSD）或加速度譜密度（ASD）。分析結(jié)果通常包括響應(yīng)的均方根值和概率分布。5.4.3示例：模態(tài)分析#ANSYS模態(tài)分析示例代碼

#假設(shè)使用Python的ansys-mechanical-apdl庫(kù)

importansys.mechanical.apdlasapdl

#啟動(dòng)ANSYSMechanicalAPDL

ansys=apdl.launch()

#創(chuàng)建模型

model=ansys.create_model()

#定義材料屬性

model.Material(1).Density(7850).Elastic(200e9,0.3)

#定義幾何和網(wǎng)格

model.Geometry().Cylinder(0,0,0,1,0,0,1,0.1)

model.Mesh().Sweep()

#設(shè)置模態(tài)分析

model.AnalysisSettings().Modal(10)

#運(yùn)行分析

model.Solve()

#查看結(jié)果

frequencies=model.Results().ModalFrequencies()

modes=model.Results().ModalShapes()

#輸出結(jié)果

print("固有頻率：",frequencies)

print("振型：",modes)在這個(gè)示例中，我們創(chuàng)建了一個(gè)圓柱體模型，定義了材料屬性，設(shè)置了模態(tài)分析求解10個(gè)模態(tài)，并運(yùn)行了分析。最后，我們輸出了固有頻率和振型的結(jié)果。5.4.4示例：瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析#ANSYS瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析示例代碼

#定義時(shí)間步長(zhǎng)和總時(shí)間

model.AnalysisSettings().Transient(0.01,10)

#定義隨時(shí)間變化的載荷

model.Loads().Force(1000,'FX','TimeFunction','Sine')

#運(yùn)行分析

model.Solve()

#查看結(jié)果

displacements=model.Results().Displacement('X','Node',1)

#輸出結(jié)果

print("X方向位移：",displacements)在這個(gè)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析示例中，我們?cè)O(shè)置了時(shí)間步長(zhǎng)為0.01秒，總時(shí)間為10秒，并定義了一個(gè)隨時(shí)間按正弦變化的力載荷。運(yùn)行分析后，我們查看并輸出了節(jié)點(diǎn)1在X方向上的位移結(jié)果。通過(guò)以上介紹，我們可以看到ANSYS在結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析中的強(qiáng)大功能，能夠滿足從基礎(chǔ)模態(tài)分析到復(fù)雜瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析的各種需求。6后處理：結(jié)果分析在完成彈性力學(xué)仿真軟件ANSYS的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析后，后處理階段是解讀和理解仿真結(jié)果的關(guān)鍵步驟。本章節(jié)將詳細(xì)介紹如何在ANSYS中查看位移和應(yīng)力結(jié)果，如何創(chuàng)建動(dòng)畫(huà)結(jié)果展示，以及如何進(jìn)行頻譜和響應(yīng)曲線分析。6.1查看位移和應(yīng)力結(jié)果6.1.1位移結(jié)果位移結(jié)果是結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析中最直觀的結(jié)果之一，它顯示了結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)載荷作用下的變形情況。在ANSYS中，可以通過(guò)以下步驟查看位移結(jié)果：打開(kāi)結(jié)果窗口：在菜單欄中選擇“GeneralPostproc”，然后點(diǎn)擊“PlotResults”，最后選擇“ContourPlot”下的“NodalSolu”。選擇位移類型：在彈出的對(duì)話框中，選擇“Displacement”，然后選擇“Component”或“Magnitude”來(lái)查看特定方向的位移或總位移。6.1.2應(yīng)力結(jié)果應(yīng)力結(jié)果反映了結(jié)構(gòu)內(nèi)部的受力情況，對(duì)于評(píng)估結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性至關(guān)重要。在ANSYS中查看應(yīng)力結(jié)果的步驟與查看位移結(jié)果類似：打開(kāi)結(jié)果窗口：同樣在“GeneralPostproc”菜單下，選擇“PlotResults”，然后選擇“ContourPlot”下的“ElementSolu”。選擇應(yīng)力類型：在對(duì)話框中，選擇“Stress”，然后選擇“vonMises”或“Principal”等選項(xiàng)來(lái)查看不同類型的應(yīng)力分布。6.2動(dòng)畫(huà)結(jié)果展示動(dòng)畫(huà)結(jié)果展示是將結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)以動(dòng)態(tài)的形式呈現(xiàn)出來(lái)，幫助工程師直觀理解結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模式和頻率響應(yīng)。在ANSYS中創(chuàng)建動(dòng)畫(huà)結(jié)果的步驟如下：選擇動(dòng)畫(huà)類型：在“GeneralPostproc”菜單下，選擇“AnimateResults”，然后選擇“AnimateDeformedShape”或“AnimateStress”等選項(xiàng)。設(shè)置動(dòng)畫(huà)參數(shù)：在彈出的對(duì)話框中，可以設(shè)置動(dòng)畫(huà)的播放速度、是否顯示變形前的形狀、以及動(dòng)畫(huà)的播放次數(shù)等參數(shù)。保存動(dòng)畫(huà)：在完成動(dòng)畫(huà)設(shè)置后，可以使用“File”菜單下的“SaveAnimation”選項(xiàng)將動(dòng)畫(huà)保存為視頻文件，便于后續(xù)分析和報(bào)告制作。6.3頻譜和響應(yīng)曲線分析頻譜和響應(yīng)曲線分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析中的重要組成部分，用于識(shí)別結(jié)構(gòu)的固有頻率和阻尼比，以及評(píng)估結(jié)構(gòu)在不同頻率下的響應(yīng)。在ANSYS中進(jìn)行頻譜和響應(yīng)曲線分析的步驟如下：打開(kāi)頻譜分析窗口：在“GeneralPostproc”菜單下，選擇“PlotResults”，然后選擇“FrequencyResponse”或“SpectralAnalysis”。選擇分析類型：在頻譜分析窗口中，可以選擇“Displacement”，“Velocity”，“Acceleration”，或“Stress”等選項(xiàng)，來(lái)查看不同類型的頻譜或響應(yīng)曲線。設(shè)置分析參數(shù)：在對(duì)話框中，可以設(shè)置頻率范圍、頻率步長(zhǎng)、以及是否顯示峰值等參數(shù)，以滿足特定的分析需求。6.3.1示例：創(chuàng)建位移響應(yīng)曲線假設(shè)我們已經(jīng)完成了一個(gè)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析，現(xiàn)在想要?jiǎng)?chuàng)建位移響應(yīng)曲線，以評(píng)估結(jié)構(gòu)在不同頻率下的位移響應(yīng)。以下是在ANSYS中創(chuàng)建位移響應(yīng)曲線的具體步驟：打開(kāi)結(jié)果窗口：在菜單欄中選擇“GeneralPostproc”->“PlotResults”->“FrequencyResponse”。選擇位移類型：在彈出的對(duì)話框中，選擇“Displacement”，然后選擇“Magnitude”來(lái)查看總位移。設(shè)置頻率范圍：假設(shè)我們的分析頻率范圍是0Hz到100Hz，頻率步長(zhǎng)為1Hz，可以在對(duì)話框中設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。顯示響應(yīng)曲線：點(diǎn)擊“OK”后，ANSYS將自動(dòng)創(chuàng)建位移響應(yīng)曲線，顯示結(jié)構(gòu)在不同頻率下的位移響應(yīng)。通過(guò)以上步驟，我們可以清晰地看到結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)曲線，從而識(shí)別出結(jié)構(gòu)的固有頻率和阻尼比，以及評(píng)估結(jié)構(gòu)在不同頻率下的穩(wěn)定性。6.3.2示例：保存動(dòng)畫(huà)結(jié)果在完成結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析后，我們可能需要將結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模式以動(dòng)畫(huà)的形式保存下來(lái)，以便于后續(xù)的報(bào)告制作和分析。以下是在ANSYS中保存動(dòng)畫(huà)結(jié)果的具體步驟：打開(kāi)動(dòng)畫(huà)窗口：在菜單欄中選擇“GeneralPostproc”->“AnimateResults”->“AnimateDeformedShape”。設(shè)置動(dòng)畫(huà)參數(shù)：在彈出的對(duì)話框中，可以設(shè)置動(dòng)畫(huà)的播放速度、是否顯示變形前的形狀、以及動(dòng)畫(huà)的播放次數(shù)等參數(shù)。例如，我們可以設(shè)置播放速度為10倍，顯示變形前的形狀，以及播放次數(shù)為1次。保存動(dòng)畫(huà)：在完成動(dòng)畫(huà)設(shè)置后，選擇“File”->“SaveAnimation”，然后選擇保存的文件格式（如AVI或MP4），并設(shè)置保存路徑和文件名。通過(guò)以上步驟，我們可以將結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模式以動(dòng)畫(huà)的形式保存下來(lái)，便于后續(xù)的分析和報(bào)告制作。6.4結(jié)論后處理階段是結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析中不可或缺的一部分，它幫助我們解讀和理解仿真結(jié)果，評(píng)估結(jié)構(gòu)的性能和穩(wěn)定性。通過(guò)在ANSYS中查看位移和應(yīng)力結(jié)果，創(chuàng)建動(dòng)畫(huà)結(jié)果展示，以及進(jìn)行頻譜和響應(yīng)曲線分析，我們可以全面地評(píng)估結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，為工程設(shè)計(jì)提供有力的支持。7案例研究7.1橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析在橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析中，ANSYS軟件被廣泛應(yīng)用于評(píng)估橋梁在動(dòng)態(tài)載荷下的響應(yīng)，如風(fēng)、地震、車輛通過(guò)等。這種分析對(duì)于確保橋梁的安全性和耐久性至關(guān)重要。7.1.1原理橋梁的動(dòng)力學(xué)分析通常包括模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析和瞬態(tài)分析。模態(tài)分析用于確定橋梁的固有頻率和振型，諧響應(yīng)分析用于評(píng)估橋梁在特定頻率下的響應(yīng)，而瞬態(tài)分析則用于模擬橋梁在時(shí)間域內(nèi)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。7.1.2內(nèi)容建立橋梁模型：在ANSYS中，首先需要?jiǎng)?chuàng)建橋梁的三維模型，包括橋墩、橋面、支撐結(jié)構(gòu)等。這一步驟需要精確的幾何尺寸和材料屬性。定義材料屬性：橋梁的材料屬性，如混凝土、鋼材的彈性模量、泊松比、密度等，必須在ANSYS中正確設(shè)置。施加載荷：動(dòng)態(tài)載荷，如風(fēng)載荷、地震載荷或車輛載荷，需要根據(jù)實(shí)際情況在ANSYS中施加。模態(tài)分析：通過(guò)模態(tài)分析，可以確定橋梁的固有頻率和振型，這對(duì)于理解橋梁的動(dòng)態(tài)特性至關(guān)重要。諧響應(yīng)分析：在已知的頻率范圍內(nèi)，進(jìn)行諧響應(yīng)分析，以評(píng)估橋梁在特定頻率下的響應(yīng)，如位移、應(yīng)力等。瞬態(tài)分析：瞬態(tài)分析用于模擬橋梁在時(shí)間域內(nèi)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，如地震波的影響。7.1.3示例假設(shè)我們正在分析一座簡(jiǎn)化的橋梁模型，以下是使用ANSYS進(jìn)行模態(tài)分析的示例代碼：#ANSYSPythonScriptforModalAnalysisofaBridge

#加載ANSYS模塊

fromansys.mapdl.coreimportlaunch_mapdl

#啟動(dòng)ANSYS

mapdl=launch_mapdl()

#設(shè)置單元類型為SOLID186（三維實(shí)體單元）

mapdl.prep7()

mapdl.et(1,'SOLID186')

#定義材料屬性（以混凝土為例）

mapdl.mp('EX',1,30e6)#彈性模量

mapdl.mp('DENS',1,150)#密度

mapdl.mp('POISS',1,0.16)#泊松比

#創(chuàng)建橋墩和橋面的實(shí)體模型

mapdl.blc4(0,0,0,10,0,0,10,10,0)

mapdl.blc4(0,0,0,10,10,0,10,10,10)

#劃分網(wǎng)格

mapdl.esize(1)

mapdl.amesh('ALL')

#進(jìn)行模態(tài)分析

mapdl.modal(10)#求解前10個(gè)模態(tài)這段代碼首先加載了ANSYS的Python接口模塊，然后設(shè)置了單元類型和材料屬性，創(chuàng)建了橋墩和橋面的實(shí)體模型，劃分了網(wǎng)格，并進(jìn)行了模態(tài)分析，求解了前10個(gè)模態(tài)。7.2建筑物地震響應(yīng)仿真建筑物的地震響應(yīng)仿真用于評(píng)估建筑物在地震載荷下的安全性和穩(wěn)定性，是結(jié)構(gòu)工程中的重要環(huán)節(jié)。7.2.1原理地震響應(yīng)仿真通常包括地震波的輸入、結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析以及損傷評(píng)估。ANSYS通過(guò)非線性動(dòng)力學(xué)分析，可以模擬建筑物在地震波作用下的真實(shí)響應(yīng)。7.2.2內(nèi)容建立建筑物模型：創(chuàng)建建筑物的三維模型，包括基礎(chǔ)、墻體、梁、柱等結(jié)構(gòu)。定義材料屬性：設(shè)置建筑物材料的彈性模量、泊松比、密度等屬性。施加地震載荷：輸入地震波數(shù)據(jù)，施加到建筑物模型上。非線性動(dòng)力學(xué)分析：進(jìn)行非線性動(dòng)力學(xué)分析，以評(píng)估建筑物在地震波作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。損傷評(píng)估：分析地震后建筑物的損傷情況，如裂縫、位移等。7.2.3示例以下是一個(gè)使用ANSYS進(jìn)行建筑物地震響應(yīng)仿真的示例代碼：#ANSYSPythonScriptforSeismicResponseSimulationofaBuilding

fromansys.mapdl.coreimportlaunch_mapdl

mapdl=launch_mapdl()

#設(shè)置單元類型為SOLID186

mapdl.et(1,'SOLID186')

#定義材料屬性（以混凝土為例）

mapdl.mp('EX',1,30e6)

mapdl.mp('DENS',1,150)

mapdl.mp('POISS',1,0.16)

#創(chuàng)建建筑物模型

mapdl.blc4(0,0,0,10,0,0,10,10,0)

mapdl.blc4(0,0,0,10,10,0,10,10,10)

#劃分網(wǎng)格

mapdl.esize(1)

mapdl.amesh('ALL')

#輸入地震波數(shù)據(jù)

mapdl.nsel('S','LOC','Z',0)

mapdl.d('ALL','UX',0)

mapdl.d('ALL','UY',0)

mapdl.d('ALL','UZ',0)

mapdl.nsel('R','LOC','Z',10)

mapdl.d('ALL','UX',0)

mapdl.d('ALL','UY',0)

mapdl.d('ALL','UZ',0)

#施加地震載荷

mapdl.antype('TRANS')

mapdl.trns('TIME',0,10)

mapdl.trns('FUNC','SIN')

mapdl.trns('AMPL',1)

#進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析

mapdl.run('/SOLU')

mapdl.run('ANTYPE,1')

mapdl.run('SOLVE')這段代碼創(chuàng)建了建筑物的模型，設(shè)置了材料屬性，輸入了地震波數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了非線性動(dòng)力學(xué)分析。7.3機(jī)械零件振動(dòng)分析機(jī)械零件的振動(dòng)分析用于評(píng)估零件在工作狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)特性，如固有頻率、振型和應(yīng)力分布，對(duì)于預(yù)防機(jī)械故障和提高機(jī)械效率至關(guān)重要。7.3.1原理振動(dòng)分析通常包括模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析。模態(tài)分析用于確定機(jī)械零件的固有頻率和振型，而諧響應(yīng)分析則用于評(píng)估零件在特定頻率下的響應(yīng)。7.3.2內(nèi)容建立機(jī)械零件模型：在ANSYS中創(chuàng)建機(jī)械零件的三維模型。定義材料屬性：設(shè)置零件材料的彈性模量、泊松比、密度等屬性。模態(tài)分析：求解機(jī)械零件的固有頻率和振型。諧響應(yīng)分析：評(píng)估零件在特定頻率下的響應(yīng)，如位移、應(yīng)力等。7.3.3示例以下是一個(gè)使用ANSYS進(jìn)行機(jī)械零件振動(dòng)分析的示例代碼：#ANSYSPythonScriptforVibrationAnalysisofaMechanicalPart

fromansys.mapdl.coreimportlaunch_mapdl

mapdl=launch_mapdl()

#設(shè)置單元類型為SOLID186

mapdl.et(1,'SOLID186')

#定義材料屬性（以鋼材為例）

mapdl.mp('EX',1,300e3)

mapdl.mp('DENS',1,7800)

mapdl.mp('POISS',1,0.3)

#創(chuàng)建機(jī)械零件模型

mapdl.blc4(0,0,0,10,0,0,10,10,0)

mapdl.blc4(0,0,0,10,10,0,10,10,10)

#劃分網(wǎng)格

mapdl.esize(1)

mapdl.amesh('ALL')

#進(jìn)行模態(tài)分析

mapdl.modal(10)#求解前10個(gè)模態(tài)

#進(jìn)行諧響應(yīng)分析

mapdl.run('/SOLU')

mapdl.run('ANTYPE,5')

mapdl.run('SOLU')這段代碼創(chuàng)建了機(jī)械零件的模型，設(shè)置了材料屬性，進(jìn)行了模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析。以上案例研究展示了如何使用ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析，包括橋梁、建筑物和機(jī)械零件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)評(píng)估。通過(guò)這些分析，工程師可以更好地理解結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)載荷下的行為，從而設(shè)計(jì)出更安全、更高效的結(jié)構(gòu)。8彈性力學(xué)仿真軟件：ANSYS高級(jí)功能詳解8.1非線性動(dòng)力學(xué)分析8.1.1原理非線性動(dòng)力學(xué)分析在ANSYS中用于解決結(jié)構(gòu)在大變形、材料非線性、接觸非線性等條件下的動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題。與線性動(dòng)力學(xué)分析不同，非線性動(dòng)力學(xué)分析考慮了結(jié)構(gòu)的幾何、材料屬性以及邊界條件隨時(shí)間變化的復(fù)雜性，能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)在極端條件下的行為。8.1.2內(nèi)容大變形效應(yīng)：當(dāng)結(jié)構(gòu)的位移與結(jié)構(gòu)尺寸相比不可忽略時(shí)，需要考慮大變形效應(yīng)。ANSYS通過(guò)更新的剛度矩陣來(lái)處理這種非線性。材料非線性：包括塑性、粘彈性、超彈性等材料行為。ANSYS提供了多種材料模型，如BilinearIsotropicHardening(BIH)模型，用于模擬塑性材料的非線性響應(yīng)。接觸非線性：在結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析中，接觸非線性是常見(jiàn)的，如碰撞、摩擦等。ANSYS的接觸算法能夠處理復(fù)雜的接觸問(wèn)題，確保分析的準(zhǔn)確性。8.1.3示例假設(shè)我們有一個(gè)簡(jiǎn)單的彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)，其中彈簧的剛度隨位移變化，即存在材料非線性。我們使用ANSYS進(jìn)行非線性動(dòng)力學(xué)分析。*Heading

*Title,NonlinearSpring-MassSystem

*Preprint,echo=NO,model=NO,history=NO,contact=NO

*Part,Name=SpringMass

*Node

1,0.,0.

2,1.,0.

*Element,Type=mass21

1,1

*Element,Type=elast1

2,1,2

*Material,Name=NonlinearSpring

*Elastic,Type=nonlinear

0.,1000.,10000.

*Step,Name=Step-1,NLgeom=YES

*Static

1.,1.,0.,0.

*Output,field

*NodeOutput,N1

U

*ElementOutput,E1

S

*EndStep此代碼示例中，我們定義了一個(gè)非線性彈簧，其剛度在小位移時(shí)為1000N/m，在大位移時(shí)增加到10000N/m。通過(guò)*Step命令，我們指定了分析為非線性幾何（NLgeom=YES），并進(jìn)行了靜態(tài)分析。8.2復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析8.2.1原理復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析在ANSYS中涉及對(duì)由不同材料層組成的復(fù)合材料進(jìn)行力學(xué)性能的評(píng)估。復(fù)合材料因其高比強(qiáng)度和比剛度，以及可設(shè)計(jì)性，在航空航天、汽車、體育用品等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。ANSYS提供了復(fù)合材料建模工具，如層合板理論和纖維增強(qiáng)材料模型，以精確模擬復(fù)合材料的力學(xué)行為。8.2.2內(nèi)容層合板理論：用于分析由多層不同材料組成的復(fù)合板。ANSYS支持經(jīng)典層合板理論（CLT）和第一階剪切變形理論（FSDT）。纖維增強(qiáng)材料模型：考慮纖維和基體材料的相互作用，以及纖維方向?qū)?fù)合材料性能的影響。損傷和失效分析：評(píng)估復(fù)合材料在不同載荷條件下的損傷和失效模式，如纖維斷裂、基體裂紋等。8.2.3示例考慮一個(gè)由兩層不同復(fù)合材料組成的層合板，我們使用ANSYS進(jìn)行復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析。*Heading

*Title,CompositeLaminateAnalysis

*Preprint,echo=NO,model=NO,history=NO,contact=NO

*Part,Name=Laminate

*Node

1,0.,0.,0.

2,1.,0.,0.

3,1.,1.,0.

4,0.,1.,0.

*Element,Type=S4R,Elset=Layer1

1,1,2,3,4

*Element,Type=S4R,Elset