毕业设计（论文）-基于ANSYS的固有频率的计算.doc

本科生毕业设计（论文） 摘 要在化工生产中，分馏塔承受筒体内压、自重、风载荷和地震载荷的作用容易产生载荷振动和诱导振动。当振动频率接近于塔的自振频率时，塔就会发生共振、可能导致设备的破坏。因此，如何减小塔设备受风力作用而产生的诱导振动造成严重的危害，提高塔设备的抗振能力都是需要在设计时予以考虑的问题。本论文的题目是“基于ANSYS的柴油分馏塔的固有频率的计算”。本文以柴油分馏塔为研究对象，应用ANSYS有限元软件对设备进行了固有频率的计算，首先采用SHELL63单元建立分馏塔的三维实体模型，然后用自由分网的方法对其进行网格划分，施加约束和载荷，最后应用模态分析功能求解出柴油分馏塔的固有频率和振型。然后利用集中质量法假设把均布质量作为一个与之相当的集中质量放置在塔的顶端，根据动能平衡的原理以及虚梁法可以确定不等截面悬臂梁式柴油分馏塔自振周期。这一结果表明基于ANSYS的有限元法对柴油分馏塔自振周期的计算准确性高，计算方便，为工程上其他复杂模型固有频率的计算提供了方法依据。关键词：ANSYS；柴油分馏塔；固有频率；振型AbstractIn chemical production, fractionation tower were prone to vibration and induced vibration loads beacause of withstanding the body cylinder pressure, dead weight, wind loads and seismic loads. When the vibration frequency close to the tower natural frequency, the tower resonance occurs, which may result in equipment damage. Therefore, how to reduce the damage due to wind-induced vibration effect to improve the towers vibration capabilities are required to be considered in the design. The thesis is calculations of diesel distillation tower natural frequency on ANSYS , and mainly study for the diesel distillation column. First, I apply SHELL63 element in finite element software ANSYS to establish three-dimensional solid model of distillation tower, and then to mesh and impose constraints and loading, modal analysis, and finally solve the diesel distillation tower natural frequencies and mode shapes. Then assume the uniform quality as an equivalent concentrated mass placed in the towers top based on Lumped mass method, and determine the natural cycle of diesel fractionator according to the principle of kinetic energy balance as well as virtual cantilever beam method. The results show that iesel fuel distillation column calculation of the natural cycle based on the ANSYS finite element method is of high accuracy, easy to calculate, providind a method of calculating the natural frequency for the other complex models. Key words：ANSYS；Diesel fractionator tower；Natural frequency of vibration；Vibration model目 录第1章 绪 论11.1 本课题的研究背景及意义11.2 ANSYS软件主要功能11.3 ANSYS软件简介21.3.1 ANSYS的使用环境21.3.2 有限元方法简介31.4 分馏塔的简介41.4.1 分馏塔的特点41.4.2 分馏塔的工作过程41.4.3 分馏塔分析计算的条件5第2章 分馏塔实体模型的建立62.1 实体造型简介62.2 ANSYS的坐标系62.3 建模的原则82.4 建模的步骤82.4.1 环境设置82.4.2 初始化设计变量92.4.3 定义单元类型92.4.4 定义材料属性：92.4.5 定义实常数112.4.6 创建塔的几何模型112.5 命令流分析过程14第3章 有限元模型的建立173.1 基础知识173.1.1 网格类型173.1.2 选择实体183.2 划分网格19第4章 模态分析224.1 模态分析224.2 模态提取法224.3 施加约束254.4 施加载荷254.5 求解284.6 扩展模态284.7 模态分析结果294.8 后处理294.8.1 将数据结果读入数据库304.8.2 图像显示结果数据304.8.3 查看求解结果31第5章 自振周期的理论计算335.1 自振周期的影响及振型335.2 自振周期的表达式345.2.1 塔体分段345.2.2 不等截面塔设备自振周期计算公式355.3 自振周期的计算36第6章 结论39参考文献40致 谢42附 录：外文翻译43IV第1章 绪 论1.1 本课题的研究背景及意义露天安置的塔设备在风力作用下，将产生两个方向的振动。一种是由于不恒定的风力直接作用在塔体上，而产生的与风向相同的顺风向振动；另一种是由于风力绕过塔的两侧时形成周期性出现相逸散的旋涡而产生的与风力方向垂直的横风向振动。前一种振动与风速的大小及其变化有关、称为风的载荷振动、是常规计的主要内容；后一种振动是根据说体力学理论计算的风的诱导振动。塔设备在风力作用下，当振动频率接近于塔的自振频率时，塔就会发生共振、可能导致设备的破坏。因此，塔设备受风力作用而产生的诱导振动以及如何减小因振动而产生的危害，提高塔设备的抗振能力都是需要在设计时予以考虑的问题。在历史上，由于忽略风对构件的诱导振动而发生过许多意外事故。最典型的事例是美国塔珂玛大桥因风诱发的振动产生共振后而被摧毁；在委内瑞拉也曾有一个大贮油罐；因共振而被损伤，至于工业上的烟囱、管道以及换热器的管束因此而受到破坏或产生噪音的事例也时有所见。在考虑塔的振动时应力要求避免发生共振。近年来，随着我国石油、化工、冶金工业的不断发展，作为反应容器的塔设备的也得到了广泛的应用和迅速的发展。随着塔设备使用量的增加，诱发事故的可能性也在增加，因此塔设备的固有频率便成为设计和检验人员特别关注的问题。本文主要讨论风的诱导振动的产生与分析计算塔的自振周期，并使用有限元分析软件ANSYS就柴油分馏塔进行模态分析，求出塔的固有频率。以便更好的探讨塔设备的防振技术。1.2 ANSYS软件主要功能ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元软件，可广泛的用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、生物医学、水利、日用家电等一般工业及科学研究。该软件提供了不断改进的功能清单，具体包括：结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体力学分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分及利用 ANSYS参数设计语言扩展宏命令功能。它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor、IDEAS、AutoCAD等,是现代产品设计中的高级CAD工具之一。1.3 ANSYS软件简介ANSYS软件是由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS公司开发。软件主要包括三个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型：分析计算模块包括结构分析(可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析)、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示(可看到结构内部)等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。以ANSYS为代表的工程数值模拟软件，是一个多用途的有限元法分析软件，它从1971年的2.0版本与今天的12.0版本已有很大的不同，起初它仅提供结构线性分析和热分析，现在可用来求结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题的解答。它包含了前置处理、解题程序以及后置处理，将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，已成为现代工程学问题必不可少的有力工具。1.3.1 ANSYS的使用环境1.ANSYS架构及命令ANSYS构架分为两层，一是起始层（Begin Level），二是处理层（Processor Level）。起始状态可用来控制某些全局性的问题，如改工作文件名、清除数据库内的数据、复制二进制文件等，用户进入ANSYS后即处于起始状态。这两个层的关系主要是使用命令输入时，要通过起始层进入不同的处理器。处理器可视为解决问题步骤中的组合命令，它解决问题的基本流程叙述如下：（1） 前置处理（General Preprocessor, PREP7） 建立有限元模型所需输入的资料如节点、坐标资料、元素内节点排列次序。 材料属性。 元素切割的产生。（2） 求解处理（Solution Processor, SOLU） 负载条件。 边界条件及求解。（3） 后置处理（General Postprocessor, POST1或Time Domain Postprocessor, POST26）。POST1用于静态结构分析、屈曲分析及模态分析，将解题部分所得的解答如：变位、应力、反力等资料，通过图形接口以各种不同表示方式把等位移图、等应力图等显示出来。POST26仅用于动态结构分析，用于与时间相关的时域处理。图1-1处理器间的转化2.文件管理ANSYS在分析过程中需要读写文件，文件格式为jobname.ext，其中jobname是设定的工作文件名，ext是由ANSYS定义的扩展名，用于区分文件的用途和类型，默认的工作文件名是file。ANSYS分析中有一些特殊的文件，其中主要的几个是数据库文件jobname.db、记录文件jobname.log、输出文件jobname.out、错误文件jobname.err、结果文件jobname.rxx及图形文件jobname.grph。1.3.2 有限元方法简介1.有限元法的基本构架 目前在工程领域内常用的数值模拟方法有：有限元法、边界元法、离散单元法和有限差分法，就其广泛性而言，主要还是有限单元法。它的基本思想是将问题的求解域划分为一系列的单元，单元之间仅靠节点相连。单元内部的待求量可由单元节点量通过选定的函数关系插值得到。由于单元形状简单，易于平衡关系和能量关系建立节点量的方程式，然后将各单元方程集组成总体代数方程组，计入边界条件后可对方程求解。有限元的基本构成：节点（Node）：就是考虑工程系统中的一个点的坐标位置，构成有限元系统的基本对象。具有其物理意义的自由度，该自由度为结构系统受到外力后，系统的反应。元素（Element）：元素是节点与节点相连而成，元素的组合由各节点相互连接。不同特性的工程统，可选用不同种类的元素，ANSYS提供了一百多种元素，故使用是必须慎重选则元素型号。自由度（Degree Of Freedom）：上面提到节点具有某种程度的自由度，以表示工程系统受到外力后的反应结果。要知道节点的自由度数，请查看ANSYS自带的帮助文档（Help/Element Refrence），那里有每种元素类型的详尽介绍。有限元方法是用于求解工程中各类问题的数值方法。结构强度、刚度分析中的静力、动力、线性或者非线性问题，热传导中稳态、瞬态或者热应力问题，以及流体力学和电磁学中的很多问题都可以用有限元方法解决。2.有限元方法的基本步骤：（1） 将实际求解范围离散化，即将求解域划分成节点和单元。（2） 选择合适的形函数，即选择一个用单元节点解描述整个单元解的连续函数。（3） 对每个单元建立单元刚度矩阵。（4） 按照一定节点编码顺序，将各个单元刚度矩阵叠加以构造结构整体刚度矩阵。（5） 写出以节点自由度（DOF）为未知量的结构整体刚度方程，并将边界条件、初始条件应用到方程中。（6） 求解方程组，以得到节点上的自由度值。1.4 分馏塔的简介1.4.1 分馏塔的特点（1）该分馏塔结构复杂，体积庞大，塔高，有变径段，最大内径为，并且塔上开有人孔和各种物料进出孔。（2）承受载荷复杂。该分馏塔共承受筒体内压、自重、风载荷和地震载荷的作用，载荷作用的形式比较复杂。分馏塔的结构简图如图所示。塔上开有人孔和各种物料进出孔。空气以高速气流从底部吹入混合液（柴油、轻烃）中，与混合液发生反应。反应后的气体在上面的出口排出，物料在底部的了料口排出。由于设计温度与环境相差很大，为达到更好的保温效果，分馏塔整体高有保温层。1.4.2 分馏塔的工作过程在炼油生产中，无论是精馏还是吸收、解吸或萃取，其目的都是为了使混合液中不同馏程的组分得以分离。故这些过程都称为分馏过程，所以在炼油厂中使用最多的也就是各种分馏塔，其结构形式以板式塔居多。原油是由许多分子量不同的碳氢化合物组成的混合物，各组分沸点不同，可用精馏的方法将其分为若干馏分，如汽油、煤油、柴油等。先将原油加热至350左右，送入常压塔中，使汽、煤、柴都蒸发出来成为油气，余下的液体主要是重质油。高温油气混合物上升经过一层层塔盘，在每层塔盘上和上层塔盘上流下来的较低的液体相接触，油气被冷却稍降一些，其中较重的组分就会被冷凝成液货体从油气中分离出来，同时塔盘上的液体被加热稍增高一些。其中较轻的组分就会蒸发成气体从液体中分离出去。这样每经过一层塔盘油气中的较重组分减少一些，较轻组分增加一些，而液体中较重组分增加一些，较轻组分减少一些，油气不断上升，每经一层塔盘都有这样的变化。于是油气越往上其轻组分越多，重组分越少，直至塔顶。油气的成分就是汽油组分，出塔后冷凝冷却便可得汽油，液体不断下流，每经一层，塔盘也都会有相反的变化，于是液体越往下其重组分越多，轻组分越少，液体来自塔顶回流，即将冷凝下来的汽油抽出一部分再打回塔顶的塔盘上，其不断下流，不断变重，到某一层塔盘时成为煤油组分，一部分抽出来经冷却得到煤油产品，其余的继续下流到某一层塔盘上时成为柴油组分，一部分抽出经冷却后得到柴油产品，剩余的继续下流至塔底流出称为常压渣油。1.4.3 分馏塔分析计算的条件（1） 文中的分馏塔主体部分结构和尺寸大致如下：裙座：内径为2.2m，高度为3.5m，厚度为0.01m,材料为20R。封头：均为标准椭圆形封头，下封头内径为2.2m,上封头同径为1m, 厚度为0.01m,材料为20R。筒体：下筒体内径为2.2m、高度为23.02m，上筒体内径为1m、高度为4m，变径段高度为0.6m, 厚度为0.01m,材料为20R。（2）分馏塔的设计条件该分馏塔的设计温度为100，设计压力为1.6Mpa,操作介质是气油、柴油，设备使用当地的基本风压为400 Mpa,地震裂度为7度。第2章 分馏塔实体模型的建立2.1 实体造型简介1 建立实体模型的两种途径利用ANSYS自带的实体建模功能创建实体建模。利用ANSYS与其他软件接口导入其他二维或三维软件所建立的实体模型。2实体建模的三种方式(1)自底向上的实体建模由建立最低图元对象的点到最高图元对象的体，即先定义实体各顶点的关键点，再通过关键点连成线，然后由线组合成面，最后由面组合成体。(2)自顶向下的实体建模 直接建立最高图元对象，其对应的较低图元面、线和关键点同时被创建。(3)混合法自底向上和自顶向下的实体建模 可根据个人习惯采用混合法建模，但应该考虑要获得什么样的有限元模型，即在网格划分时采用自由网格划分或映射网格划分。自由网格划分时，实体模型的建立比较简单，只要所有的面或体能接合成一体就可以：映射网格划分时，平面结构一定要四边形或三边形的面相接而成。2.2 ANSYS的坐标系ANSYS为用户提供了以下几种坐标系，每种都有其特定的用途。 全局坐标系与局部坐标系：用于定位几何对象(如节点、关键点等)的空间位。 显示坐标系：定义了列出或显示几何对象的系统。节点坐标系：定义每个节点的自由度方向和节点结果数据的方向。单元坐标系：确定材料特性主轴和单元结果数据的方向。1全局坐标系全局坐标系和局部坐标系是用来定位几何体。在默认状态下，建模操作时使用的坐标系是全局坐标系即笛卡尔坐标系。总体坐标系是一个绝对的参考系。ANSYS提供了4种全局坐标系：笛卡尔坐标系、柱坐标系、球坐标系、Y柱坐标系。4种全局坐标系有相同的原点，且遵循右手定则，它们的坐标系识别号分别为：0是笛卡尔坐标系(cartesian)，1是柱坐标系(Cyliadrical)，2是球坐标系(Spherical)，5是Y-柱坐标系(Y-aylindrical)，如图2-1所示。(CS,0) Cattesian (CS,1) Cylindrical (CS,2) Spherical (CS,5) Cylindrical图2-1 ANSYS的全局坐标系ANSYS引用坐标系x轴、Y轴、z轴代表不同的意义，笛卡尔坐标系的X轴、Y轴、Z轴分别代表其原始意义；柱坐标系的x轴、Y轴、z轴分别代表径向R、轴向O和轴向Z；球坐标系的X轴、Y轴、z轴分别代表R、O、P。2 局部坐标系 局部坐标系是用户为了方便建模及分析的需要自定义的坐标系，可以和全局坐标系有不同的原点、角度、方向。(1)建立局部坐标系1)通过当前激活的工作平面的原点为中心来建立局部坐标系。Command方式：CSWPLA，KCN，KCS，PARl，PAR2aKCN：坐标系编号。KCN是大于10的任何一个编号。bKCS：局部坐标系的属性。KCS=0时为笛卡尔式坐标系；KCS=1时为柱坐标系；KCS=2时为球坐标系；KCS=3时为环坐标系；KCS=4时为工作平面坐标系；KCS=5时为柱坐标系。 cPAR1：应用于椭圆、球或螺旋坐标系。当KCS=1或2时，PAR1是椭圆长短半径(Y/X)的比值，默认为1(圆)：当KCS=3时，PAR1是环形的主半径。dPAR2：应用于球坐标系，当KCS=2时，PAR2是椭球Z轴半径与x轴半径的比值，默认为1(圆)。GUI方式：WorRPlaneLocal Coordinate SystemsCreate Local CSAt WP Origin2)通过已定义的关键点来建立局部坐标系Command方式：CSKP,KCN，KCS，PORlG，PXAXS，PXYPL，PARl，PAR2aKCN：坐标系编号。KCN是大于10的任何一个编号。bKCS：局部坐标系的属性。KCS=0时为笛卡尔式坐标系；KCS=1时为柱坐标系；KCS=2时为球坐标系；KCS=3时为环坐标系；KCS=4时为工作平面坐标系；KCS=5时为柱坐标系。cPORlG：以该关键点为新建坐标系原点，若该值为P，则可进行GUI选取关键点操作。dpXAXS：定义x轴的方向，原点指向该点方向为x轴正向。ePXYPL：定义Y轴的方向，若该点在x轴的右侧，则Y轴在x轴的右侧，反之在左侧。2.3 建模的原则本课题利用ANSYS分析软件建立柴油分馏塔的实体模型,包括裙座部分,采用1：1的比例,能够更加真实的模拟设备的结构及工作状态。建模过程中,由于一些局部的小孔对整体的影响不大,故忽略不计,只建立裙座、上下筒体、及封头的立体模型。文中采用由点连线,由线建面,再由面旋转得到体的自下而上的建模方式。由于塔壁厚度远远小于塔的内径,可将问题适当简化。SHELL63单元具有弯曲能力和膜力,既能承受平面载荷,也能承受法向载荷,在每个节点处有6个自由度,单元也可有任何的空间定位。SHELL63单元具有刚度、挠度和应力强化等能力在建立有限元模型时,塔采用四节点的SHELL63单元,这样模型在满足精度要求的情况下将得到简化。在建模时先建立塔的关键点,连接关键点得到塔壁线,再通过旋转生成塔的几何模型,然后指定线的划分份数,将塔的几何模型转化为有限元模型；生成分馏塔的模型是通过先生成面单元,然后将面单元延伸成体单元。在有限元计算时,将基础视为刚体,将与基础相连的裙支座单元的x、y、z三个自由度全部约束。2.4 建模的步骤2.4.1 环境设置1. 启动ANSYS：以交互模式进入ANSYS。设定工作路径F：ANSYS_Bishe,工作文件名取为TA进入ANSYS界面。2 .设置标题：执行Utility MenuChange Title 命令,弹出Change Title对话框,输入tower,单击OK按钮,关闭对话框。2.4.2 初始化设计变量执行Utility MenuParametersScalar Parameters命令,弹出Scalar Parameters对话框,输入如表2.1所列的参数。表2.1 参数表参数参数意义参数参数意义R1=1.1m下筒体半径t=0.01m壁厚R2=0.5m上筒体半径zhuih=0.6m锥段高度qunh=3.5m裙座高度OMEGA=1.5m风激励角速度lowh=23.02m下筒体高度feng1h=0.55m下封头的长半径uph=4m上筒体高度Feng2h=0.25m上封头的长半径2.4.3 定义单元类型执行Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete命令,弹出Eelement Type对话框；单击Add按钮,添加单元,弹出Library of Element Type对话框。在左侧列表中选择Structural Shell项,在右侧列表中选择Elastic 4node 63项,如图2-2所示。单击OK按钮,退至Element Type对话框。图2-2 单元类型设置对话框2.4.4 定义材料属性：1. 执行Main MenuPreprocessorMaterial Props Material Models命令,弹出Define Material Model Behavior对话框；如图2-3所示,在右边的可选材料模型Material Models Available框中选择StructuralLinearElasticIsotropic。图2-3 定义材料属性对话框2. 双击Isotropic标识,弹出Linear Isotropic Properties for Material Number1对话框,在EX文本框中输入2e11,PRXY文本框中输入0.28,单击OK按钮确定,关闭该对话框。如图2-4所示。图2-4定义材料的弹性模量和泊松比3. 双击Density标识,弹出Density fot Material Number1对话框,在DENS文本框中输入7.85E3,单击OK按钮确定,关闭该对话框。如图2-5所示图2-5 定义材料密度2.4.5 定义实常数执行Main MenuPreprocessorReal ConstantsAdd/Edit/Delete命令,弹出Real Constants对话框,单击Add按钮,选择Type1,单击OK按钮,弹出Real Constants Set Number 1,for SHELL63对话框,如图2-6所示,在TK（I）位置输入TK（I）= t图2-6 定义实常数2.4.6 创建塔的几何模型1. 打开关键点、线以及面号码显示开关：执行Utility MenuPlotCtrlsNumbering命令,打开Plot Numbering Controls对话框,激活KP、LINE、AREA后面的显示开关为On状态,单击OK按钮确定,如图2-7所示。图2-7 Plot Numbering Controls对话框2.生成塔壁关键点：执行Main MenuPreprocessorModelingCreate KeypointsIn Active CS命令,设定NPT为1,X,Y,Z为“R1,0,0”,单击Apply按钮；单击OK按钮完成。图2-8定义关键点对话框3.同理,创建如表2-2所示的关键点表3.2关键点参数表关键点X坐标Y坐标Z坐标关键点X坐标Y坐标Z坐标11.1007031.12021.13.508-0.531.12031.126.520903.5040.527.12010-1.13.5050.531.1201102.9506031.370120004.生成塔壁线：执行Main MenuPreprocessorModelingCreateLines linesIn Active Coord命令,弹出关键点选取框,选取1、2号关键点,单击Apply按钮,生成直线1；同理,分别选取关键点2和3,3和4,4和5分别生成直线2、3、4单击OK按钮完成。5.生成塔顶线：执行Utility MenuWordplanechange Active CS toGlobal Cylindrical后,再执行Utility MenuWordplaneDisplay Working plane命令,激活以Y轴为旋转轴的柱坐标系,再执行Main MenuPreprocessorModeling CreateLinesSplinesSplines thru KPs命令,选取关键点2和9,单击Apply按钮,单击OK按钮确定,如图2-9所示。图2-9分馏塔的平面模型6.旋转生成分馏塔实体模型：执行Main MenuPreprocessor ModelingOperateExtrudelinesAbout Axis命令,弹出选取框,输入需要旋转的线“1,2,3,4”,单击Apply按钮,弹出对话框,输入旋转轴关键点“12,6”,单击OK按钮,弹出Sweep Lines about Axis对话框,单击OK按钮。同理,将4号线绕12和6号关键点旋转。生成的同何模型如图2-10所示。图2-10 分馏塔的三维模型2.5 命令流分析过程/FILNAM,ta !定义文件名/TITLE,Tower !定义分析的标题FINISH!*环境设置*SET,R1,1.1 !下筒体半径*SET,R2,0.5 !上筒体半径*SET,qunh,3.5 !裙座高度*SET, lowh,23.02 !下筒体高度*SET, uph,4 !上筒体高度*SET,t,0.01 !壁厚*SET,zhuih,0.6 !锥节高度*SET,OMEGA,1.5 !风激励角速度*SET,feng1h,0.55 !下封头的长半径*SET,feng2h,0.25 !上封头的长半径!*前处理*/PREP7!* 定义单元类型、材料常数*ET,1,SHELL63 ! 定义单元类型MP,EX,1,2E11 ! 设置弹性模量MP,PRXY,1,0.28 !设置泊松比MP,DENS,1,7.85E3 ! 设置密度R,1,t,t,t,t !设置材料实常数!*实体建模*/PNUM,KP,1/PNUM,LINE,1/PNUM,AREA,1!*建立塔的关键点*K,1,R1,0,0K,2, R1, qunh,0K,3, R1, qunh +lowh,0K,4, R2, qunh +lowh+ zhuih ,0K,5, R2, qunh +lowh+ zhuih+ uph ,0K,6,0, qunh +lowh+ zhuih+ uph+R2/4+t,0K,7,0, qunh +lowh+zhuih+ uph,0K,8,- R2, qunh +lowh+ zhuih+ uph,0K,9,0, qunh,0K,10,- R1,qunh,0K,11,0,qunh-R1/4,0K,12,0,0,0!*建立塔的线*L,1,2L,2,3L,3,4L,4,5L,6,12L,12,1K,12,0,0,0L,1,2L,2,3L,3,4L,4,5L,6,12L,12,1KWPAVE，7 !平移工作面到点7CSWPLA,11,1,0.5,1 !建立11号局部椭圆坐标系L,5,6CSYS，0 !回至笛卡尔坐标系KWPAVE，9 !平移工作面到点9CSWPLA,12,1,0.5,1 !建立12号局部椭圆坐标系L,2,11CSYS,0 !回至笛卡尔坐标系KWPAVE，12 !平移工作面到点12!*旋转生成塔体*AROTAT,1,2,3,4, ,6,12,AROTAT,7, , , , ,6,12,AROTAT,8, , , , ,6,12,第3章 有限元模型的建立3.1 基础知识几何实体模型并不参与有限元分析，所有施加在有限元边界上的载荷或约束，必须最终传递到有限元模型上(节点和单元)进行求解。因此，在完成实体建模之后，要进行有限元分析，需对模型进行网格划分将实体模型转化为能够直接计算的网格，生成节点和单元。3.1.1 网格类型总的来说，ANSYS的网格划分有两种： 自由网格划分(Free meshing)和映射网格划分(Mapped meshing)，如图3-1所示。自由网格划分主要用于划分边界形状不规则的区域，它所生成的网格相互之间是呈不规则排列的。对于复杂形状的边界常常选择自由网格划分。自由网格对于单元形状没有限制，也没有特别的应用模式。缺点是分析精度往往不够高。与自由网格划分相比较，映射网格划分对于单元形状有限制，并要符合一定的网格模式。映射面网格只包含四边形或三角形单元，映射体网格只包含六面体单元。映射网格的特点是具有规则的形状，肆元明显地成行排列。(a)自由网格 (b)映射网格图3-1自由网格和映射网格一般来说映射网格往往比自由网格划分得到的结果要更加精确，而且在求解时对CPL和内存的需求也相对要低些。如果用户希望用映射网格划分模型，创建模型的几何结构必须由一系列规则的体或面组成，这样才能应用于映射网格划分。因此，如果确定选择映射网格，需要从建立几何模型开始就对模型进行比较详尽的规划，以使生成的模型满足生成映射网格的规则要求。ANSYS支持的单元形状与网格类型见表3.1。表3.1 ANSYS支持的单元形状与网格单元形状是否可以自由划分是否可以映射划分自由划分映射划分都行三角形是是是四边形是是是四面体是否否六面体否是否3.1.2 选择实体1实体类型运行选择实体的操作命令GUI：Utility MenuSelectEntities，弹出实体选择对话框。实体类型包括Nodes、Elements、Volumes、Areas、Lines、Keypoints。2选择准则选择准则与实体类型有关，不同的实体对应不同的选择准则。节点选择准则： ByNum/Pick项，通过实体号或通过拾取操作进行选择。 Attached to项，通过实体的隶属关系进行选择。 By Locafion项，根据X，Y，Z坐标位置选择。 By Attributes项，根据材料号、实常数号等进行选择。 Exterior项，选择模型外边界的实体。By Results项，根据结果数据选择。3 选择方式选择实体的方式有七种。各项的含义为： From Full项，从整个实体集中选择一个子集，阴影部分表示活动子集。 Reselect项，从选中的子集中再选择一个子集，逐步缩小子集的选择范围。 Also Select项，在当前子集中添加另外一个不同的子集。 Unselect项，从当前子集中去掉一部分，与Reselect的选择刚好相反。 Select All项，恢复选择整个全集。 Select None项，选择空集。Invert项，选择当前子集的补集。3.2 划分网格1.为划分塔的几何模型,使之成为能用于计算的有限元模型,先选定各条线然后设定各线的划分份数：执行Utility MenuSelectEntities命令,弹出Select Entities对话框,依次设定选择模式为：Lines、By Location、Y coordinates、From Full,在Min,Max处输入0,单击Apply按钮,如图3-2所示。同理,将From Full改变为Also Select,在Min,Max处填qunh, 单击Apply按钮,得到选取的第二条线；再分别在Min,Max处填qunh、qunh+lowh、qunh+lowh+uph,每次输入后均需要单击Apply按钮。选择完线之后单击OK按钮完成。图3-2选择线对话框2.设定上步选择的线的划分份数：执行Main MenuPreprocessor MeshingSizeCntrlsManualSizeLinesAll Lines命令,弹出设置线的划分份数对话框Element Sizes on All Selected Lines,在NDIV中填入12,单击OK按钮。3 .激活以y轴为旋转轴的柱坐标系：执行Utility MenuWorkplaneChange Active CS toGlobal Cylindrical Y命令。4. 参照建立塔的有限元模型的步骤 1,以坐标选取直线：执行Utility MenuSelectEntities命令,在弹出的对话框中设定选择模式Lines、By Location、X coordinates、From Full, 在Min,Max处填入“qunh +0.001, qunhh+lowh +zhuih+uph +0.001”,单击Apply按钮,得到选取的第二条线；在Min,Max处填入qunhh+lowh +0.001, qunhh+lowh +zhuih+uph +0.001,将Also Select改为Unselect,单击OK按钮完成。5. 设定Step 4选择的线的划分份数：重复执行Step 2,设定NDIV为12。6. 选择线用于划分网格：执行Utility MenuSelectEntities命令,设定选择模式Lines、By Location、X coordinates、From Full, 在Min,Max处填入“qunhh+lowh +0.001, qunhh+lowh +zhuih+uph+0.001”,单击OK按钮完成。7. 设定Step 6选择的线的划分份数：重复执行Step 2,设定NDIV为12。8. 选择线用于划分网格：执行Utility MenuSelectEntities命令,设定选择模式Lines、By Location、X coordinates、From Full, 在Min,Max处填入“qunhh+lowh +0.001, qunhh+lowh +zhuih+uph +0.001”,单击OK按钮完成9.设定Step 6选择的线的划分份数：重复执行Step 2,设定NDIV为12。图3-3 设置分网尺寸 10. 全选择：执行Utility MenuSelectEverything命令,选中所有的元素。11. 选择要划分的面：执行Utility MenuSelectEntities命令,弹出Select Entities对话框中设定选择模式Lines、By Location、X coordinates、From Full, 在Min,Max处填入“qunhh+lowh +0.001, qunhh+lowh +zhuih+uph +0.001”,单击OK按钮完成。12. 指定将要划分单元的属性：执行Main MenuPreprocessor MeshingMesh AttributesDefault Attribs命令,REAL指定为1,默认情况下TYPE为1 SHELL63,MAT为1。 13. 指定网格划分方式：执行Main MenuPreprocessor MeshingMesh Opts命令,在MSHKEY对应的Map前打勾,单击OK按钮,弹出选择单元形状对话框,2D选择Quad,3D选择HEX,单击OK按钮完成。14. 划分网格：执行Main MenuPreprocessorMeshingMeshAreas确Mapped3 or 4 sided命令,弹出元素选取对话框,单击Pick All按钮,完成网格划分。结果如图3-4所示。图3-4 分网后的塔模型第4章 模态分析4.1 模态分析模态分析是用来确定结构振动特性的一种技术，通过它可以确定结构的自振频率(也叫固有频率)和振型，自振频率和振型是结构的重要动力参数。进行模态分析可以使结构设计避免共振或以特定频率进行振动，使工程师认识到结构对于不同类型的动力载荷是如何响应的，有助于在其他动力分析中估算求解控制参数。模态分析也是进一步进行结构动力分析的基础。其他的结构动力学分析，例如瞬态动力学分析、模态叠加法谐响应分析和谐分析都涉及到模态分析。由于结构的振动特性决定于结构对于动力载荷的响应情况，所以在准备进行其他动力分析之前，首先要进行模态分析。模态分析可定义为对结构动态特性的解析分析和实验分析，其结构动态特性用模态参数来表示。它是用于机械系统、土建结构等工程系统进行动力学分析的现代化方法和手段，随着模态分析专题研究范围的不断扩展，从系统识别到结构灵敏度分析以及动力修改等，模态分析技术已被广义的理解为包括力学系统动态特性的确定以及与其应用有关的大部分领域。ANSYS可以对包含预应力的结构进行模态分析，也可以对循环对称结构进行模态分析，即建立循环对称结构的部分模型来对整个结构进行模态分析。但是ANSYS中的模态分析是一个线性算法，任何非线性因素，例如塑性材料属性和大变形效应，即使定义了也会被ANSYS忽略。ANSYS提供了7种模态提取的方法：子空间方法、分块Lanczos方法、PowerDynamic方法、缩减法、非对称方法、阻尼法和QR阻尼法，其中阻尼法和QR阻尼法可以考虑结构的阻尼效应。4.2 模态提取法1分块Lanczos法分块Lanczos法特征值求解器是默认求解器，它采用Lanczos算法，是用一组向量来实现Lanczos递归刘算。这种方法和子空间法一样精确，但速度更快。无论EQSLV命令指定过问种求解器进行求解，分块Lanczos法都将自动采用稀疏矩阵方程求解器。计算某系统特征值谱所包含一定范围的固有频率时，采用分块