ANSYSWorkbench正弦响应分析之详细版

ANSYSWorkbench正弦响应分析之详细版这是ANSYS

工程实战

第

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篇文章问题描述：正弦分析选用的项目模块为谐响应分析（HarmonicResponse），这里对谐响应分析的关键知识点和正弦分析具体分析步骤和方法进行了详细介绍。1.

谐响应分析理论介绍1.1

谐响应分析的定义谐响应分析是用于确定线性结构在承受一个或多个随时间按正弦（简谐）规律变化的载荷时稳态响应的一种技术。1.2

谐响应分析的目的谐响应分析的目的是计算出结构在几种频率下的响应并得到一些响应值对频率的曲线（如位移对频率曲线），从这些曲线上可以找到“峰值”响应，并进一步考察频率对应的应力。1.3

谐响应分析的输入条件谐响应分析的输入条件：相同频率的多种载荷。1.4

谐响应分析的运算求解方法谐响应分析的运算求解方法包括完全法（Full）和模态叠加法(ModeSuperposition)。完全法是一种最简单的方法，不需要先进行模态分析，但求解更耗时，对于复杂结构，8核并行运算，一般计算时间在3h以上。模态叠加法是Workbench谐响应计算的默认求解方法，从模态分析中叠加模态振型。采用模态叠加法进行谐响应分析时，首先需要自动进行一次模态分析，虽然首先进行的是模态分析，但谐响应部分的求解仍然比完全法快的多。一般对于复杂结构，8核并行运算，谐响应部分的计算时间小于0.5h。2.

用完全法进行正弦分析的分析步骤及设置2.1

插入响应模块完全法进行正弦分析时直接将AnalysisSystems下的HarmonicResponse谐响应模块拉到项目管理区中或者直接引用项目管理区中模态分析的模型（Model），如图1所示。图1

插入响应模块2.2

三维模型导入及处理在Inventor软件中对行波管进行建模，经过模型干涉检查合格后，将建立好的模型生成stp格式，导入到有限元软件ANSYSWorkbench中，行波管模型如图2所示，包括底板、包装件、电子枪、收集极和高频等组件。图2

几何模型2.3

有限元网格所有体进行part设置，设置材料属性，抑制Connections选项下的所有contact，按照图3设置网格大小。图3

网格大小设置设置完毕后，右键点击Mesh对所有体同时进行网格划分，划分后的有限元模型如图4。图4

有限元模型也可以在几何体（Geometry）中选中要划分的体，在几何体点右键对部分体先进行划分，然后依次划分体。2.4

边界条件及施加载荷正弦试验条件如图4所示，在设计阶段，可以直接使用鉴定条件进行分析。图5

正弦分析条件谐响应分析中，简谐载荷需要指定幅值、相位角和频率，载荷在第一个求解间隔即被施加。相位角是指两个或多个谐响应载荷之间的相位变换，若只存在一个载荷则不需要设置，并不是所有载荷都支持相位输入。如果施加载荷为加速度载荷，其相位角为0，如果载荷为力或位移，设置相位角。频率及算法具体设置如图5，在频率20-100Hz的频率范围，求解间隔为10，将会得到28﹑36﹑44﹑52﹑60﹑68﹑76﹑84﹑92和100的结果。图6

正弦分析频率及算法设置施加正弦载荷的具体设置如图7，大小为156800mm/s^2（16g）,方向点击Clicktochang选择底板上的线确定方向，如X方向。图7

正弦载荷设置加速度和位移振幅换算方法：10-20Hz时载荷为幅值，20-100Hz

时载荷为加速度，可以按照下面公式进行换算。位移：y=Asin(ωt+C)速度：v=y’=wAcos(ωt+C)加速度：a=v’=y’’=-ω^2Asin(ωt+C)ω=2πf

10-20Hz

振幅

A

为

10mm，则加速度a(max)=v’=y’’=-ω^2Asin(ωt+C)=-ω^2A=20-100Hz的加载加速度为16g时，将其转换为mm/s^2单位时为156800

mm/s^2，其中g取9.8m/s^2。说明：加速度方向要在几何模型中选定，具体方向与坐标系方向一致。如果出现导入的图的底板与坐标系不一致，或显示时图像出现倾斜，就要在三维软件中先导入底板，再进行组装，确保导入仿真软件后坐标系入底板坐标系一致。边界固定：正弦分析需要单独进行固定方式约束，即约束底板安装孔为全约束。需要单独加载固定约束。图8

边界固定2.5

仿真结果谐响应分析查看结果主要分三步：第一步先要绘制关键点的位移与频率曲线。根据经验我们知道本结构在三通处一般较薄弱，选择薄弱处的多个面，如图9。图9

薄弱部位面选择第二步，找出最大值对应的关键频率和相位角，在属性SpatialResolution中选择UseMaximum，在频率100Hz或94Hz时应力最大，如图10。图10

关键频率及相位角第三步，查看整个结构在对应频率下的应力，如图11。图11

关键频率点应力说明：这里最大应力与图10查看的最大

Mises

应力有一定差，一个原因是最大应力发生在两体交界面，两体交界面无法识别应力-频率曲线或位移-频率曲线。用同样的方法在Y和Z方向施加正弦载荷进行计算，得到关键频率点下整个结构的应力。根据《航天器电子产品可靠性设计》中航天电子设备结构设计基础中关于结构强度设计的内容安全裕度计算如下：其中，为需用应力，脆性材料取强度极限；其它材料取弹性极限。通常，准静态载荷的安全系数一般取f≥1.5；振动载荷的安全系数一般取f=1.2-1.35。从X、Y、Z方向进行正弦分析得到的应力结果中可以看出，行波管最大1σ应力为8.69Mpa,其3σ应力为26.07MPa，发生在三通处，其材料为蒙乃尔，查得的弹性极限为为161.7MPa，结构强度安全裕度为：M.S=161.7/（26.7×1.35)-1=3.48>0满足结构强度安全裕度设计要求。3

用模态叠加法进行正弦分析在

ANSYSWorkbench

中用模态叠加法进行正弦分析有几种操作形式，现对几种形式进行比对，供大家进行交流。3.1

正弦分析-模态叠加法（应用模态分析结果）使用模态叠加法进行正弦分析，需先进行模态分析再进行正弦分析，如图12。图12

正弦振动模块导入3.1.1

模态分析先进行模态分析，约束行波管底板的10个安装凸耳内孔，求解得到行波管的前6阶模态如图13所示：图13

前6阶模态频率值行波管的前6阶模态振型云图展示如图14所示：图14

前

6

阶模态振型总体结构的第一阶固有频率为

1038.9Hz，说明行波管总体结构设计健壮，结构刚度很高。3.1.2

正弦分析模态叠加法进行正弦分析的

SloutionMethond的默认为ModeSuperposition，如图15。图

15

正弦分析分析方法设置计算完成后，云图上显示的是1038.9Hz的应力值超出了正弦分析的频率范围10-100

Hz，并不能作为实际计算，如图16。图

16

模态叠加法进行正弦分析分析应力结果3.2

正弦分析-模态叠加法（引用模态分析Model）引用模态分析的模型使用模态叠加法进行正弦分析，如图17。图

16

正弦分析引用模态分析中的模型分析之后，无法完成计算，并出现了错误警告：Unabletofindrequestedmodes.RefertoTroubleshootingintheHelpSystemformoredetails如图17，没有完成计算。图

17

运算结果报错3.3

正弦分析-模态叠加法（直接计算）有的参考资料直接使用模态叠加法进行正弦分析，没有进行模态分析，如图18。图

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直接使用模态叠加法进行正弦分析分析之后，无法完成计算，并出现了错误警告：Unabletofindrequestedmodes.RefertoTroubleshootingintheHelpSystemformoredetails如图19，没有完成计算。为了说明这种分析方法的问题，接着使用简单模型验证这种分析方法。图

19

运算结果报错3.4

正弦分析-模态叠加法（简单模型直接计算）为了避免由于复杂模型设置出现问题导致运算无法完成，