《有限元基础教程》-【ANSYS算例】7.3(1)及7.3(2)-带有张拉的绳索的振动模态分析(GUI)及命令流

【ANSYS算例】7.3(1)带有张拉的绳索的振动模态分析(GUI)一条每单位长度质量为的悬索两端固定，由于受拉具有初始应变，试确定此时悬索的应力以及所受的拉力，并计算带有张拉的悬索的前3阶自由振动频率；对该系统进行模态分析。模型中的各项参数如表7-3所示，为与文献结果进行比较，这里采用了英制单位。表7-3带有张拉的绳索模型的参数材料参数几何参数载荷弹性模量E=30×106psi绳索长度=100in初始应变=0.00543228密度ρ=0.00073lb·sc2/in4绳索截面积A=0.00306796in2解答：计算模型如图7-3所示。图7-3带有张拉的绳索的计算模型这里选取足够数量的单元以确保能够充分体现动态分析的特征。首先进行静力分析，采用3D的单向杆单元(tension-onlyorcompression-onlysparelements：\o"LINK10description"LINK10)。建模的要点：⑴定义分析类型，选取单元、实常数和材料参数；⑵依据算例定义节点和单元，设置输出选项和位移约束；⑶采用初应变来施加张力，⑷为了在后续的模态分析中考虑预紧的初始张力，需在静力分析与模态分析过程中，应同时将预应力效应打开<PSTRES,ON>；⑸求解预应力引起的应力状态；⑹提取计算结果，进行模态分析；⑺用命令<*GET>提取结果，对于一些线型单元(杆、梁、板)，需要采用单元列表<ETABLE>来提取应力。最后将计算结果与参考文献所给出的解析结果进行比较，见表7-4。表7-4ANSYS模型与文献的解析结果的比较

工况结果的物理量及单位Reference7.3(1)的结果ANSYS结果两种结果之比静态Flb500.500.1.000Stress,psi162974.162974.1.000模态f1,Hz74.70875.0941.005f2,Hz149.42151.291.012f3,Hz224.12229.681.025Reference7.3(1)：.ThomsonWT.VibrationTheoryandApplications.2ndPrinting.NJ:Prentice-Hall,Inc.1965,264给出的基于图形界面的交互式操作(stepbystep)过程如下。(1)进入ANSYS（设定工作目录和工作文件）程序→ANSYS→ANSYSInteractive→Workingdirectory（设置工作目录）→Initialjobname（设置工作文件名String）:String→Run→OK(2)设置计算类型ANSYSMainMenu：Preferences…→Structural→OK(3)定义单元类型ANSYSMainMenu：Preprocessor→ElementType→Add/Edit/Delete...→Add…→Link:3DBilinear10→OK（返回到ElementTypes窗口）→选择Type1LINK10单击Options…→K3：Tensiononly→OK→Close(4)定义实常数ANSYSMainMenu:Preprocessor→RealConstants…→Add/Edit/Delete...→Add…→选择Type1LINK10→OK→RealConstantsSetNo.:1（第1号实常数）,AREA:306796E-8(绳索截面积),ISTRN:543248E-8→OK→Close(关闭RealConstants窗口)(5)定义材料参数ANSYSMainMenu:Preprocessor→MaterialProps→MaterialModels→Structural→Linear→Elastic→Isotropic：EX:30e6→Note：确定→OK，Density(定义材料密度)→输入DENS:73e-5,→OK→关闭材料定义窗口(6)构造悬索模型生成节点ANSYSMainMenu：Preprocessor→Modeling→Create→Nodes→InActiveCS→Nodenumber：1，X，Y，ZLocationinactiveCS：0，0，0Apply→Nodenumber：14，X，Y，ZLocationinactiveCS：100，0，0→OKANSYSMainMenu：Preprocessor→Modeling→Create→Nodes→FillbetweenNds点击1，14号节点→OK→OK生成元素ANSYSMainMenu:Preprocessor→Modeling→Create→Elements→AutoNumbered→ThruNodes→点击1，2号节点，生成第一个单元ANSYSMainMenu:Preprocessor→Modeling→Copy→Elements→AutoNumbered→选择第1个元素→OK→Totalnumberofcopies:13→OK(7)模型加约束ANSYSMainMenu:Solution→DefineLoads→Apply→Structural→DisplacementOnNodes→PickAll→OK→Lab2:AllDOF(全约束)→OK(8)求解预应力引起的应力状态ANSYSMainMenu:Solution→AnalysisType→NewAnalysis→Static→OKANSYSMainMenu:Solution→AnalysisType→Sol’ncontrols在Basic标签下选中Calculateprestresseffects→OKANSYSMainMenu：Solution→Solve→CurrentLS→OK→Yes(9)存储应力计算数据ANSYSMainMenu：GeneralPostproc→ElementTable→DefineTable→Add…→Lab:STRS,Resultsdataitem:Bysequencenumber,右侧框中选择LS，下面框中输入LS，1→OK→CloseANSYSUtilityMenu:Parameters→GetScalarData→分别选择Resultdata,Elemtabledata→OK→Nameofparametertobedefined:STRSS;ElementnumberN:13→OKANSYSMainMenu:TimeHistPostpro→DefineVariables→Add→选择Reactionforces→Listofitems:1→OK→Item,CompDataitem:StructforceFX→OK→closeANSYSMainMenu:TimeHistPostpro→StoreDataANSYSUtilityMenu:Parameters→GetScalarData→分别选择Resultdata,Time-histvar’s→OK→Nameofparametertobedefined:FORCE;VariablenumberN:2,Datatoberetrieved:MaximumvalVmax→OK(10)模态分析计算ANSYSMainMenu:Solution→AnalysisType→NewAnalysis→Modal→OK→Close(warning)ANSYSMainMenu:Solution→AnalysisType→AnalysisOptions→[MODOPT]BlockLanczos,No.ofmodestoextract:3Expandmodeshapes:Yes,No.ofmodestoexpand:3[PSTRES]:Yes→OK→OKANSYSMainMenu:Solution→DefineLoads→delete→Structural→Displacement→OnNodes→选择2~13号节点→OK→选择UX→OK删除2~13号节点上的UX约束ANSYSMainMenu:Solution→DefineLoads→delete→Structural→Displacement→OnNodes→选择2~13号节点→OK→选择UY→OK删除2~13号节点上的UY约束ANSYSMainMenu：Solution→Solve→CurrentLS→OK→Yes(11)存储模态计算数据并显示全过程计算结果ANSYSUtilityMenu:Parameters→GetScalarData→分别选择Resultdata,Modalresults→OK→Nameofparametertobedefined:FREQ1;VariablenumberN:1,Datatoberetrieved:FrequencyFREQ→OKANSYSUtilityMenu:Parameters→GetScalarData→分别选择Resultdata,Modalresults→OK→Nameofparametertobedefined:FREQ2;VariablenumberN:2,Datatoberetrieved:FrequencyFREQ→OKANSYSUtilityMenu:Parameters→GetScalarData→分别选择Resultdata,Modalresults→OK→Nameofparametertobedefined:FREQ3;VariablenumberN:3,Datatoberetrieved:FrequencyFREQ→OKANSYSUtilityMenu：List→Status→Parameters→AllParameters(12)退出系统ANSYSUtilityMenu：File→Exit→SaveEverything→OK【ANSYS算例】7.3(2)带有张拉的绳索的振动模态分析(命令流)针对【ANSYS算例】7.3(1)的GUI操作，提供完整的命令流。解答给出的命令流如下。!%%%%[ANSYS算例]7.3(2)%%%%%begin%%%%%/PREP7!进入前处理ANTYPE,STATIC!设置分析类型为静力结构分析PSTRES,ON!用于后面的模态分析中ET,1,LINK10!选取单元类型1(单向杆单元)KEYOPT,1,3,0!设置仅承受拉应力，KEYOPT(3)=0R,1,306796E-8,543248E-8!设置实常数，包括绳索截面积(306796E-8)，初始应变(543248E-8)MP,EX,1,30E6!定义材料的弹性模量(1号材料)MP,DENS,1,73E-5!定义材料的密度(1号材料)N,1!定义第1号节点N,14,100!定义第14号节点FILL!均分填满第2~13号节点E,1,2!由节点1及节点2生成单元EGEN,13,1,1!依序复制生成13个单元D,ALL,ALL!对所有节点施加固定约束FINISH!前处理结束/SOLU!进入求解模块，求解预应力引起的应力状态SOLVE!求解FINISH!退出求解模块/POST1!进入一般的后处理ETABLE,STRS,LS,1!针对LINK10单元,建立单元列表STRS,通过LS及特征号1来获得单元的轴向应力*GET,STRSS,ELEM,13,ETAB,STRS!针对单元列表STRS,提取13号单元的应力FINISH!后处理结束/POST26!进入时间历程后处理，处理支反力RFORCE,2,1,F,X!提取1号节点上的X方向支反力，并存储到2号变量中STORE