ansys动力分析之模态设计

Ansys

机械设计动力分析青岛大学信息工程学院*内容提要 本章介绍动力分析。在实际工程结构的设计工作中，动力学设计和分析是必不可少的一部分，几乎现代的所有工程结构都面临着动力问题。在航空航天、船舶、汽车等行业，动力学问题更加突出，在这些行业中将会接触大量的旋转结构（例如：轴、轮盘等结构）。本章重点重点动力分析介绍结构模态分析谐响应分析瞬态响应分析响应谱分析1.动力分析介绍1.1动力分析的类型：通常的动力分析的工作主要有系统的动力特性分析（即求解结构的固有频率和振型），和系统在受到一定的载荷时的功力响应分析两部分构成。根据系统的特性可分为线性动力分析和非线性动力分析。根据载荷时间的变化关系可以分为稳态动力分析和瞬态动力分析。动力学分析动力特性分析动力响应分析线性动力分析非线性动力分析稳态动力分析瞬态动力分析1.动力分析介绍1.2.

动力分析的分类模态分析响应分析瞬态动力分析谱分析1.动力分析介绍第四节

结构模态分析实例4.1.提出问题：

齿轮的工作状态是变化的，即动态的，由于结构的振动特性决定结构对于各种动力载荷的响应情况。所以在准备进行其他分析之前，首先要进行模态分析。齿轮实体图如下图所示。标准齿轮模型4.2.建立模型 建立模型包括设定分析作业名和标题；定义单元类型和实常数；定义材料属性；建立几何模型；划分有限元网格。4.2.1设定分析作业名和标题：（1）执行Utilitymenu：File>ChangeJobname

命令，将打开ChangeJobname

对话框；（2）在Enternewjobname（输入新的文件名）文本框中输入文字“example7-2”，作为

本分析实例的数据库文件名，如图示：（3）单击OK完成文件名的修改。（4）执行Utilitymenu：File>ChangeTitle命令，打开ChangeTitle（修改标题）对话框； （5）在Enternewtitle（输入新标题）文本框中输入文字“dynamicanalysisofagear”，如图示；单击OK按钮完成对标题名的指定；

（6）执行UtilityMenu：Plot>Replot

命令，指定的标题“dynamicanalysisofagear”将显示在窗口图形的左下角，如图示：（7）执行MainMenu：Preference命令，将打开PreferenceofGUIFiltering（菜单过滤参数选择）对话框，选中Structural复选框，单击ok按钮。4.2.2.定义单元类型： 在进行有限元分析时，首先根据分析问题的几何结构、分析类型和所分析的问题的精度要求等，选定合适具体分析的单元类型。本例选用二十结点体单元SOLID186；（1）执行MainMenu：Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete命令，将打开ElementType（单元类型）对话框；（2）单击Add，将打开LibraryofElementType（单元类型库）；（3）然后再左面列表框中选中Solid选项；在右面的列表框中选择Brick20node186选项，即选择了二十结点体单元SOLID186，如图示；（4）单击ok，将SOLID186单元添加，并关闭单元类型对话框；（5）单击Close，关闭单元类型对话框，结束单元类型的添加。4.2.3定义实常数：

本实例中选用三维SOLID186单元，不需要设置其厚度实常数。4.2.4定义材料属性：

本例需要考虑惯性力的静力分析中必须定义材料的弹性模量和密度。（1）执行MainMenu：Preprocessor>MaterialProps>MaterialModel命令，将打开DefineMaterialModelBehavior（定义材料模型属性）窗口。如图示；（2）依次双击Structural>Linear>Elastic>Isotropic，展开材料属性的树形结构，将打开1号材料的弹性模量EX和泊松比PRXY的定义对话框；（3）在弹出对话框输入弹性模量2.06e11，在RPXY中输入0.3。单击ok，并返回到定义材料属性窗口，在此窗口的左边一栏出现刚刚定义的参数号为1的材料的属性。（4）依次双击Structural>Density，打开定义材料密度的对话框，并在DENS文本框中输入密度值“7.8e3”。单击ok，关闭对话框，并返回到定义材料属性窗口，在此窗口的左边一栏参考号为1的材料属性下面出现密度项。（5）在DefineMaterialModelBehavior窗口中，执行Material>Exit命令，退出此窗口。4.2.5建立齿轮的三维实体模型：

4.2.5.1建立齿轮的一个扇形模型:

（1） 将激活的坐标系设置为总体柱坐标系。 执行UtilityMenu：WorkPlane>Change ActiveCSto>GlobalCylindrical

（2）定义一个关键点执行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>InActiveCS…

在Keypointnumber文本框中输入1，X=20，Y=0，单击ok；

（3）定义一个点作为辅助点执行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>InActiveCS…

在Keynumber文本框中输入110，X=16，Y=40，单击ok；

（4）定义一个点作为辅助点执行UtilityMenu：WorkPlane>OffsetWPto>Keypoints+;

在Ansys图形窗口选择110号点，单击ok；偏移工作平面到给定位置后的结果如图示；

（5）旋转工作平面执行UtilityMenu：WorkPlane>OffsetWPbyIncrements。打开的对话框后，在XY，YZ，ZXAngles文本框中输入-50，0，0，点击ok，结果如图示；

（6）将激活的坐标系设置为工作平面坐标系。 执行UtilityMenu：WorkPlane>ChangeActive CSto>WorkingPlane;

（7）建立第二个关键点执行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>InActiveCS…在Keynumber文本框中输入2，X=12.838，Y=0，单击ok，结果如图示；建立关键点

（8）将激活的坐标系设置为总柱面坐标系。

即执行：UtilityMenu：WorkPlane>Change ActiveCSto>GlobalCylindrical

（9）建立其余的辅助点 按照（3）同样的步骤建立其余的辅助点，将其编号 分别设置为120，130，140，150，160，其坐标分别 为（16，43），（16，46），（16，49），（16， 52），（16，55）。所得结果如图示；建立其余的辅助点的结果

（10）将工作平面平移到第二个辅助点执行UtilityMenu：WorkPlane>OffsetWPto>Keypoints+;

在Ansys图形窗口选择120号点，单击ok；

（11）旋转工作平面执行UtilityMenu：WorkPlane>OffsetWPbyIncrements；打开的对话框后，在XY，YZ，ZXAngles文本框中输入3，0，0，点击ok；

（12）将激活的坐标系设置为工作平面坐标系

执行UtilityMenu：WorkPlane>ChangeActive CSto>WorkingPlane;

（13）建立第三个关键点执行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>InActiveCS…在Keynumber文本框中输入3，X=13.676，Y=0，单击ok；

（14）重复以上步骤，分别把工作平面平移到编号为 130，140，150，160的辅助点，然后旋转工作平 面，旋转角度为3，0，0，再将工作平面设为当前坐 标系，在工作平面中分别建立编号为4，5，6，7的关 键点，其坐标为（14.513，0），（15.351，0）， （16.189，0）,（17.027，0）。建立关键点的结果 如图示；

（15）建立编号为8，9，10的关键点将激活的坐标设置为柱面坐标系，即执行：UtilityMenu：WorkPlane>ChangeActiveCSto>GlobalCylindrical；执行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>InActiveCS…在Keypointnumber文本框中输入8，X=24，Y=9.857，单击ok；执行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>InActiveCS…在Keypointnumber文本框中输入9，X=24，Y=13，单击ok；执行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>InActiveCS…在Keypointnumber文本框中输入10，X=20，Y=-5，单击ok；

（16）在柱面坐标系中创建圆弧线执行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Create>Lines>StraightLine+分别拾取关键点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，然后单击ok；

（17）把齿轮上的线加起来，使其成为一条线执行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Add>Lines在图像窗口选择刚刚建立的齿轮边上的线，点击ok；ANSYS会提示是否删除原来的线，选择Deleted选项，单击ok；

（18）偏移工作平面到总坐标系的原点;

执行UtilityMenu：WorkPlane>OffsetWPto>GlobalOrigin+； （19）偏移工作平面与总体直角坐标系对齐;

执行UtilityMenu：WorkPlane>AlignWPwith >GlobalCartesian;

（20）将工作平面旋转13°;执行UtilityMenu：WorkPlane>OffsetWPbyIncrements；在XY，YZ，ZXAngles文本框中输入13，0，0，点击ok； （21）将激活的坐标系设置为工作平面坐标系；执行 UtilityMenu：WorkPlane>ChangeActive CSto>WorkingPlane;

（22）将所有线沿X-Z进行镜象（在Y方向）执行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Reflect>Lines+在对话框中选择PickAll；ANSYS会提示选择镜象的面和编号增量，选择X-Z面，在增量中输入1000，单击ok，选择Copied；将所有线镜像后的结果如下页图示；将所有线镜像后的结果

（23）把齿顶上的两条线粘接起来执行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Glue>Lines;选择齿顶上的两条线，点击OK。 （24）把齿顶上的两条线加起来，成为一条线执行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Add>Lines;选择齿顶上的两条线，点击OK。 （25）在柱面坐标系下进行拷贝线将激活的坐标系设置为总体柱面坐标系，即执行：UtilityMenu：WorkPlane>ChangeActiveCSto>GlobalCylindrical；从主菜单中执行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Copy>Lines。单击PickAll，其结果如图所示。拷贝线输入拷贝线的数量和坐标④ANSYS会提示拷贝线的数量和偏移坐标，在Numberofcopies文本框中输入36，单击OK，如上页图所示。⑤在柱面坐标系下进行的拷贝线后所得的结果如下图示。 （26）把齿顶上的两条线粘接起来执行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Glue>Lines;选择齿顶上的两条线，点击OK。 （27）把齿顶上的所有线加起来执行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Add>Lines;分别选择齿底上的两条线，点击OK。把齿底上的所有线加起来。 （28）把所有线粘接起来执行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Glue>Lines;单击PickAll。 （29）用当前定义的所有线创建一个面执行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Arbitrary> ByLines+;②选择所有的线，点击OK。③其结果如图示：

（30）创建圆面执行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Circle>Solid Circle…；X=0，Y=0，Radius=8，单击OK。创建圆面后的结果如图示。 （31）从齿轮面中“减”去圆面形成轴功率孔执行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Subtract>Areas;拾取齿轮面作为布尔“减”操作的母体，单击Apply。拾取刚刚建立的圆面作为布尔“减”去的对象，单击OK。所得结果如图所示。

（32）存储数据库ANSYS； （33）用当前定义的一个面创建一个体执行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Operate>Extrude>Areas>AlongNormal;选择创建的面，单击OK按钮。此时将打开的ExtrudeAreaalongNormal对话框，在Lengthofextrusion文本框中输入8，如图示。 （34）创建一个圆柱体执行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Create>Volumes>Cylinder>SolidCylinder;

WPX=0，WPY=0，Radius=16，Depth=-2.5，点击OK，将生成一个圆柱体。如图示； （35）偏移工作平面执行UtilityMenu：WorkPlane>OffsetWPto>XYZLocations+;在GlobalCartesian文本框中输入0，0，8，点击OK，如图示； （36）创建另一个圆柱体执行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Create>Volumes>Cylinder>SolidCylinder;

WPX=0，WPY=0，Radius=16，Depth=-2.5，点击OK，将生成一个圆柱体。 （37）从齿轮体中“减”去两个圆柱体执行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Subtract>Volumes+;拾取齿轮体作为布尔“减”操作的母体，单击Apply。拾取刚刚建立的两个圆柱体作为布尔“减”去的对象，单击OK。所得结果如图所示。 （38）将激活的坐标系设置为总体柱面坐标系执行：UtilityMenu：WorkPlane>ChangeActiveCSto>GlobalCylindrical； （39）定义一个关键点执行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>InActiveCS…在NPT一栏中输入10000，在文本框中输入X=12,Y=-5，单击OK。 （40）偏移工作平面到给定位置执行UtilityMenu：WorkPlane>OffsetWPto>Keypoints+;在ANSYS图形窗口选择刚刚建立的关键点，单击OK。 （41）将激活的坐标系设置为工作平面坐标系执行UtilityMenu：WorkPlane>ChangeActiveCSto>WorkingPlane； （42）创建一个圆柱体执行Preprocessor>Modeling>Create>Volumes>Cylinder>SolidCylinder;WPX=0，WPY=0，Radius=2.5，Depth=-8，点击OK，将生成一个圆柱体。 （43）将激活的坐标系设置为总体柱面坐标系执行：UtilityMenu：WorkPlane>ChangeActiveCSto>GlobalCylindrical； （44）将小圆柱沿圆周方向复制执行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Copy>Volumes+;选择刚刚建立的小圆柱。在Numberofcopies文本框中输入10，在Y-offsetinactiveCS文本框中输入36，单击OK，如图示。 （45）从齿轮体中“减”去小圆柱体执行MainMenu：Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Subtract>Volumes+;拾取齿轮体作为布尔“减”操作的母体，单击Apply。拾取刚刚建立的所有小圆柱体作为布尔“减”去的对象，单击OK。所得结果如图所示。这时如果有警告弹出，单击Close。存储数据库ANSYS；

4.2.6对齿轮体进行网格划分： （1）本节选用SOLID186单元对盘面划分网格。执行MainMenu：Preprocessor>Meshing>MeshTool;激活“SmartSize”，将滑标设置为3，按Mesh按钮，这时出现MeshVolumes对话框，点击PickAll按钮。4.3.模型求解 在进行模态分析中，建立有限元模型后，就需要进行模态设置、施加边界条件、进行模态扩展设置、进行扩展求解。4.3.1进行模态分析设置：执行MainMenu：Solution>AnalysisType>NewAnalysis；在打开的对话框中，要求选择分析的种类，选择“Modal”，单击OK按钮。如图示；3. 执行MainMenu：Solution>AnalysisType>AnalysisOptions；在打开的对话框中，要求进行模态分析设置，选择“BlockLanczos”，在NO.ofnodestoextract文本框中输入15，将Expandmodetoshapes设置为Yes；在NO.ofnodestoexpand文本框中输入15，单击OK按钮。如图示；将打开BlockLanczosMethod对话框，在StartFreq（initialshift）文本框中输入0，在EndFrequency中输入100000，单击OK。4.3.2施加边界条件：执行MainMenu：Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>onKeypoints；打开关键点选择对话框，要求选择欲施加位移约束的关键点，选择内径上的一个关键点，如158号关键点，单击OK按钮。如图示；选择关键点选择约束的种类4.3.3进行求解：执行MainMenu：Solution>Solve>CurrentLS；打开一个确认对话框和状态列表，要求查看列出的求解选项；查看列表中的信息确认无误后，单击OK按钮，开始求解；ANSYS会显示求解过程中的状态。求解完成后将打开对话框提示求解结束，单节close；执行MainMenu：Finish;求解当前载荷步确认对话框4.3.4进行模态扩展设置：重新进入求解器，执行MainMenu：Solution>LoadStepOpts>ExpansionPass>SingleExpand>Expandmodes;在打开的ExpandModes对话框中，在NO.ofnodestoexpand文本框中输入15，在Frequencyrange文本框中输入0，100000，将Calculateelemresults设为Yes，单击OK按钮，如图示；设置频率范围执行MainMenu：Solution>LoadStepOpts>OutputCtrls>DB/ResultsFiles;打开数据输出设置对话框，在ItemtobeControlled列表框中选择AllItem，在FilesWriteFrequency单选列表中选择Everysubstep，单击OK按钮，如图示；数据输出设置执行MainMenu：Solution>LoadStepOpts>OutputCtrls>SoluPrintout;打开结果输出设置对话框，在ItemforprintoutControl列表框中选择AllItem，在Pri