机翼模型的模态分析

教程6：机翼模型的模态分析问题阐述这是一个机翼的简单模态分析。该机翼模型沿着长度方向具有不规那么形状，而且其横截面是由直线和曲线构成〔如下图〕。机翼一端固定于机身上，另一端那么自由悬挂。问题研究的目的是计算机翼的固有频率和振型。所给条件机翼的尺寸见上图所示，材料是低密度的聚乙烯，其杨氏模量为38×103psi，泊松比为0.3，密度为1.033×10-3slugs/in3。近似与假设假设机翼与机身相连的一端所有自由度完全固定。机翼材料特性为常数并是各向同性。使用一个体模型来构造机翼横截面的2-D模型，创立一个合理的网格并将横截面拉伸成3-D的体模型，系统会自动对体模型进行网格划分。为了以最少的时间来创立体模型，要简化翼面2-D模型的创立操作。为了更好地模拟翼面的形状，需要建立更多的数据点。此外，本例中所做的离散化是相当粗糙的，即单元网格太大，因此计算结果误差也非常大。故该练习只作为一种方法练习，其计算精度不必考虑。交互式的求解过程建立几何模型创立给定位置的关键点MainMenu：Preprocessor-Modeling-CreateKeypointInActiveCS。输入关键点号1。分别输入0，0，0作为关键点1的坐标值。按下Apply按钮完成第一个点的创立。4432输入关键点号2。分别输入2，0，0作为关键点2的坐标值。按下Apply按钮完成第二个点的创立。输入关键点号3。3输入2.3，0.2，0作为关键点3的坐标值。10．按下Apply按钮完成第三个点的创立。11．输入关键点号4。12．输入1.9，0.45，0作为关键点4的坐标值。13．按下Apply按钮完成第四个点的创立。14．输入关键点号5。15．分别输入1，0.25，0作为关键点5的坐标值。16．按下OK按钮完成所有点的创立。创立关键点之间的直线和曲线MainMenu：PreprocessorModeling-CreateLines-LinesStraightLine依次选择关键点1，2，5，1〔点1在原点处〕。按下选择菜单上的OK按钮。通过在点2和点5之间画一段曲线来定义机翼的弯曲局部。ANSYS提供了一个选项来定义曲线上第一点和最后一点处外矢量切线的方向。使用这一选项可使机翼在底部斜度为0，而在顶部斜度那么为0.25，见问题阐述局部的示意图。MainMenu：Preprocessor-Modeling-Create -Lines-SplinesWithOptions SplinethruKPs。依次选择点2，3，4，5。按下选择菜单上的OK按钮。在弹出的对话框中XV1，YV1，ZV1后的编辑框内分别输入-1，0，0。在对话框中XV6，YV6，ZV6后的编辑框内分别输入-1，-0.25，0。按下OK按钮完成操作。8879创立横截面MainMenu：Preprocessor-Modeling-Create-Areas-ArbitraryByLines。选择所有的线条〔3条〕。按下选择菜单上的OK按钮。Toolbar：SAVE_DB。2．定义材料特性定义常数材料特性MainMenu：PreprocessorMaterialPropsMaterialModels。224在材料定义窗口内选择：Structural—>Linear—>Elastic—>Isotropic。在EX栏输入38000〔杨氏弹性模量〕，在PRXY栏输入0.3〔泊送比〕。在材料定义窗口内选择：Structural—>Density。在DENS栏后输入1.033e-3。6． 按下OK按钮完成操作并关闭对话框。3．产生网格设置优先权MainMenu：Preferences在弹出的对话框中将“Structural”选中。按下OK按钮完成操作并关闭对话框。定义单元类型本例中要定义两种单元类型：一个2-D单元和一个3-D单元。用2-D单元给机翼的横截面划分网格，然后拉伸该面积创立一个3-D体积。网格将沿着几何形状被拉伸，所以体积中的3-D单元将自动生成。MainMenu：PreprocessorElementTypeAdd/Edit/Delete。按下Add按钮来翻开添加单元类型对话框。在左侧列表中选择StructuralSolid单元家族，在右侧列表中选择Quad4node〔PLANE42〕单元，作为第一种单元类型。按下Apply按钮。4433与步骤3类似，在左侧列表中选择StructuralSolid，在右侧列表中选择Brick8node〔SOLID45〕，作为第二种单元类型。按下选项对话框中的OK按钮完成操作并关闭对话框。按下Close按钮，关闭单元类型对话框。Toolbar：SAVE_DB。对横截面进行网格划分接下来是更改网格控制以获得特定的网格密度。MainMenu：PreprocessorMeshingMeshTool。按下MeshTool窗口内Global后的Set按钮。在SIZE后的编辑框内输入数值0.25作为单元边长。按下OK按钮关闭对话框。443按下MeshTool窗口内的Mesh按钮。在选择菜单上按下PickAll按钮。浏览出现的消息窗口内容后，将其关闭。关闭MeshTool对话框，单元划分结果见下列图。Toolbar：SAVE_DB。将已划分网格的面积拉伸为已划分网格的体积在这一步里，定义3-D体积时，首先要把单元类型改为类型2——SOLID45，然后再将面积拉伸为体积。MainMenu：Preprocessor-Modeling-OperateExtrudeElemExtOpt。将单元类型设置为2SOLID45。在编辑框内输入8〔拉伸出的单元数〕。按下OK按钮关闭对话框。MainMenu：Preprocessor-Modeling-OperateExtrude-Areas-ByXYZOffest。4423按下选择菜单上的PickAll按钮。在出现的窗口中，在DX，DY，DZ后的编辑框内输入0，0，10作为坐标原点沿Z方向拉伸到的最终位置。按下OK按钮关闭对话框。关闭出现的警告窗口。该题也可以使用SOLID95〔20-nodeBrick〕作为单元类型2。10．UtilityMenu：PlotCtrlsPan，Zoom，Rotate。11．选择Pan-Zoom-Rotate窗口中的Iso按钮。12．关闭该对话框，结果见下列图。13．Toolbar：SAVE_DB。626243574．施加约束选择2-D单元在给机翼固定端施加约束之前，选择所有2-D面积网格中用过的PLANE42单元，在分析过程中将不使用这些单元。UtilityMenu：Select543543216在最上面的下拉列表中选择Elements。在第二个下拉列表中选择ByAttributes。选中Elemtypenum选项。在文本框内输入数值1作为单元类型号。选中Unselect选项。按下Apply按钮。对模型施加约束约束将被加在机翼与机身连接处的所有节点上。选择Z=0处的所有节点，然后应用位移约束条件。在最上面的下拉列表中选择Nodes。在第二个下拉列表中选择ByLocation。选择Zcoordinates选项。在文本框内输入数值0作为Z坐标。选择FromFull选项。按下Apply按钮。7．MainMenu：Preprocessor-Loads-DefineLoads-Apply-Structural-DisplacementOnNodes。8．按下选择菜单上的PickAll按钮选择所有节点。9．在ApplyU，RotonNodes窗口的自由度列表中选择AllDOF〔所有自由度〕。13111210．OK〔注意：保持13111211．在第二个下拉列表中选择ByNum/Pick。12．按下SelectAll按钮。13．按下Cancel按钮关闭对话框。14．Toolbar：SAVE_DB。5．求解5.1 选择分析类型和相关选项MainMenu：Solution-AnalysisType-NewAnalysis。选择Modal〔模态〕选项。按下对话框中的OK按钮。MainMenu：SolutionAnalysisTypeAnalysisOptions。在ModalAnalysis窗口中，选择BlockLanczos选项。在上面的文本框内输入5作为要求解的固有频率数。在下面的文本框内输入5作为要求解的固有频率数。按下OK按钮，关闭ModalAnalysis窗口。分别在编辑框内输入0和100000000作为起始频率和结束频率并按下OK按钮。10.Toolbar：SAVE_DB。995.2 求解1．MainMenu：Solution-Solve-CurrentLS。上步操作后，屏幕上出现一个状态窗口。浏览窗口内的信息，然后选择File菜单内的Close项关闭该窗口。按下OK按钮，开始求解。分别按下Yes按钮关闭两个警告信息窗口。关闭求解结束时的信息窗口。基于前面的讨论，接受这些警告。之所以会出现这些警告，是因为定义了PLANE42单元但在分析过程中却没有使用。只是用它来给2-D的机翼横截面积划分网格。6．观察结果6.1 列出固有频率值MainMenu：GenerlPostprocResultsSummary。关闭信息窗口。注意：上表中的第1列表示振型向量的阶数，第2列是各阶固有频率的计算值，单位是Hz。另外，离散化网格划分不同，结果也会有所不同。6.2 绘制各阶振型向量图绘制第1阶振型向量图：MainMenu：GeneralPostproc-ReadResults-FirstSet。UtilityMenu：GeneralPostproc→Plotresult→ContorPlot→NodalSolu→DOFSolution→选择Displacementvectorsum在Undisplacedshapekey下选择Deformedshapewithundeformededge→OK绘制第2阶振型向量图：MainMenu：GeneralPostproc-ReadResults-NextSet。UtilityMenu：GeneralPostproc→Plotresult→ContorPlot→NodalSolu→DOFSolution→选择Displacementvectorsum在Undisplacedshapekey下选择Deformedshapewithundeformededge→OK重复上面的步骤，就可以绘制出其余第3、4、5阶振型向量图。第1阶振型向量动画模拟五种振型向量第1阶振型向量1.MainMenu：GeneralPostproc-ReadResults-FirstSet。2．UtilityMenu