UG有限元分析第10章.ppt

UG有限元分析第10章.ppt

《UG有限元分析第10章.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《UG有限元分析第10章.ppt（51页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

第10章频率响应分析实例精讲机器人部件振动分析,本章内容简介本实例利用UGNX高级仿真中的【SOL111ModalFrequencyResponse】模块，介绍了对机器人支腿上一个部件进行频率响应分析（扫频分析）的操作流程，重点要掌握在模态分析的基础上，如何创建进行频率响应分析的步骤、如何利用函数工具创建一个与频率相关的激励载荷、如何设定扫频分析的频率方法以及如何查看和评估频率响应的结果。

本章节主要内容:

基础知识问题描述问题分析操作步骤本节小结,10.1基础知识,结构动力学主要研究结构在动载荷（与时间相关或频率相关）作用下，结构自身位移、应力、速度、加速度和频率等物理量的响应情况。

有限元结构动力学是在动力学数学模型（不同的动力问题，其数学模型有所不同）基础上，采用模态分析法、直接时间积分法等数值计算方法来求解结构的动力响应。

NXNastran提供的结构动力学解算器及其含义直接法与频率法建议使用准则直接法与频率法建议使用准则常见结构的阻尼比参考值,10.2问题描述,机器人要求具备高速、重载、高精度及高灵活度等性能要求，尤其是高精度性能方面的要求随着科学技术的发展变得越来越高。

因此，振动分析是进行机器人产品设计的必需设计方法。

本实例以机器人支腿骨架中的一个部件（骨架连接件）为模型，如图所示，该部件简化为一个整体模型；,机器人支腿部件模型示意图,骨架连接件,机器人,工况条件,该部件简化为一个整体模型，所使用的材料为Steel，分析该结构部件在受到与某外界激励频率相关的作用力情况下频率响应情况；图上所示的骨架连接件几何模型已经简化了小尺寸的圆孔、倒角等几何特征，部件的约束位置如下图所示的两个连接孔，施加固定约束；圆孔中心处施加外部激励，受X，Y，Z三个方向，幅值为1000N的载荷力，外部激励的频率为0200Hz,考察在该激励作用下部件结构的动力响应情况。

10.3问题分析,

（1）动力学的解算过程相比静力学要复杂，在抓住主要分析指标的前提下尽量合理简化有限元模型，以利于减少解算规模和计算工作量。

如果仿真模型中单元和节点数量较多，会大大的增加计算成本，甚至会出现超出电脑硬件计算能力而不能解算的情况。

（2）本实例的解算思路是：

首先进行该部件在约束状态下的模态参数求解，主要考察约束模态下结构的前五阶频率值的数值范围，再求解该部件在外部激励载荷作用下的第1阶、第2阶的动力响应情况。

（3）不同的结构，其物理阻尼参数不尽相同，实际中需要通过实测和比较的方法来获得，本实例使用模态阻尼，为简化计算，在0200Hz激励频率作用下，设定其结构的内阻尼参数为常值0.08。

（4）本例中采用模态频率响应解算器SOL111，使用FREQ1载荷频率的求解方法，频率步长为2Hz，进行扫频分析。

载荷施加点使用刚性连接方式，创建载荷施加于作用点。

（5）按照解算要求确定希望得到的输出响应指标，在操作过程中仔细设定输入结果、输出结果和输入对象等内容，预先在解算方案的输出请求中进行相应的设置。

10.4操作步骤,创建有限元模型创建仿真模型求解结构模态和振型创建仿真模型施加频率相关载荷求解结构频率响应,

（1）创建有限元模型,打开随书光盘part源文件所在的文件夹：

Book_CDPartPart_CAE_UnfinishCh10_Robotarmrobotarm.prt模型，调出如图所示的骨架连接件主模型,1）建立骨架联接系统的FEM模型,依次左键单击【开始】和【高级仿真】命令，在【仿真导航器】窗口分级树中单击【robotarm.prt】节点，右键单击弹出的【新建FEM】选项，新建FEM，并进行其他操作，单击【确定】按钮即可进入了创建有限元模型的环境。

设置相关参数,单击确定,2）指派材料,单击工具栏中的【指派材料】图标，弹出【指派材料】对话框；,设置相关参数,单击确定,3）创建物理属性,单击工具栏中的【物理属性】图标，弹出【物理属性表管理器】对话框,单击【创建】,选择材料,单击【确定】,4）网格属性定义,单击工具栏中的【网格收集器（俗称为：

网格属性定义）】图标，弹出【网格捕集器】对话框,单击【确定】,5）划分网格,单击工具栏中的【3D四面体网格】图标，弹出如图所示的对话框；,设置相关参数,单击确定,划分好网格示意图,单击工具栏中的【单元质量】图标，弹出【单元质量】对话框，如图所示；,6）检查单元质量,单击该命令,设置相关参数,依次单击菜单【插入】【模型准备】【网格点】命令，弹出【网格点构造器】对话框；,7）创建网格点第1点,单击该命令,设置相关参数,第1个网格点的选择,依次单击菜单【插入】【模型准备】【网格点】命令，弹出【网格点构造器】对话框；,8）创建网格点第2点,单击该命令,设置相关参数,第1个网格点的选择,单击工具栏中的【1D连接】图标，弹出【1D连接】的对话框，如图所示；,9）创建刚性连接单元，第1个刚性连接,单击该命令,设置相关参数,选取点,圆孔面,单击工具栏中的【1D连接】图标，弹出【1D连接】的对话框，如图所示；,10）创建刚性连接单元，第2个刚性连接,单击该命令,设置相关参数,选取点,圆孔面,单击菜单栏的【插入】命令，选择【节点】子命令，选择【节点之间】命令，弹出如图所示的对话框；,11）创建插入节点,单击该命令,设置相关参数,选取上述建的两个点,击工具栏中的【1D连接】图标，弹出【1D连接】的对话框；,12）创建1D连接,单击该命令,设置相关参数,

（2）创建仿真模型,1）单击【仿真导航器】窗口分级树的【robotarm_fem1.fem】节点，右键弹出快捷菜单，单击【新建仿真】，弹出【新建部件文件】对话框，在【名称】中修改为【robotarm_sim1.sim】,选择合适的存放路径，单击【确定】按钮，弹出【新建仿真】对话框，默认所有的选项，单击【确定】按钮,如图所示。

单击确定,2）创建解算方案并设置参数,弹出【创建解算方案】对话框，在【名称】中默认为【Solution1】，【解算方案类型】选取为【SOL103RealEigenvalues】，如图所示，单击【确定】按钮。

弹出【解算步骤】设置对话框，如图所示；,单击确定,设置参数,单击该命令,单击工具栏中的【约束类型】图标的小三角，单击弹出的【固定约束】命令,选取圆孔面,3）添加约束,单击确定,1）在【仿真导航器】窗口分级树中单击【Solution1】节点，右键单击【求解】命令，弹出【求解】对话框，单击【确定】按钮，等待【模型检查】完成，等待【分析作业监视器】出现【完成】，在【仿真导航器】窗口分级树中也增加了【结果】节点，关闭所有信息窗口，这样就完成了仿真模型前5阶约束模态的解算。

（3）求解结构模态和振型,2022/10/6,2）结果查看,双击【结果】后进入【仿真后处理导航器】树状列表窗口进行查看，展开【Solution1】节点，5个约束模态的频率值如图所示，第1阶约束模态频率为90.70Hz，第2阶约束模态频率为190.9Hz。

后处理导航器新增节点,2022/10/6,3）第1阶振型查看,展开【模式1】节点，双击【位移-节点的】下面的【幅值】子项，得到该部件的整体振型位移云图，如图所示；,第1阶振型,2022/10/6,（4）创建仿真模型,1）单击【仿真导航器】窗口分级树中的【robotarm_sim1.sim】节点，单击右键选择【新建解算方案】，在【解算方案类型】中选择【SOL111ModalfrequencyResponse】，如图所示。

设置相关参数,单击确定,2022/10/6,2）新建解算步骤设置扰动频率,弹出【解算步骤】对话框，默认【解算方案】中的全部选项，如图所示，单击【扰动频率】右侧的【创建扰动频率】图标，弹出如图所示的对话框，名称中默认为【ForcingFrequenciesModal1】，点击【创建】命令，弹出如图所示的对话框，进入扰动频率的设置。

设置相关参数,2022/10/6,3）扰动频率设置,在【频率列表】下的【频率列表窗体】右侧的下拉菜单中选择相关参数并进行设置；,设置相关参数,设置相关参数,2022/10/6,4）设置结构阻尼参数,默认【阻尼类型】为【结构】，在【结构阻尼】右侧的下拉菜单中选择【场】，在【指定场】右侧的下拉菜单中选择【表构造器】，弹出如图所示的对话框,设置相关参数,单击确定,在【仿真导航器】窗口的分级树中，选中子工况【Solution2】，右键单击选择【新建子工况】命令，按照上述的方法和参数建立名称为【Subcase-ModalFrequency2】的子工况。

同样，按照上述的方法和参数建立名称为【Subcase-ModalFrequency3】的子工况,5）创建子工况,（5）施加频率相关载荷,1）单击工具栏中【载荷类型】图标右侧的黑色倒三角符号，在下拉菜单中选择【力】图标，出现【力】载荷施加对话框。

设置相关参数,设置相关参数,设置相关参数,设置相关参数,单击确定,2）克隆载荷,选择【仿真导航器】窗口分级树中【载荷容器】节点下上述步骤创建的【Force

（1）】，右键选择【克隆】，出现【CopyofForce

（1）】节点，右键选择【编辑】命令，将【名称】修改为【Force

（2）】，设置相关参数；用相同方法创建【Force（3）】；,设置相关参数,单击确定,单击确定,设置相关参数,3）将载荷对应子工况,将【约束容器】下的【Fixed

（1）】拉入到【Solution2】下的【约束】中，将【载荷容器】中的【Force

（1）】，【Force

（2）】，【Force（3）】分别拉入到【Subcase-ModalFrequency1】、【Subcase-ModalFrequency2】、【Subcase-ModalFrequency3】子工况节点中，如图所示；,仿真导航器新增节点,载荷示意图,（6）求解结构频率响应,1）在【仿真导航器】窗口分级树中单击【Solution2】节点，右键单击【求解】命令，弹出【求解】对话框，单击【确定】按钮，等待【模型检查】完成，等待【分析作业监视器】出现【完成】提示信息，在【仿真导航器】窗口分级树中也增加了【结果】节点，关闭所有信息窗口。

2）结果查看,双击【结果】后进入【仿真后处理导航器】树状列表窗口进行查看，展开【Solution2】节点，如图所示，点击【Subcase-ModalFrequency1】结果节点，如图所示，点开频率21阶的节点，显示频率值为90Hz时的【位移-节点的】。

后处理导航器新增节点,双击,3）子工况1频率响应分析结果,展开频率21阶的节点，双击【幅值】，查看当外部载荷激励频率为90Hz时，引起机器人骨架连接件产生共振的动态位移变化情况，如图所示。

子工况1频率响应分析结果（90Hz）,4）子工况2频率响应分析结果,同上述方法，查看子工况2频率响应分析结果；,子工况2频率响应分析结果（90Hz）,5）子工况3频率响应分析结果,同上述方法，查看子工况3频率响应分析结果；,子工况3频率响应分析结果（90Hz）,2022/10/6,6）生成图表,点击【Subcase-ModalFrequency1】结果节点，点开频率1阶，双击频率为50Hz时的【位移-节点的】中的【幅值】分析结果，在【后处理导航器】中选择【云图绘图】中的【PostView2】,右键选择【新建图表】图标，弹出如图所示的生成图表对话框，,设置相关参数,选取该点编号为75244,2022/10/6,7）解算结果图形编辑,单击【Solution2】解算结果的【图形】下的【modalshapeonnode75244】节点，如图所示；进行相关的编辑；,右击,设置相关参数,2022/10/6,8）峰值探测模式及设置,单击窗口工具栏中的【探测模式】右侧的黑色倒三角符号，选择【峰值探测模式】命令，在窗口图表中对两个波峰进行标记，将【标记】拖拽到边上位置（便于观察即可），同样，在【数据跟踪下拉菜单】中选择【编辑/最小-最大值模式】