Ansys第15例谐响应分析实例和凸轮从动件运动分析.docx

Ansys第15例谐响应分析实例和凸轮从动件运动分析.docx

《Ansys第15例谐响应分析实例和凸轮从动件运动分析.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《Ansys第15例谐响应分析实例和凸轮从动件运动分析.docx（44页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

Ansys第15例谐响应分析实例和凸轮从动件运动分析

第15例谐响应分析实例—单自由度系统的受迫振动

本例介绍了利用ANSYS进行谐响应分析的方法、步骤和过程，并使用解析解对有限元分析结果进行了验证。

在进行谐响应分析时，要求结构上的载荷随时间呈正弦规律变化。

15.1概述

15.1.1谐响应分析的定义

谐响应分析主要用于确定线性结构承受随时问按正弦规律变化的载荷时的稳态响应。

谐响应分析主要采用完全法（Full）、缩减法（Reduced）和模态叠加法（ModeSuperposition）。

完全法是软件的默认方法，是三种方法中最容易使用的。

它采用完整的系数矩阵计算，谐响应，不涉及质量矩阵的近似，不必关心如何选取主自由度或振型。

系数矩阵可以是对称的，也可以是不对称的。

其缺点是预应力选项不可用，有时计算量比较大。

缩减法通过采用主自由度和缩减矩阵来压缩问题的规模。

当主自由度处的位移计算出来后，解可以被扩展到初始的完整DOF集上。

该方法可以考虑预应力效果，但不能施加单i元载荷，所有载荷必须施加在用户定义的主自由度上。

模态叠加法通过对模态分析得到的振型乘以因子并求和来计算结构的响应。

对于许多问题，其计算量比前两种方法都少。

该方法可以考虑预应力效果，允许考虑阻尼，但不能施；加非零位移。

谐响应分析是线性分析，会忽略所有非线性特性。

另外还要求所有载荷必须具有相同的频率。

15.1.2谐响应分析的步骤

谐响应分析包括建模、施加载荷和求解，以及查看结果等几个步骤。

（1）建模

谐响应分析的建模过程与其他分析相似，包括定义单元类型、定义单元实常数、定义；，材料特性、建立几何模型和划分网格等。

但需注意的是：

谐响应分析是线性分析，非线性特性被忽略；必须定义材料的弹性模量和密度。

（2）施加载荷和求解

根据谐响应分析的定义，施加的所有载荷都随时间按正弦规律变化，指定一个完整的正弦载荷需要确定三个参数，即幅值（Amplitude，载荷最大值）、相位角（Phaseangle），载荷落后或超前参考时间的角度）、载荷频率范围（ForcingFrequencyRange），或者实部、虚部和载荷频率范围。

具体分析步骤如下：

指定分析类型：

MainMenu→Solution→AnalysisType→NewAnalysis，选择Harmonic。

指定分析选项：

MainMenu→Solution→AnalysisType→AnalysisOptions，选择求解方法。

施加约束:

MainMenu→Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Displacement

施加载荷：

MainMenu→Solution→DefineLoads→Apply→Structural，可以按实部／虚部，或者幅值／相位角两种方式定义载荷。

指定激振频率范围：

MainMenu→Solution→LoadStepOpts→Time/Frequenc→FreqandSubstps。

求解:

MainMenu→Solution→SolveCurrentLS.

（3）查看结果分析计算所得到的所有结果也都是按正弦规律变化的，可以用POSPOST1或POST26查看结果。

通常的处理顺序是首先用POST26找到临界频率，然后用POST1在临界频率处查看整个模型。

POST26用结果—频率对应关系表即变量查看结果，1号变量被软件内定为频率。

15.2问题描述及解析解

单自由度系统如图15-1所示，质量m=1kg，弹簧刚度k=10000N/m，阻尼系数c=63N.s/m，作用在系统上的激振力f（t）==F0sinωt,F0=2000N，ω为激振频率。

图15-1单自由度系统

根据振动学理论，系统的固有频率为

受迫振动规律为

式中,

λ=

频率比,

系统的固有频率，

ζ——阻尼比，ζ=

——振动响应与激振力的相位差，

。

共振频率

=

共振幅值

15.3分析步骤

15.3.1改变任务名

拾取菜单UtilityMenu→File→ChangeJobname，弹出如图15-2所示的对话框，在“[/FILNAM]”文本框中输入EXAMPLE15，单击“OK”按钮。

图15-2改变任务名对话框

15.3.2选择单元类型

拾取菜单MainMenu→Preprocesso→ElementType→Add/Edit/Delete，弹出如图15-3所示的对话框,单击“Add…”按钮，弹出如图15-4所示的对话框，在左侧列表中选“StructuralMass”，在右侧列表中选“3Dmass21”，单击“Apply”按钮；再次弹出如图15．4所示的对话框，在左侧列表中选“Combination”，在右侧列表中选“Spring-damper14”，单击“OK”按钮，最后单击如图15-3所示对话框中的“Close”按钮。

图15-3单元类型对话框

图15-4单元类型库对话框

15.3.3定文实常数

拾取菜单MainMenu→Preprocessor→RealConstants→Add/Edit/Delete,弹出如图15-5所示的对话框，单击“Add…”按钮，弹出如图l5-6所示的对话框，在列表中选择“Type1MASS21”，单击“OK”按钮，弹出如图15-7所示的对话框，在“MASSX”文本框中输入1，单击"OK”按钮，返回到如图15-5所示的对话框，单击“Add…”按钮，再次弹出如图15-6所示的对话框，在列表中选择“Type2COMBIN14”，单击“OK”按钮，弹出如图15-8所示的对话框，在“K”文本框中输入10000，在“CV1”文本框中输入63，单击“OK”按钮，返回到如图15-5所示的对话框，单击“Close”按钮。

于是，定义了MASS21单元的质量为1kg，COMBIN14单元的刚度和阻尼系数分别为10000N/m和63N．s/m。

图15-5实常数对话框

图15-6选择单元类型对话框

图15-7设置实常数对话框

图15-8设置实常数对话框

15.3.4创建节点

拾取菜单MainMenu→Preprocessor→Modeling→Create→Nodes→InActiveCS，弹出如图15-9所示的对话框，在“NODE”文本框中输入1，在“X，Y，Z”文本框中分别输入0，0，0，单击“Apply”按钮；在“NODE”文本框中输入2，在“X，Y，Z”文本框中分别输入1，0，0，单击“OK”按钮。

图15-9创建节点对话框

15.3.5设置要创建单元的属性

拾取菜单MainMenu→Preprocessor→Modeling→Create→Elements→ElemAttributes,弹出如图15-10所示的对话框，选择“TYPE”为2COMBIN14，选择“REAL”为2，单击”OK”按钮。

图15-10单元属性对话框

15.3.6创建弹簧阻尼单元

拾取菜单MainMenu→Preprocessor→Modeling→Created→Elements→AutoNumbered→ThruNodes，弹出拾取窗口，拾取节点1和2，单击“OK”按钮。

15.3.7设置要创建单元的属性

拾取菜单MainMenu→Preprocessor→Modeling→Create→Elements→ElemAttributes,弹出如图15-10所示的对话框，选择“TYPE"为1MASS21，选择“REAL”为1，单击“OK”按钮。

15.3.8创建质量单元

拾取菜单MainMenu→Preprocessor→Modeling→Create→Elements→AutoNumbered→ThruNodes，弹出拾取窗口，拾取节点2，单击“OK”按钮。

15.3.9显示节点和单元号

拾取菜单UtilityMenu→PlotCtrls→Numbering，弹出如图15-11所示的对话框，将Nodenumbers（节点号）打开，选择“Elem/Attribnumbering”为Elementnumbers（显示单元号），单击“OK”按钮。

图15-11图号控制对话框

15.3.10施加约束

拾取菜单MainMenu→Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Displacement→OnNodes，弹出拾取窗口，拾取节点1，单击“OK”按钮，弹出如图15-12所示的对话框，在“Lab2”列表中选择“AllDOF”，单击“Apply”按钮，再次弹出拾取窗口，拾取节点2，单击“OK”按钮，再次弹出如图15-12所示的对话框，在“Lab2”列表中选择“UY”、“UZ”、“ROTX”、“ROTY”、“ROTZ"，单击“OK”按钮。

15.3.11指定分析类型

拾取菜单MainMenu→Solution→AnalysisType→NewAnalysis，弹出如图15-13所示的对话框，选择“TypeofAnalysis"为“Harmonic”，单击“OK”按钮。

图15-12在节点上施加约束对话框

图15-13指定分析类型对话框

15.3.12指定激振频率范围

拾取菜单MainMenu→Solution→LoadStepOpts→Time/Frequenc→FreqandSubstps,弹出如图15-14所示的对话框，在“HARFRQ”文本框中输入0和50（在ANSYS中，频率单位为Hz），在“NSUBST”文本框中输入25，选择“KBC”为“Stepped”，单击“OK”按钮。

图15-14指定频率范围对话框

于是，指定了从0到50Hz范围内均匀分布的25个频率点作为激振频率。

15.3.13施加载荷

拾取菜单MainMenu→Solution-Define→Loads→Apply→Structural→Force/Moment→OnNodes，弹出拾取窗口，拾取节点2，单击“OK”按钮，弹出如图15-15所示的对话框，选择“Lab”为“FX”，在“VALUE”文本框中输入2000，单击“OK”按钮。

图15-15施加载荷对话框

15.3.14求解

拾取菜单MainMenu→Solution→Solve→CurrentLS，单击“SolveCurrentLoadSt印”对话框中的“OK”按钮。

当出现“Solutionisdone!

”提示时，求解结束，从下一步开始，进行结果的查看。

15.3.15定义变量

拾取菜单MainMenu→TimeHistPostpro→DefineVariables，弹出如图15-16所示的对话框，单击“Add…”按钮，弹出如图15-17所示的对话框，选择“TypeofVariable”为“NodalDOFresult”，单击“OK”按钮，弹出拾取窗口，拾取节点2，单击“OK”按钮，弹出如图15-18所示的对话框，在“Name”文本框中输入Dispx，单击“OK”按钮，返回到如图15-16所示的对话框，单击“Close”按钮。

图15-16定义变量对话框

图15-17变量类型对话框

图15-18定义数据类型对话框

15.3.16用曲线图显示变量的幅值

拾取菜单MainMenu→TimeHistPostpro→GraphVariables，弹出如图15-19所示的对话框，在“NVAR1”文本框中输入2，单击“OK”按钮，于是得到系统振动幅值与频率的关系曲线，如图15-20所示。

对比式（15-3）和式（15-4）的结果，可见分析结果是相当准确的。

图15-19选择显示变量对话框

图15-20振幅相应曲线

15.3．17选择曲线图显示相位角

拾取菜单MainMenu→TimeHistPostpro→Settings→Graph，弹出如图15-21所示的对话框，选择“PLCPLX”为“Phaseangle”，单击“OK”按钮。

图15-21设置曲线对话框

15.3.18用曲线图显示变量的相位角

重复步骤15.3.16，得到振动响应与激振力的相位差与频率的关系曲线，如图15-22所示

图15-22相频响应曲线

第16例瞬态动力学分析实例——凸轮从动件运动分析

本例介绍了利用ANSYS进行瞬态动力学分析的方法、步骤和过程，并使用解析解对有限元分析结果进行了验证。

当进行瞬态动力学分析时，结构上的载荷可以随时间，呈任意规律变化，在任意一个载荷步內，约束和载荷都可以被重新设定。

16.1概述

16.1.1瞬态动力学分析的定义

瞬态动力学分析，又称时间历程分析，主要用于确定结构承受随时间按任意规律变化的载荷时的响应。

它可以确定结构在静载荷、瞬态载荷和正弦载荷的任意组合作用下随时间变化的位移、应力和应变。

瞬态动力学分析也采用缩减法（Reduced）、模态叠加法（ModeSuperposition）和完全法（Full）三种方法。

16.1.2瞬态动力学分析的步骤

与其他分析类型一样，瞬态动力学分析也包括建模、施加载荷和求解，以及查看结果等几个步骤。

（1）建模

瞬态动力学分析的建模过程与其他分析相似，包括定义单元类型、定义单元实常数、定义材料特性、建立几何模型和划分网格等。

但需注意的是，必须定义材料的弹性模量和密度。

2）施加载荷和求解

瞬态动力学可以施加随时间按任意规律变化的载荷，要指定这些载荷，需要把载荷对时间的关系曲线划分成适当的载荷步。

在载荷—时间曲线上每一个拐角都应作为一个载荷步，如图16-1所示。

施加瞬态载荷的第一步通常是建立初始条件，即零时刻的初始位移和初始速度，如果没有设置，两者都将被设为0；然后指定后续的载荷步和载荷步选项，即指定每一个载荷步的时间值、载荷值、是阶跃载荷还是坡度载荷，以及其他载荷步选项；最后将每一个载荷步写入文件并一次性求解所有载荷步。

图16-1载荷-时间曲线

ANSYS可以施加的瞬态载荷有阶跃载荷和坡度载荷两种，如图16-1所示，由KBC命令设置。

具体的加载和求解过程如下：

指定分析类型：

MainMenu→Solution→AnalysisType→NewAnalysis，选择Transient。

指定分析选项：

MainMenu→Solution→AnalysisType→AnalysisOptions，选择求解方法。

定义主自由度：

仅缩减法使用。

施加约束：

MainMenu→Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Displacement。

施加载荷：

MainMenu→Solution→DefineLoads→Apply→Structural。

设定载荷步选项：

MainMenu→Solution→LoadStepOpts→Time/Frequenc→time→TimeStep。

写载荷步文件：

MainMenu→Solution→LoadStepOpts→WriteLSFile。

重复以上过程，设置下一个载荷步。

求解:

MainMenu→Solution→Solve→FromLSFiles。

（3）查看结果与谐响应分析类似。

16.2问题描述及解析解

如图16-2所示为一对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构，从动件位移s随时间的变化情况如图16-3（a）所示，根据机械原理的结论，从动件速度v、加速度口随时间的变化规律如图16-3（b）和（C）所示。

图16-2凸轮机构

图16-3凸轮机构从动件的运动规律

16.3分析步骤

16.3.1改变任务名

拾取菜单UtilityMenu→File→ChangeJobname，弹出如图16-4所示的对话框，在“[/FILNAM]”文本框中输入EXAMPLE16，单击“OK”按钮。

图16-4改变任务名对话框

16.3.2选择单元类型

拾取菜单MainMenu→Preprocessor→ElementType→Add/Edit/Delete，弹出如图16-5所示的对话框，单击“Add…”按钮，弹出如图16-6所示的对话框，在左侧列表中选“StructuralSolid”，在右侧列表中选“Quad4node182”，单击“Apply”按钮，再在右侧列表中选“Brick8node185”，单击“OK”按钮，最后单击如图16-5所示对话框中的“Close”按钮。

图16-5单元类型对话框

图16-6单元类型库对话框

16.3.3定文材料模型

拾取菜单MainMenu→Preprocessor→MaterialProps→MaterialModels,弹出如图所示的对话框，在右侧列表中依次拾取“Structural”、“Linear”、“Elastic”、“Isotropic”，弹出如图16-8所示的对话框，在“EX”文本框中输入2e11（弹性模量），在“PRXY”文本框中输入0.3（泊松比），单击“OK”按钮，再拾取如图16-7所示对话框右侧列表中，“Structural”下的“Density”，弹出如出如图16-9所示的对话框，在"DENS”文本框中输入7800（密度），单击“OK"按钮，然后关闭如图16-7所示的对话框。

图16-7材料模型对话框

图16-8材料特性对话框

图16-9定义密度对话框

16.3.4显示关键点、线号

拾取菜单UtilityMenu→PlotCtrls→Numbering，在所弹出的对话框中，将Keypointnumbers（关键点号）和Linenumbers（线号）打开，单击“OK”按钮。

16.3.5创建关键点

拾取菜单MainMenu→Preprocessor→Modeling→Create→Keypoints→InActiveCS，弹出如图16-10所示的对话框，在“NPT”文本框中输入1，在“X，Y，Z”文本框中分别输入0，0，0，单击“Apply”按钮；再在“NPT”文本框中输入2，在“X，Y，Z”文本框中分别输入0.015，0.015，0，单击“Apply”按钮；再在“NPT”文本框中输入3，在“文，Y，Z”。

文本框中分别输入0.015,0.1,0，单击“Apply”按钮；再在“NPT”文本框中输入4，在“x，Y，Z”文本框中分别输入0，0.1，0，单击“OK”按钮。

图16-10创建关键点对话框

16.3.6创建直线

拾取菜单MainMenu→Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Lines→StraightLine,弹出拾取窗口，分别拾取关键点1和2、2和3、3和4、4和1，创建四条直线，单击“OK”按钮。

16.3.7由线创建面

拾取菜单MainMenu→Preprocessor→Modeling→Create→AreasArbitrary→ByLines,弹出拾取窗口，依次拾取直线1、2、3、4，单击“OK”按钮。

16.3.8划分单元

拾取菜单MainMenu→Preprocessor→Meshing→MeshTool，弹出如图16-11所示的对话框，单击“SizeControls”区域中“Lines”后面的“Set”按钮，弹出拾取窗口，拾取直线1和3，单击“OK”按钮，弹出如图16-12所示的对话框，在“NDIV”文本框中输入2，单击“Apply”按钮；再次弹出拾取窗口，拾取直线2，单击“OK”按钮，在“NDIV”文本框中输入10，单击“OK”按钮。

在“Mesh”区域，选择单元形状为“Quad”（四边形），选择划分单元的方法为“Mapped”（映射），单击“Mesh”按钮，弹出拾取窗口，拾取面，单击”OK“按钮。

图16-11划分单元工具对话框

图16-12单元尺寸对话框

16.3.9设定挤出选项

为下一步由面挤出体时形成单元做准备，拾取菜单MainMenu→Preprocessor→Modeling→Operate→Extrude→ElemExtOpts，弹出如图16-13所示的对话框，选择下拉列表框“TYPE”为“2SOLID185”，在“VAL1”文本框中输入4，将“ACLEAR”选择为“Yes"，单击“OK”按钮。

16.3.10由面绕轴挤出回转体

拾取菜单MainMenu→Preprocessor→Modeling→Operate→Extrude→Areas→AboutAxis，弹出拾取窗口，拾取面，单击“OK”按钮，再次弹出拾取窗口，拾取关键点1和4，单击“OK”按钮，再单击随后弹出的“SweepAreasAboutAxis”对话框中的“OK”按钮。

16.3.11显示单元

拾取菜单UtilityMenu→Plot→Elements。

16.3.12改变视点

拾取菜单UtilityMenu→PlotCtrls→PanZoomRotate，在所弹出的对话框中，依次单击“ISO”、“Fit”按钮，或者单击图形窗口右側显示控制工具条上的按钮。

16.3.13旋转工作平面

拾取菜单UtilityMenu→WorkPlane→OffsetWPbyIncrement，弹出如图16-14所示的对话框，在“XY,YZ，ZXAngles”文本框中输入0，-90，单击“OK”按钮。

图16-13单元挤出选项对话框

图16-14平移、旋转工作平面对话框

16.3.14创建局部坐标系

拾取菜单UtilityMenu→WorkPlane→LocalCoordinateSystem→CreateLocalCS→AtWPOrigin，弹出如图16-15所示的对话框，选择下拉列表框“KCS”为“Cylindrical1”，单击“OK”按钮。

于是创建了一个代号为11的局部坐标系，类型为圆柱坐标系，原点与全球原点重合，rθ平面与工作平面重合，同时也与全球直角坐标系的xz平面重合。

在状态行中显示“csys=11”，表示新建的局部坐标系已被激活。

图16-15创建局部坐标系对话框

16.3.15显示面号

拾取菜单UtilityMenu→PlotCtrls→Numbering，在所弹出的对话框中，将Keypointnumbers和Linenumbers关闭，将Areanumbers（面号）打开，单击“OK”按钮。

16.3.16显示面

拾取菜单UtilityMenu→Plot-Areas。

16.3.17创建选择集

拾取菜单UtilityMenu→Select→Entities，弹出如图16-16所示的对话框，选择实体类型为“Areas”，选择创建选择集的方法为“ByNum/Pick”，选中“FromFull”，单击“Apply按钮，弹出拾取窗口，拾取面3、7、11和15（柱面），单击“OK”按钮；再在如图16-16所示的对话框中，选择实体类型为“Nodes”，选择创建选择集的方法为"Attachedto”，选中“Areas，all”，选中“FromFull”，如图16-17所示，单击“OK”按钮。

图16-16选择实体对话框

（1）

图16-17选择实体对话框

（2）

16.3.18显示节点

拾取菜单UtilityMenu→Plot→Nodes。

16.3.19旋转节点坐标系

拾取菜单MainMenu→Prepro