Ansys第15例谐响应分析实例和凸轮从动件运动分析_精品文档.docx

1、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( Mode Superposition)。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

2、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。(

3、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(Phase angle)，载荷落后或超前参考时间的角度）、载荷频率范围（Forcing Frequency Range），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：Main MenuSolution

4、Analysis TypeNew Analysis，选择Harmonic。指定分析选项：Main MenuSolutionAnalysis TypeAnalysis Options，选择求解方法。施加约束: Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacement施加载荷：Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructural，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：Main MenuSolutionLoad Step OptsTime/FrequencFreq and Subs

5、tps。求解: Main MenuSolutionSolve Current LS.(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=10 000N/m， 阻尼系数c=63N.s/m，作用在系统上的激振力f(t)=F0sint, F0=2000N，为激振频率。图15-1 单自由度系统根据振动学理

6、论，系统的固有频率为n=12km=12100001=15.9Hz受迫振动规律为xt=F0k(1-2)2+(2)2sin(t-)式中, =n 频率比, n 系统的固有频率，n=km=100001=100rad/s阻尼比，=c2mk=632110000=0.315 振动响应与激振力的相位差，=tan-121-2。共振频率 t=n1-22=15.91-20.3152=14.2Hz共振幅值 Bt=F0cn=200063100=0.317m1 5.3分析步骤15.3.1改变任务名拾取菜单Utility MenuFileChange Jobname，弹出如图15-2所示的对话框，在“/FILNAM”文本框

7、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Main MenuPreprocessoElement TypeAdd/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“Structural Mass”，在右侧列表中选“3D mass 21”，单击“Apply”按钮；再次弹出如图154所示的对话框，在左侧列表中选“Combination”，在右侧列表中选“Spring-damper 14”，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-

8、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Main MenuPreprocessorReal ConstantsAdd/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“Type1 MASS21”，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“Type 2 COMBIN14”，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10

9、 000，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10 000N/m和63Ns/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Main MenuPreprocessorModelingCreateNodesIn Active CS，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

10、“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Main MenuPreprocessorModelingCreateElementsElem Attributes,弹出如图15-10所示的对话框，选择“TYPE”为2 COMBIN14，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Main MenuPreprocessorModelingCreatedElementsAuto NumberedThru Nodes，弹出拾取窗口，拾

11、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Main MenuPreprocessorModelingCreateElementsElem Attributes,弹出如图15-10所示的对话框，选择“TYPE 为1 MASS21，选择“REAL”为1，单击“OK”按钮。15.3.8 创建质量单元拾取菜单Main MenuPreprocessorModelingCreateElementsAuto NumberedThru Nodes，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Utility MenuPlotCtrlsNumber

12、ing，弹出如图15-11所示的对话框，将Node numbers（节点号）打开，选择“Elem/Attrib numbering”为Element numbers（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Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementOn Nodes，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“All DOF”，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

13、示的对话框，在“Lab2”列表中选择“UY”、“UZ”、“ROTX”、“ROTY”、“ROTZ ，单击“OK”按钮。1 5.3.11指定分析类型拾取菜单Main MenuSolutionAnalysis TypeNew Analysis，弹出如图15-13所示的对话框，选择“Type of Analysis 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 Main MenuSolutionLoad Step OptsTime/FrequencFreq and Substps,弹出如图15-14所示

14、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 Main MenuSolution-DefineLoadsApplyStructuralForce/MomentOn Nodes，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、-15施加载荷对话框15.3.14求解拾取菜单Main MenuSolutionSolveCurrent LS，单击“Solve Current Load St印”对话框中的“OK”按钮。当出现“Solution is done!”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Main MenuTimeHist PostproDefine Variables，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“Type of Variable”为“Nodal DOF result”，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