动力学问题有限元分析

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1、【问题描述】如图I所示的固定梁模型，梁的材料为结构钢，尺寸为3mX0.5niX0.025ni,结构两端固定。用集中力250N代表旋转的机器，作用点 位于梁的三分之一处，机器旋转速率为03000rpmod3m图I固定梁【要求】在ANSYS Workbench软件平台上，对该梁结构进行谐响应分析。1分析系统选择(1) 运行ANSYS Workbench,进入工作界面，首先设置模型单位。在菜 单栏中找到Units下拉菜单,依次选择UnitsMetric (kg,m,s/C, A, N,V) 命令。(2) 在左侧工具箱Toolbox下方分析系统” Analysis Systems中 双击“模态分析”【

2、Model】 系统，此时在右侧的“项目流程”【Project Schematic中会出现该分析系统共7个单元格。相关界面如图1所示。Fite Vevz Tools Unite Extersiors Jobs Hcb辽同H/亦咖a 日 Aralys s SysterreFYoject Sdicmaticvcdal型【mmt. | JReccrnr.功fif Project 7 UpdeteProject = : ACT SiortPoxfl McColM Medal (93mceF)旳 De3igr A33e5snert 厢| Eigenvalue Buckling 怡才 Eigenvalue

3、Suckling (Sancef) ElectncE):plidT DynarriGFluid How-Blo/ Molding (Polyhow) Flui d Fl ow- Extnjsio n (Pc ly flow) Fluid FlowfCFX)Fluid Row (Fluent)Fluid Row (Polyflow) Harmonic Response Hydro d/n a mic Diffraoon Hydrod/namic Response 1C Enoine (Fluent)隸态分析：c Enaine (Forte)图1分析系统选择（3）拖动左侧工具箱中“分析系统”【An

4、alysis Systems 中的“谐响应” 【Harmonic Response 系统进到模态分析系统的【Solution】单元格中， 为之后热应力分析做准备。完成后的相关界面如图2所示。Project Schematic图2谐响应分析流程图2 输入材料属性（1）在右侧窗口的分析系统A中双击工程材料【Engmeemig Data单元 格，进入工程数据窗口。（2）可以看见，系统本身默认结构钢Structural Steel已在备选材料窗 口中，在此不必再另行选择，直接单击【Project选项卡回到项目流程界 面即可。3 建立几何模型（1）双击分析系统A中的“几何”【Geometry】单元格。（

5、2）在菜单栏中依次选择UmtsMeter,确认以“米”作为建模单位。之 后，单击树形目录中的【XYPlane】，再单击工具栏中的“创建草图”选 项即S3选项以创建草图，此时【XYPlane】分支下出现了名为“Sketchl” 的草绘平面。如图3所示。File Create Concept Tools Units View HelpJ 2 lH Q Undo RedoXYPIane 木 SketchldThiri/Surface BIe门d 、ChzrnGenerate (IShre TopolocTree Out lineA:、XYP ane白兄可 Sketchlj“孑木 ZXPIanej木

6、YZPlane，乾 0 Parts, 0 BodiesSketching ModelingDetails View* Point Conversic图3创建草绘平面(3)右键单击Sketch 1,在弹出的选项卡中选择正视于”【Look at】选 项，即?,切换视图以方便之后的建模。(4)单击树形图下端的【Sketching选项卡，打开草图绘制窗口。之后 按照给定的模型在草绘平面上绘图：选取“矩形”【Rectangle】工具，即 lQRectan9le ,图形区点击鼠标左键，拖放鼠标画出矩形。如图4所示。图4初步绘制的草图(5)单击草图工具箱中的【Dimensions】菜单栏，之后在图形区的矩形

7、的边上拖放鼠标显示水平尺寸H1以及垂直尺寸V2。之后在左下方DetailsView中分别设置这些边的尺寸。如图5所示。Sketching Toolboxes9GraphicsDraw LineTangen: Line6 Line by 2 Tangents 人 Polyline fiPoJygcn RectangleModifyDimensic nsdJ.Ali1ConstraintsSettingsSketching | Modding |2Deffiils View0b Octaik of SkrtchlSketchSketch 1Sketch Vi5ibilit-Show SketchS

8、how Constraints5 NoP Dimensions: 2J V2|oi5mMlH图4设置尺寸参数(6)为将草图创建为面体，首先在菜单栏中找到概念模型【Concept】菜单，依次选择【Concept】 Surfaces From Sketches。之后在树形目录 中选择己生成的草图【Sketch 1】，再点击明细窗口中的【Base Objects】 中的【Apply】按钮，确认创建线体的草图，对长方形板的厚度的编辑，在明细栏的【Thickness中输入0025m如图5所示。I MB A: Modal c File Create CoUnits View Help1. dJUrido

9、QRed1 Select闵目壬| 匕由鮫回Q Q第増【介X尸XYPIancTree Outline三空JJGenerate Share Topology ParametersQ Graphicsi-Hl0.025 mSlice J Point *2 Conversion曰危 8 Modal 白 ” XYPlane ZTS1“血 Sketcnp*BPImc 卜+* VZPIane /西 SurfaceSkl “与 0 Parti, 0 BodiesSketching ModelingDetails ViewDetaih of SurinceSklOoetationOrient th Plane

10、Normal?Thickness (-0)Surface From Sketch图5面体创建步骤（7）为方便之后施加集中力，需要在建好的面体上添加两条印记线。用同样的方法选择面体作草图，分别找出与梁的首尾两端距离一米处画两条垂直线，具体步骤同上，再次不再赘述。完成后的草图如图6所示。曰血 A: ModalS yif* XYPIanc 卜卅 Sketch 1 岀 Sketch2?“木 ZXRIane：v本 YZPlane 田凸I SurfaceSkl 由甘 1 Part, 1 BodyTree OutlineSketching ModelingDetails ViewDetails of Ske

11、tch2SketchSketch VisibilitySkctch2 Show sketchShow Constraints?NoDimensions: 2H31 mH41 mBGraphics1LUl图6完成后的草图（8）找到菜单栏中的【Create】，依次选择【Create】 【Extrude ,在明细栏窗口中的【Geometry】后选择【Sketch 2 ,并点击【Apply】，之后在【Operation】后选择【Imprint Faces】,再点击【Generate】完成拉伸操作。如图7所示。A： M odaDcignModclerV | Select: T岂运返1&二印觀愆彖Q峯吗*

12、A ii- /” egy Parameters 【Fide irvcl. r v. rep| Thin/乩岛 Blend Chamfer|少刚inf J) Skin/LcftTree Outline曰越A;曰冲 XYPIanc: Sketch?* 木 ZXPiane “木 MPbne 田孑出SurfaceSkl 祁 Extrudel 包/粉 1 Part, 1 BodySketching ModelinQDetdik ViewIB Details of lxtru Sizing 以设置网格尺寸。（4）在菜单栏中选定【选择体】，即 Body按钮。然后单击选定视图 栏中的模型，此时选定的模型变成绿

13、色。在明细栏窗口中的【Geomeuy】 后面选项中选择【Apply,此时视图中选定的模型变为蓝色。在【ElementSize中可以设定要划分单元的大小,此处设置为10mm。单击工具栏上 的Update即:/Up如e等待网格划分结束。如图8所示。I骨鹫辰加迪园曷骗场二申 鮫回Q -慈阿同5 0 TJ-Show Vertices Close Vertices 3.WireframeShe*/ Mesh A L Random Colors Annotation Preferences L*I舒 Os Res护評f xtx J 匕小 Aembfy center Edge Coloring A X X

14、IM 1 Thicken AnncMFilter:心化0J3080OXJO (mm)MrhMesh MeshcfcfWol Mesh Edit 忙s扔31 Model (A4, M)R GexnetryRCccccfridte SystemsBMeshBcCfSQe . iil Modal (A5)“狰?(e-Stres& 0心勻 卜Anals-sis Sewrce 型 Solubofi (A6) Sahtwn nfortnaben8-9JV)tUrmonic Response (BS) :.yhkdal(NtodaD- -77i Xnabse SetUrce;日 p I Solutxxi (

15、&6) :切 fl $obtn InfortnabonDetails of Body Sizing* - SizingGeometry Selection Apply drtcelScopeScoping MethodE 少 nHiSuppressedfJoTypeelement Size 4 J6ement$xe10. mmBehaviorSoftCurvature Normal Angle Default400.00Growth Rate Default1) Local 込| Default (W mm)图8设置网格尺寸（5）至此，网格划分步骤完成。OutKneFilter:临 me Ge

16、ometry A Print Pro-ieA-A .eocrtDetails of Fixed Support*b DefinitionTypeFixed SutwxtSuppressed No4 施加约束及模态分析求解（1）在进行谐响应分析前，我们先要进行模态分析求解，这也是各类动 力学分析的第一步。单击树形图中的【Modal】，进入模态分析环境。（2）施加各类约束。找到工具栏中的【Supports选项，依次选择【SupportsFixed Support,之后在菜单栏中选择Edge选项，即选项，在右 侧图形区中选择梁的首尾两条边，之后在明细栏中的【Geometry处选择Apply确认所选边

17、。如图9所示。File Edit View Units Tools Help . TH| ?/Shcv/ Errors 华肢匾)爲 A)购 JfvVShow Vertices Close Vertices Gutc Sc.二Wireframe jgShow Mesh 人 M Random Colors Annotation Preferences | I-# I 前 0*-Reset Explode Factor Jf J 阳谢nbiyanter II Edge Coloring /?X bl 1 Thicken Ann|Environment Inertial loads Condition

18、s .DirectFE 绻阳厂：-Io/|2) tH 2J(Q| HogB-妙 Model (M. B4)8 Geometryfi-Coordrate SvstemsE 险 rdy 3ZTQ目？E Modal (A5) 丿津 PruStr 臼sWoce “公 Ansi总 Setbnos ？够 FixedSu申x： 白？遏 Solution (AG)Sduson mftrmaon 自 7 Harmonic Response (B5) /酸 MocW (Mated？仝 Marfas SetGrce图9施加温度边界条件（3）点击工具栏中【Solve】进行求解得到梁的模态分析结果。（7）至此，施加约束

19、及求解步骤完成。5査看模态分析结果（1）单击树形图中的【Solution】,进入求解结果环境。此时绘图区域下 方会出现Timeline图形以及Tabular Data表，其中给出对应模态的频率表。 如图10所示。40D.00Geometry/Print Preview入Report Preview/Graph131.071007550.254 Tabular Data图 10 Timeline 图形及 Tabular Data 表（2）在Timeline图形上单击右键，选择Select All选项以选择所有模 态，之后再单击右键，选择【Cieate Mode Shape Results】，此时

20、会在树形 图中出现所有模态的结果图。（3）单击【Solve】以查看结果。各阶模态结果如图11 图16所示。（4）至此，利用ANSYS Woikbench对梁结构进行模态分析完成。2018/3/20 17:102.9657 Max2.63612.30661.97711.64761.31810.98855 _0.65900.32952OMin0.001000.00 (mm)i500.00图11 一阶模态结果1000.00 (mm)500.000.318540 MinA: ModalTotal Deformation 2 Type: Total Deformation Frequency: 40.3

21、74 Hz Unit: mm2018/3/20 17:122.8669 Max2.5483222981.91131.5927127420.955630.6370图12二阶模态结果0.52126OMin2018/3/20 17:144.6913 Max4.17013.64883.12762.60632.0851.56381.04250.001000.00 (mm)500.00图13三阶模态结果1000.00 (mm)500.00A: ModalTotal Deformation 4 Type: Total Deformation Frequency: 79.2 Hz Unit: mm 2018/

22、3/20 17:152.926 Max2.6009227581.95071.62561.30040.975330.6502产0.32511OMin图14四阶模态结果2018/3/20 17:161000.00 (mm)500.00图15五阶模态结果A: ModalTotal Deformation 6 Type: Total Deformation Frequency: 131.07 Hz Unit: mm4.6645 Max4.14633.6283.10972.59142.07311 -5548 _1.0366*1110.51828OMin2018/3/20 17:170.33107OMin

23、2.9796 Max2.64852.31751.98641.65531.32430.99320.66210.001000.00 (mm)500.00图16六阶模态结果6 施加约束及谐响应分析求解(1) 单击树形图中的【Hamionic Response】，进入谐响应分析环境。(2) 找到工具栏中的【Loads】，依次选择【Loads】 Force选项，之 后在菜单栏中选择【Edge】选项，即區选项，在右侧图形区中选择距离梁首端lm的边，之后在明细栏中的【Geometry处选择【Apply】确认所 选边。之后在明细栏窗口中的【Define By】后选择【Components】选项，File Ed

24、it Vievr Units Too并在下方的【Z component后输入力的大小250N。如图17所示。 OSolve ?/Shor/Errors 坐祕 多囚刮丁 丿时.gOutlineFilter: Name回V后国Q丿 Geometry 田Ccordnate Systefrs 目 局i rd-sh 丿购 Body Scy6)启)Modal (AS) 丿舍?re Stress Owns)Analvsts sttngsScjXMXt曰屉 SoluHon (A6)S&ubon Informatica :Total Dcftanatwn j 为 Total Defconaon 2 ;Total

25、 Defccmaon 3 :Total Defcfinatfon 4 Total Defer matfan 5B: Hat-monic Res|nse forceFrequency: QHz2018/3/20 18I6 Force: (Rel) 250v (lmag)0. N Companentc: (Rel) D.,0.,250. N Compn nents: (I mag) 0. NDetails of Force*0ScopeScoping MethodGeometry Sdectior CJGeometfy1 EdgeV0DefinitionTypeforceDefine ByComp

26、onentscoordirate System Global Coordinate SystemX Cornporent 0. NY Component 0. NZComporert 250. NX Phose Angle 0. V Dhxa Annl Defoimation选项，之后选择【Face】工具，即血_选项， 在右侧图形区中选择梁的三个面，在明细栏中的【Geometry】处选择Apply确认所选面;再更改【Spatial Resolution栏为Use Maximum, 并更改Orientation栏为Z Axis o如图19所示。(3)依次选择工具栏中的【Deformation】

27、Total,以查看梁的整体变 形。(4)单击【Solve以得到最终结果。结果如图20图21所示。迸 0- Reset Explode Factor:;Assembly CenterII Edge ColoringSolution Deformation Strain r. Stress Probe Coordinate Systems Frisponsw Phase Re&pon&e、Outlinefilter： NameE) z E iJ严“觀 Total DefcrTTwbcn丿6 Total Dcfomwtian 2 otal Defer3】匸血 Total Defcrrnattcn 4

28、 严“為 Total Defcrmsbcn 5 Total Dcfomwtiai 6Id 3 Harmonic Response (B5) y曾问二(Modal) Analysis Settiigs 戶“ Force 丿虽Force 2El乡 Solution (B6)：1 | Sdubon Informabon# 龜 Total Dc&TMhcn. Frecusncy RespcnseScoptScoping MethodGeometry SdectionGeometrySpatiai ResolutionUse MaximumDefinitionTypeDirection al Defor

29、m 萤名OrientationZAs、SuppressedNoOptionsFrequency RangeUse ParentMi nimum Frequency0 HzMaximum Frequency50. HZDetails of Frequency Response日日bJGraph419 “频率一变形”响应设置B: Harmonic ResponseTotal DeformationType: Total Deformation Frequency: 50 Hz Sweeping Phase: 0 Unit: mm2018/3/20 18:540.044185 Max0.039275

30、0.0343660.0294570.0245470.0196380.0147280.00981890.0049094OMin0.001000.00 (mm)X*A IQ(述珂團 &! S石您喩回欣Q宜00豆邑抵Show Verticw Close Vertices 3 ；Aul 5 . rV7ireframe 护how Mesh U Random Colors Annotation Prefermt500.00图20总变形云图WorksheetFrequency Response(u-uo wpn 七-dlu6妙91fid57OS2H7015251W.20. 4CFrequency (Hz)0丸沖50 18. ISO.17375 -102C.30.dD.Frequency (Hz)soGraphics Worksheet图21 “频率一变形”响应