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Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-dateANSYS动力学分析第1章动力学分析5.1 机翼模态分析实例问题描述如图5-2所示，为一个模型飞机的机翼。机翼沿着长度方向轮廓一致，且它的横截面由直线和样条曲线定义。机翼的一端固定在机体上，另一端为悬空的自由端。且机翼由低密度聚乙烯制成，有关性质参数为：弹性模量：38×103psi；泊松比：0.3；密度：1.033×10-3slug/in3。问题的目的是显示机翼的模态自由度。 图5-2 模型飞机机翼简图GUI操作步骤 1. 定义标题和设置参数(1) 选择菜单Utility Menu>File>Change Title。(2) 输入文本“Modal analysis Of a model airplane wing”，单击。(3) 选择菜单Main Menu>Preferences。(4) 选中“Structural”选项，单击。2. 定义单元类型 (1) 选择菜单Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete，弹出【Element Types】窗口如图5-3。 图5-3 【Element Types】窗口(2) 单击，弹出【Library of Element Types】对话框如图5-4。 图5-4 【Library of Element Types】对话框(3) 在左侧的滚动框中选择“Structural Solid”。(4) 在右侧的滚动框中选择“Quad 4node 42”。(5) 单击。(6) 在右侧的滚动框中选择“Brick 8node 45”，单击。(7) 单击关闭窗口。3. 定义材料性质(1) 选择菜单路径Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models，打开【Define Material Model Behavior】材料属性对话框如图5-5。图5-5 【Define Material Models Defined】窗口(2) 在【Material Models Available】窗口中选择下面的路径：Structural>Linear>Elastic> Isotropic；打开另一对话框。(3) 在【EX】一栏中输入“3800”。(4) 在【PRYX】一栏中输入“0.3”，单击关闭窗口。(5) 双击“Structural，Density”，打开另一窗口。(6) 在【DENS】一栏中输入“1.033E-3”，单击关闭窗口。(7) “Material Model Number l”出现在【Define Material Models Defined】窗口中。(8) 选择菜单Material>Exit，退出【Define Material Model Behavior】窗口。4. 创建关键点(1) 选择菜单Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>In Active CS，弹出【Create Keypoints in Active Coordinate System】窗口如图5-6。图5-6 【Create Keypoints in Active Coordinate System】窗口(2) 在“keypoint number”中输入“1”，在“Location in active CS”中输入坐标“0,0,0”。(3) 单击。(4) 重复步骤(2)和(3)，输入关键点25的坐标值：（2，0，0）、（2.3，0.2，0）、（1.9,0.45,0）与（1,0.25,0）。(5) 在输入完最后一点之后，单击。(6) 选择菜单Utility Menu>PlotCtrls>Window Controls>Window Options。(7) 在“Location of triad”滚动菜单中选中“Not shown”，单击。(8) 选择菜单Utility Menu>PlotCtrls>Numbering。(9) 将“Keypoint numbers”设为“ON”，单击。5. 在关键点之间创建线(1) 选择菜单Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>>Lines> Lines>Straight Line，弹出图5-7的【Create Straight Lines】拾取菜单。(2) 在绘图区域按顺序选中关键点1和2，绘出一条直线。(3) 在绘图区域按顺序选中关键点5和1，绘出另一条直线。(4) 单击。(5) 选择菜单Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Splines>With options> Spline thru KPs，弹出【B-Spline】拾取菜单窗口图5-8。 图5-7 【Create Straight Lines】窗口 图5-8 【B-Spline】窗口(6) 按顺序选中关键点2, 3, 4, 5，然后单击，弹出另一窗口如图5-9所示。图5-9 【B-Spline】窗口(7) 在“XVl，YVl，ZVl”域中输入“-1，0，0”；在“XV6，YV6，ZV6”域中输入“-1，-0.25，0”。(8) 单击，在绘图区域显示出机翼的曲线部分如图5-10。 图5-10 机翼的曲线部分6. 创建横截面(1) 选择菜单Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Arbitrary>By lines，弹出【Create Areas】拾取菜单如图5-11。(2) 在绘图区域选中所有的三条直线，单击，生成面如图5-12。 图5-11 【Create Areas】拾取菜单 图5-12 生成的面(3) 单击Toolbar上的进行存盘。7. 定义网格密度并进行网格划分(1) 选择菜单Main Menu>Preprocessor>Meshing>Size Cntrls>ManualSize>Global> Size，弹出【Global Element Sizes】窗口如图5-13。(2) 在“Element edge length”一栏中输入“0.25”，单击。图5-13 【Global Element Sizes】对话框(3) 选择菜单Main Menu>Preprocessor>Meshing>Mesh>Areas>Free，打开【Mesh Areas】拾取菜单如图5-14。(4) 单击，如果出现警告信息，忽略并关闭信息窗口，生成模型如图5-15所示。 图5-14 【Mesh Areas】拾取菜单 图5-15 生成的有限元模型(5) 单击Toolbar上的进行存盘。 (6) 选择菜单Main Menu>Preprocessor>Meshing>Size Cntrls>ManualSize>Global>Size，弹出【Global Element Sizes】窗口。(7) 删除单元的边界长度。(8) 在“Number of element divisions”中输入“10”，单击。8. 将网格划分面积嵌入网格划分体积(1) 选择菜单Main Menu>Preprocessor>Meshing>Meshing Attributes>Default Attribs，弹出Meshing Attributes窗口如图5-16所示。(2) 在“Element type number”一栏中选择“2 Solid45”，单击。(3) 选择菜单Main Menu>Preprocessor>Modeling>Operate>Extrude>Areas>By XYZ Offset，打开【Extrude Area by Offset】拾取菜单如图5-17。 图5-16 【Meshing Attributes】对话框 图5-17 【 Extrude Area by Offset】拾取菜单(4) 单击，出现【Extrude Areas by XYZ Offset】菜单窗口。(5) 在“offsets for extrusion”中输入“0，0，10”。(6) 单击，如果出现警告信息，忽略并关闭信息窗口。(7) 选择菜单Utility Menu>PlotCtrls>Pan Zoom Rotate。(8) 单击按钮并关闭该工具条。(9) 单击Toolbar上的进行存盘。9. 指定分析类型和分析选项(1) 选择菜单Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis，出现如图5-18所示对话框。图5-18 【New Analysis】 对话框(2) 选择“Modal”项并单击。(3) 选择菜单Main Menu>Solution>Analysis Type>Analysis Options，打开【Modal Analysis】对话框如图5-19所示。 图5-19 【Modal Analysis】 对话框(4) 将“Subspace”设置为“ON”。(5) 在“No. of modes to extract”中输入“5”。(6) 单击，出现【Subspace Modal Analysis】窗口如图5-20。图5-20 【Subspace Modal Analysis】窗口(7) 使用默认设置并单击。10. 取消PLANE42单元的选定(1) 选择菜单Utility Menu>Select>Entities，弹出【Select Entities】对话框。(2) 选择“Elements”和“By Attributes”。(3) 将“Elem type num”选项设为打开状态。(4) 在“Min，Max，Incarea for the element type number”中输入“l”。(5) 选中“Unselect”选项，并单击。11. 施加约束条件(1) 选择菜单Utility Menu>Select>Entities，弹出【Select Entities】对话框。(2) 选择“Nodes”和“By Location”。(3) 将“Z coordinates”选项设为打开状态。 (4) 在“Min，Max，Incarea for the Z coordinate location”中输入“0”。(5) 选中“From Ful”选项，并单击。(6) 选择菜单Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Structural>Displacement>On Nodes，弹出【Apply U，ROT on Nodes】拾取菜单。(7) 单击，打开【Apply U，ROT on Nodes】窗口。(8) 单击“All DOF”。(9) 单击。(10) 执行Utility Menu>Select>Everything。12. 将模态扩展并求解(1) 选择菜单Main Menu>Solution>Load Step Opts>ExpansionPass>Single Expand>Expand Modes，弹出【Expand Modes】对话框如图5-21。图5-21 【Expand Modes】对话框(2) 在“No. of modes to expand”中输入“5”，单击。(3) 选择菜单Main Menu>Solution>Solve>Current LS，开始求解。(4) 当求解完成后，关闭窗口。13. 进行结果后处理(1) 选择菜单Main Menu>General Postproc>Results Summary，观察弹出信息内容然后关闭。(2) 选择菜单Main Menu>General Postproc>Read Results>First Set。(3) 选择菜单Utility Menu>PlotCtrls>Animate>Mode Shape，打开【Animate Mode Shape】对话框如图5-22。 图5-22 【Animate Mode Shape】对话框(4) 单击，观察显示动画。(5) 选择菜单Main Menu>General Postproc>Read Results>Next Set。(6) 选择菜单Utility Menu>PlotCtrls>Animate>Mode Shape。(7) 单击，观察显示动画。(8) 重复(5)(7)观察剩余的三个模态。14. 保存文件并退出ANSYS(1) 执行Utility Menu>File>Save as，保存为“Plane_resu.db”文件。(2) 单击Toolbar上的按钮。(3) 选择“Quit-No Save!”并单击。命令流-/FILNAM, MODAL/TITLE, Airplane Wing Modal Analysis /PREP7ET,1, PLANE42ET,2, SOLID45MP, EX,1,38000MP, DENS,l,l.033E-3MP, NUXY,1,.3K,1 K,2,2K,3,2.3,2K,4,1.9,45 K,5,1,25 LSTR, 1,2 LSTR, 5,1 BSPLIN, 2,3,4,5,-1,-1,-25 AL, l,3,2ESIZE,.25AMESH, 1ESIZE,10TYPE, 2VEXT,ALL,10/VIEW,1,1,1/ANG, 1/REPEPLOTFINISH/SOLUANTYPE, MODALMODOPT, SUBSP, 5ESEL, U,TYPE,1NSEL, S, LOC, Z,0D, ALL, ALLNSEL, ALLMXPAND, 5SOLVEFINISH/POST1SET, LIST, 2SET, FIRSTPLDISP, 0ANMODE,10,.5E-1SET, NEXTPLDISP, 0ANMODE,10,.5E-1SET, NEXTPLDISP, 0ANMODE,10,.5E-1SET, NEXTPLDISP, 0ANMODE,10,.5E-1SET, NEXTPLDISP，0ANMODE，10，.5E-lFINISH/EXIT5.2 电动机系统谐响应分析实例 问题描述此实例需要确定一个工作台-电动机系统的谐响应，确定如图5-23所示的系统中的质量体m上施加简谐力(Fx和Fz)时结构的位移响应。材料是A3钢，相关参数为杨氏模量为2×1011N/m2，泊松比为0.3，密度为7.8×103kg/m3。板壳厚度为0.02m，长度为2 m，宽度为1m。梁（4条腿）几何特性为截面面积为2×10-4m2，惯性矩为2×108m4，长度为0.02 m，宽度为0.01m，高度为1m。质量元（电机）m=100kg，载荷为Fx=100N，Fz=100N，Fx落后90°相位角，强制频率范围为0Hzl0Hz，并选定求解频率间隔为1Hz以得到满意的曲线。用POST26绘制幅值对频率的关系曲线。图5-23 电动机-工作台系统的简图GUI操作步骤1. 定义工作文件名及分析参数(1) 定义工作文件名：执行Utility Menu>File>Change Jobname命令，弹出【Change Jobname】对话框。输入“Harmonic”，然后单击按钮，“New log anf error files?”选为“Yes”。(2) 定义工作标题：执行Utility Menu>File>Change Title命令，弹出【Change Title】对话框。输入“Harmonic Response of the structure”，然后单击按钮。(3) 设置参数：执行Utility Menu>Parameters>Scalar Parameters命令，弹出【Scalar Parameters】对话框，如图5-24所示。在【Selection】文本框中输入“width=l”，单击按钮。输入“length=2”，“high=1”和“mass_hig=0.1”，单击按钮后单击按钮。2. 定义3种单元类型(1) 设置第1类单元类型：执行Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete命令，弹出【Element Types】对话框，如图5-25所示。单击按钮，弹出【Library of Element Type】对话框。在左右列表框中分别选择“Structural Shell”和“Elastic 4node 63”选项，单击按钮。 图5-24 【Scalar Parameters】对话框 图5-25 【Element Types】对话框(2) 设置第2类单元类型：在左右列表框中分别选择“Structural Beam”和“3D elastic 4”选项，单击按钮。(3) 设置第3类单元类型：在左右列表框中分别选择“Structural Mass”和“3D mass 21”选项，单击按钮。单击“Type 3”单元类型，单击按钮，弹出【MASS21 elemen type options】对话框，在“Rotary inertia options”列表中选择“3-D w/o tor iner”选项，单击按钮。单击【E1ement Types】对话框中的按钮。3. 定义单元实常数及材料属性(1) 定义第1类单元实常数：执行Main Menu>Preprocessor>Real Constants>Add/Edit/Delete命令，弹出【Real Constant】对话框。单击按钮，弹出【Element Type for Real Constants】对话框。选择“Type l Shell63”选项，单击按钮，弹出如图5-26所示的【Rea Constants Set Number l，for SHELL63】对话框。在【Shell shickness at node I TK(I)】文本框中输入“0.02”，单击按钮。(2) 设置第2类单元的实常数：在【Real Constant】对话框中单击按钮，弹出【Element Type for Real Constants】对话框。选择“Type 2 BEAM4”选项，单击按钮。弹出如图5-27所示的【Real Constants Set Number 2,for BEAM4】对话框。在【AREA】、【IZZ】、【IYY】、【TKZ】和【TKY】文本框中分别输入“2e-4”、“2e-8”、“2e-8”、“0.01”及“0.02”，单击按钮。 图5-26 壳单元实常数 图5-27 梁单元实常数(3) 设置第3类单元的实常数：在【Real Constant】对话框中单击按钮，弹出【Element Type for Real Constants】对话框。选择“Type 3 MASS21”选项，单击按钮，弹出如图5-28所示的【Real Constants Set Number 3,for MASS21】对话框。在【MASS】文本框中输入“100”，单击按钮，单击按钮。 图5-28 【Real Constants Set Number 3,for MASS21】对话框(4) 定义材料属性：执行Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models命令，弹出【Define Material Model Behavior】窗口。双击【Material Models Available】列表框中的“StructuralLinearElasticIsotropic”选项，弹出【Linear Isotropic Properties for Material Number l】对话框。在【EX】和【PRXY】文本框中分别输入“2e11”和“0.3”，单击按钮。双击【Define Material Model Behavior】窗口中【Material Models Available】列表框中的“Density”选项，弹出【Density for Material Number l】对话框。在【DENS】文本框中输入“7800”，单击按钮。执行Material>Exit命令，关闭【Define Material Model Behavior】窗口。4. 建立几何模型(1) 生成矩形：执行Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Rectangle>By Dimensions命令，弹出如图5-29所示的【Create Rectangle by Dimensions】对话框。在【X-coordinates】文本框中输入“0”和“length”，在【Y-coordinates文本框中输入“0“和“width”，单击按钮。(2) 生成关键点：执行Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>In Active CS命令，弹出如图5-30所示的【Create Key points in Active Coordinate System】对话框。在【Keypoint number】文本框中输入关键点编号“5”，在【Location of active CS】文本框中输入关键点的坐标值“0，0，high”，然后单击按钮。重复上述步骤分别生成关键点6：length，0，high；关键点7：length，width，high；关键点8：0，width，high，最后单击按钮。 图5-29 【Create Rectangle by Dimensions】对话框图5-30 【Create Key points in Active Coordinate System】对话框(3) 关闭三角符号显示：执行Utility Menu>PlotCtrls>Window Controls>Window Option命令，弹出【Window Options】对话框。在【Location of triad】下拉列表框中选中“Not shown”选项，单击按钮。(4) 打开Pan-Zoom-Rotate工具栏：执行Utility Menu>PlotCtrls>Pan Zoom Rotate命令，单击按钮。或单击视图控制区的按钮得到等视图。(5) 显示所有实体：执行Utility Menu>Plot>Multi-Plots命令。(6) 打开关键点的编号：执行Utility Menu>PlotCtrls>Numbering命令，弹出如图5-31所示的【Plot Numbering Controls】对话框。选择【Keypoint numbering】复选框，单击按钮。图5-31 【 Plot Numbering Controls】对话框(7) 在关键点间连线：执行Main Menu>Preprocessor>Modeling>Createl>Lines>Lines> Straight Line命令，弹出拾取框。在图形窗口中分别拾取编号为“1，5”，“2，6”，“3，7”和“4，8”的4组关键点，单击按钮，生成结果如图5-32所示。图5-32 生成结果5. 划分有限元网格(1) 定义网格密度：执行Main Menu>Preprocessor>Meshing>Size Contrls>ManualSize>Global>Size命令，弹出如图5-33所示的【Global Element Sizes】对话框。在【Element edge length】文本框中输入单元尺寸“0.1”，单击按钮。图5-33 【 Global Element Sizes】对话框(2) 划分面网格：执行Main Menu>Preprocessor>Meshing>Mesh>Areas>Free命令，弹出一个拾取框。选中矩形面，单击按钮。(3) 保存面网格：单击工具栏中的按钮。6. 生成有限元梁单元。 (1) 定义杆属性；执行Main Menu>Preprocessor>Meshing>Mesh Attributes>Default Attribs命令，弹出如图5-34所示的【Meshing Attributes】对话框。分别在【Element type number】和【Real constant set number】下拉列表框中选择“2 BEAM4”及“2”选项，单击按钮。图5-34 【Meshing Attributes】对话框(2) 显示线：执行Utility Menu>Plot>Lines命令。(3) 显示线的编号：执行Utility Menu>PlotCtrls>Numbering命令，弹出【Plot Numbering Controls】对话框。选择【Line Numbers】复选框，单击按钮。(4) 对线划分网格：执行Main Menu>Preprocessor>Meshing>Mesh>Lines命令，弹出拾取框。拾取编号为“L5，L6，L7，L8”的4条线，单击按钮，生成结果如图5-35所示。图5-35 生成结果(5) 保存结果数据：单击工具栏中的按钮。7. 生成质量块单元(1) 生成节点：执行Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Nodes>In Active CS命令弹出如图5-36所示的【Create Nodes in Active Coordinate System】对话框。分别在【Node number】和【Location in active CS】文本框中输入节点编号“500”，以及“length/2，width/2，mass_big”，单击按钮。图5-36 【Create Nodes in Active Coordinate System】对话框(2) 选择质量单元： 执行 Main Menu>Preprocessor>Meshing>Mesh Attributes>Default Attribs命令，弹出M【eshing Attributes】对话框。分别在【Element type number】和【Real constant set number】下拉列表框中选择“3MASS21”及“3”选项，单击按钮。(3) 直接生成单元：执行Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Elements>Auto Numbered>Thru Nodes命令，弹出如图5-37所示的【Elements From Nodes】对话框。输入“500”，单击按钮。(4) 指定刚化区域：执行Main Menu>Preprocessor>Coupling/Ceqn>Rigid Region命令，弹出拾取框。拾取编号为“500”的质量节点，单击按钮在编号为“500”的节点附件继续拾取编号为“136，138，154”和“156”的节点，单击按钮，弹出【Constraints Equation for Rigid Region】对话框。单击按钮，生成结果如图5-38所示。 图5-37 【Elements From Nodes】对话框 图5-38 生成结果8. 模态分析(1) 设置分析类型：执行Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis命令，弹出如图5-39所示的【New Analysis】对话框。选中“Modal”单选按钮，单击按钮。图5-39 【New Analysis】对话框(2) 设置模态分析方法：执行Main Menu>Solution>Analysis Type>Analysis Options命令，弹出如图5-40所示的【Modal Analysis】对话框。选中“Block Lanczos”单选按钮，在【Number of modes to extract】和【No of modes to expand】文本框中均输入10。选择【Calculate elem results】复选框，单击按钮弹出如图5-41所示的【Block Lanczos Analysis】对话框，单击按钮。图5-40 【Modal Analysis】对话框图5-41 【Block Lanczos Analysis】对话框(3) 施加约束条件：执行Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Structural>Displacement> On Nodes命令，弹出拾取框。在有限元模型上拾取节点“232、242、252”和“262”，即4根梁的端部，单击按钮弹出如图5-42所示的【Apply U,ROT on Nodes】对话框。在【DOFS to be constrained】下拉列表框中选中“All DOF”选项，单击按钮。图5-42 【Apply U,ROT on Nodes】对话框(4) 选择所有实体：执行Utility Menu>Select>Everything命令。(5) 计算求解：执行Main Menu>Solution>Solve>Current LS命令，弹出【Solve Current Load Step】对话框和【/STAT Command】提示窗口。确认后执行File>Close命令，单击按钮开始求解计算。弹出【Solution is done】对话框时表示求解完成，单击按钮。(6) 执行Main Menu>Finish退出模态求解程序。9. 谐响应分析(1) 设置分析类型：执行Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis命令，弹出【New Analysis】对话框。选择“Harmonic”选项，单击按钮。(2) 设置谐响应分析：执行Main Menu>Solution>Load Step Opts> Time/Frequenc> Freq and Substeps命令，弹出如图5-43所示的【Harmonic Frequency and Substep Options】对话框。在【Harmonic freq range】文本框中输入“0”和“10”，在【Number of substeps】文本框中输入“10”，单击按钮。图5-43 【Harmonic Frequency and Substep Options】对话框(3) 设置载荷步选项：执行Main Menu>Solution>Load Step Opts>Time/Frequenc> Damping命令，弹出如图5-44所示的【Damping Specifications】对话框。在【Mass matrix multiplier】文本框中输入“5”，单击按钮。(4) 施加X方向载荷：执行Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Structural> Force/Moment>On Nodes命令，弹出一个拾取框。拾取节点“500”，单击按钮弹出如图5-45所示的【Apply F/M On Nodes】对话框。选择【Direction of force/moment】下拉列表框中的“FX”选项，在【Real part of force/moment】文本框中输入“100”，单击按钮。 图5-44 【Damping Specifications】对话框 图5-45 【Apply F/M on Nodes】对话框(5) 施加Z方向载荷：在GUI拾取节点500，单击按钮，弹出【Apply F/M on Nodes】对话框。选中【Direction of force/moment】下拉列表框中的“FZ”选项，在【Real part of force/moment】和【Imag part of force/moment】文本框中分别输入“0”及“100”，单击按钮。(6) 转换视角：执行Utility Menu>PlotCtrls>Pan/Zoom/Rotate命令，弹出【Pan-Zoom-Rotate】工具栏。选中【Dynamic Mode】复选框，按住鼠标右键在屏幕内拖动，图形随之旋转。施加约束和载荷之后的有限元模型如图5-46所示。图5-46 施加约束和载荷之后的有限元模型(7) 求解计算：执行Main Menu>Solution>Solve>Current LS命令，弹出【Solve Current Load Step】对话框和一个状态窗口，确认后执行File>Close命令。单击按钮开始求解计算，有警告窗口继续进行。求解结束时，弹出【Solution is done】对话框，单击按钮。10. POST26查看结果(节点500的位移时间历程结果)ANSYS定义时间历程变量有3种方法，其一应用主菜单POST26处理器下的时间-历程变量对话框定义；其二用主采单POST26处理器下的Define Variables命令定义；其三为命令流方式。下面对前两种分别重点说明，此后的时间历程变量的定义主要采用第二种。· 用时间-历程变量对话框定义变量并显示(1) 定义变量UX_2：执行Mai