毕业设计（论文）-基于ANSYS的固有频率的计算.pdf

本科生毕业设计（论文） i 摘 要 在化工生产中，分馏塔承受筒体内压、自重、风载荷和地震载荷的作用容易 产生载荷振动和诱导振动。 当振动频率接近于塔的自振频率时， 塔就会发生共振、 可能导致设备的破坏。因此，如何减小塔设备受风力作用而产生的诱导振动造成 严重的危害，提高塔设备的抗振能力都是需要在设计时予以考虑的问题。 本论文的题目是“基于 ansys 的柴油分馏塔的固有频率的计算” 。本文以柴 油分馏塔为研究对象，应用 ansys 有限元软件对设备进行了固有频率的计算， 首先采用 shell63 单元建立分馏塔的三维实体模型，然后用自由分网的方法对 其进行网格划分，施加约束和载荷，最后应用模态分析功能求解出柴油分馏塔的 固有频率和振型。然后利用集中质量法假设把均布质量作为一个与之相当的集中 质量放置在塔的顶端，根据动能平衡的原理以及虚梁法可以确定不等截面悬臂梁 式柴油分馏塔自振周期。这一结果表明基于 ansys 的有限元法对柴油分馏塔自 振周期的计算准确性高，计算方便，为工程上其他复杂模型固有频率的计算提供 了方法依据。 关键词：ansys；柴油分馏塔；固有频率；振型 本科生毕业设计（论文） ii abstract in chemical production, fractionation tower were prone to vibration and induced vibration loads beacause of withstanding the body cylinder pressure, dead weight, wind loads and seismic loads. when the vibration frequency close to the tower natural frequency, the tower resonance occurs, which may result in equipment damage. therefore, how to reduce the damage due to wind-induced vibration effect to improve the towers vibration capabilities are required to be considered in the design. the thesis is “ calculations of diesel distillation tower natural frequency on ansys“ , and mainly study for the diesel distillation column. first, i apply shell63 element in finite element software ansys to establish three-dimensional solid model of distillation tower, and then to mesh and impose constraints and loading, modal analysis, and finally solve the diesel distillation tower natural frequencies and mode shapes. then assume the uniform quality as an equivalent concentrated mass placed in the towers top based on lumped mass method, and determine the natural cycle of diesel fractionator according to the principle of kinetic energy balance as well as virtual cantilever beam method. the results show that iesel fuel distillation column calculation of the natural cycle based on the ansys finite element method is of high accuracy, easy to calculate, providind a method of calculating the natural frequency for the other complex models. key words：ansys；diesel fractionator tower；natural frequency of vibration； vibration model 本科生毕业设计（论文） iii 目 录 第 1 章 绪 论 .1 1.1 本课题的研究背景及意义 .1 1.2 ansys 软件主要功能 1 1.3 ansys 软件简介 2 1.3.1 ansys 的使用环境 .2 1.3.2 有限元方法简介 3 1.4 分馏塔的简介.4 1.4.1 分馏塔的特点 4 1.4.2 分馏塔的工作过程 4 1.4.3 分馏塔分析计算的条件.5 第 2 章 分馏塔实体模型的建立 6 2.1 实体造型简介.6 2.2 ansys 的坐标系 6 2.3 建模的原则 8 2.4 建模的步骤 8 2.4.1 环境设置 8 2.4.2 初始化设计变量 9 2.4.3 定义单元类型 9 2.4.4 定义材料属性： 9 2.4.5 定义实常数 11 2.4.6 创建塔的几何模型 11 2.5 命令流分析过程 . 14 第 3 章 有限元模型的建立 17 3.1 基础知识 17 3.1.1 网格类型 17 3.1.2 选择实体 18 3.2 划分网格 19 第 4 章 模态分析 . 22 4.1 模态分析 22 4.2 模态提取法 22 本科生毕业设计（论文） iv 4.3 施加约束 25 4.4 施加载荷 26 4.5 求解 28 4.6 扩展模态 28 4.7 模态分析结果. 29 4.8 后处理 29 4.8.1 将数据结果读入数据库. 30 4.8.2 图像显示结果数据 30 4.8.3 查看求解结果 31 第 5 章 自振周期的理论计算 33 5.1 自振周期的影响及振型 . 33 5.2 自振周期的表达式 . 34 5.2.1 塔体分段 34 5.2.2 不等截面塔设备自振周期计算公式 . 35 5.3 自振周期的计算 . 36 第 6 章 结论 . 39 参考文献 . 40 致 谢 42 附 录：外文翻译 . 43 本科生毕业设计（论文） 1 第1章 绪 论 1.1 本课题的研究背景及意义 露天安置的塔设备在风力作用下，将产生两个方向的振动。一种是由于不恒 定的风力直接作用在塔体上，而产生的与风向相同的顺风向振动；另一种是由于 风力绕过塔的两侧时形成周期性出现相逸散的旋涡而产生的与风力方向垂直的横 风向振动。前一种振动与风速的大小及其变化有关、称为风的载荷振动、是常规 计的主要内容；后一种振动是根据说体力学理论计算的风的诱导振动。 塔设备在风力作用下， 当振动频率接近于塔的自振频率时， 塔就会发生共振、 可能导致设备的破坏。因此，塔设备受风力作用而产生的诱导振动以及如何减小 因振动而产生的危害， 提高塔设备的抗振能力都是需要在设计时予以考虑的问题。 在历史上，由于忽略风对构件的诱导振动而发生过许多意外事故。最典型的事例 是美国塔珂玛大桥因风诱发的振动产生共振后而被摧毁；在委内瑞拉也曾有一个 大贮油罐；因共振而被损伤，至于工业上的烟囱、管道以及换热器的管束因此而 受到破坏或产生噪音的事例也时有所见。在考虑塔的振动时应力要求避免发生共 振。 近年来，随着我国石油、化工、冶金工业的不断发展，作为反应容器的塔设 备的也得到了广泛的应用和迅速的发展。随着塔设备使用量的增加，诱发事故的 可能性也在增加， 因此塔设备的固有频率便成为设计和检验人员特别关注的问题。 本文主要讨论风的诱导振动的产生与分析计算塔的自振周期，并使用有限元分析 软件 ansys 就柴油分馏塔进行模态分析，求出塔的固有频率。以便更好的探讨 塔设备的防振技术。 1.2 ansys 软件主要功能 ansys 软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元软 件，可广泛的用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车 交通、国防军工、电子、土木工程、生物医学、水利、日用家电等一般工业及科 学研究。该软件提供了不断改进的功能清单，具体包括：结构高度非线性分析、 电磁分析、计算流体力学分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分及利用 ansys 参数设计语言扩展宏命令功能。它能与多数 cad 软件接口，实现数据的 本科生毕业设计（论文） 2 共享和交换，如 pro/engineer、nastran、alogor、ideas、autocad 等,是 现代产品设计中的高级 cad 工具之一。 1.3 ansys 软件简介 ansys 软件是由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国 ansys 公司 开发。软件主要包括三个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。前处 理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元 模型：分析计算模块包括结构分析(可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分 析)、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分 析，可模拟多种物理介质的相互作用具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理 模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立 体切片显示、透明及半透明显示(可看到结构内部)等图形方式显示出来，也可将 计算结果以图表、曲线形式显示或输出。以 ansys 为代表的工程数值模拟软件， 是一个多用途的有限元法分析软件， 它从 1971 年的 2.0 版本与今天的 12.0 版本已 有很大的不同，起初它仅提供结构线性分析和热分析，现在可用来求结构、流体、 电力、电磁场及碰撞等问题的解答。它包含了前置处理、解题程序以及后置处理， 将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，已成为现代工程学问题必不可 少的有力工具。 1.3.1 ansys 的使用环境 1.ansys 架构及命令 ansys 构架分为两层，一是起始层（begin level） ，二是处理层（processor level） 。起始状态可用来控制某些全局性的问题，如改工作文件名、清除数据库 内的数据、复制二进制文件等，用户进入 ansys 后即处于起始状态。这两个层 的关系主要是使用命令输入时，要通过起始层进入不同的处理器。处理器可视为 解决问题步骤中的组合命令，它解决问题的基本流程叙述如下： （1） 前置处理（general preprocessor, prep7） 建立有限元模型所需输入的资料如节点、 坐标资料、 元素内节点排列次序。 材料属性。 元素切割的产生。 （2） 求解处理（solution processor, solu） 负载条件。 边界条件及求解。 本科生毕业设计（论文） 3 （3） 后置处理 （general postprocessor, post1 或 time domain postprocessor, post26） 。 post1 用于静态结构分析、 屈曲分析及模态分析， 将解题部分所得的解答如： 变位、应力、反力等资料，通过图形接口以各种不同表示方式把等位移图、等应 力图等显示出来。post26 仅用于动态结构分析，用于与时间相关的时域处理。 图 1-1 处理器间的转化 2.文件管理 ansys 在分析过程中需要读写文件，文件格式为 jobname.ext，其中 jobname 是设定的工作文件名，ext 是由 ansys 定义的扩展名，用于区分文件的用途和类 型，默认的工作文件名是 file。ansys 分析中有一些特殊的文件，其中主要的几 个是数据库文件 jobname.db、记录文件 jobname.log、输出文件 jobname.out、错误 文件 jobname.err、结果文件 jobname.rxx 及图形文件 jobname.grph。 1.3.2 有限元方法简介 1.有限元法的基本构架 目前在工程领域内常用的数值模拟方法有：有限元法、边界元法、离散单元法 和有限差分法，就其广泛性而言，主要还是有限单元法。它的基本思想是将问题 的求解域划分为一系列的单元，单元之间仅靠节点相连。单元内部的待求量可由 单元节点量通过选定的函数关系插值得到。由于单元形状简单，易于平衡关系和 能量关系建立节点量的方程式，然后将各单元方程集组成总体代数方程组，计入 边界条件后可对方程求解。 有限元的基本构成： 节点（node） ：就是考虑工程系统中的一个点的坐标位置，构成有限元系统的 本科生毕业设计（论文） 4 基本对象。具有其物理意义的自由度，该自由度为结构系统受到外力后，系统的 反应。 元素 （element） ： 元素是节点与节点相连而成， 元素的组合由各节点相互连接。 不同特性的工程统，可选用不同种类的元素，ansys提供了一百多种元素，故使 用是必须慎重选则元素型号。 自由度（degree of freedom） ：上面提到节点具有某种程度的自由度，以表示 工程系统受到外力后的反应结果。要知道节点的自由度数，请查看ansys自带的 帮助文档（help/element refrence） ，那里有每种元素类型的详尽介绍。 有限元方法是用于求解工程中各类问题的数值方法。结构强度、刚度分析中 的静力、动力、线性或者非线性问题，热传导中稳态、瞬态或者热应力问题，以 及流体力学和电磁学中的很多问题都可以用有限元方法解决。 2.有限元方法的基本步骤： （1） 将实际求解范围离散化，即将求解域划分成节点和单元。 （2） 选择合适的形函数， 即选择一个用单元节点解描述整个单元解的连续函数。 （3） 对每个单元建立单元刚度矩阵。 （4） 按照一定节点编码顺序，将各个单元刚度矩阵叠加以构造结构整体刚度矩 阵。 （5） 写出以节点自由度（dof）为未知量的结构整体刚度方程，并将边界条件、 初始条件应用到方程中。 （6） 求解方程组，以得到节点上的自由度值。 1.4 分馏塔的简介 1.4.1 分馏塔的特点 （1）该分馏塔结构复杂，体积庞大，塔高，有变径段，最大内径为，并且塔 上开有人孔和各种物料进出孔。 （2）承受载荷复杂。该分馏塔共承受筒体内压、自重、风载荷和地震载荷的 作用，载荷作用的形式比较复杂。分馏塔的结构简图如图所示。塔上开有人孔和 各种物料进出孔。空气以高速气流从底部吹入混合液（柴油、轻烃）中，与混合 液发生反应。反应后的气体在上面的出口排出，物料在底部的了料口排出。由于 设计温度与环境相差很大，为达到更好的保温效果，分馏塔整体高有保温层。 1.4.2 分馏塔的工作过程 在炼油生产中，无论是精馏还是吸收、解吸或萃取，其目的都是为了使混合 本科生毕业设计（论文） 5 液中不同馏程的组分得以分离。故这些过程都称为分馏过程，所以在炼油厂中使 用最多的也就是各种分馏塔，其结构形式以板式塔居多。 原油是由许多分子量不同的碳氢化合物组成的混合物，各组分沸点不同，可 用精馏的方法将其分为若干馏分，如汽油、煤油、柴油等。先将原油加热至 350 左右，送入常压塔中，使汽、煤、柴都蒸发出来成为油气，余下的液体主要是重 质油。高温油气混合物上升经过一层层塔盘，在每层塔盘上和上层塔盘上流下来 的较低的液体相接触，油气被冷却稍降一些，其中较重的组分就会被冷凝成液货 体从油气中分离出来，同时塔盘上的液体被加热稍增高一些。其中较轻的组分就 会蒸发成气体从液体中分离出去。这样每经过一层塔盘油气中的较重组分减少一 些，较轻组分增加一些，而液体中较重组分增加一些，较轻组分减少一些，油气 不断上升，每经一层塔盘都有这样的变化。于是油气越往上其轻组分越多，重组 分越少，直至塔顶。油气的成分就是汽油组分，出塔后冷凝冷却便可得汽油，液 体不断下流，每经一层，塔盘也都会有相反的变化，于是液体越往下其重组分越 多，轻组分越少，液体来自塔顶回流，即将冷凝下来的汽油抽出一部分再打回塔 顶的塔盘上，其不断下流，不断变重，到某一层塔盘时成为煤油组分，一部分抽 出来经冷却得到煤油产品，其余的继续下流到某一层塔盘上时成为柴油组分，一 部分抽出经冷却后得到柴油产品，剩余的继续下流至塔底流出称为常压渣油。 1.4.3 分馏塔分析计算的条件 （1） 文中的分馏塔主体部分结构和尺寸大致如下： 裙座：内径为 2.2m，高度为 3.5m，厚度为 0.01m,材料为 20r。 封头：均为标准椭圆形封头，下封头内径为 2.2m,上封头 同径为 1m, 厚度为 0.01m,材料为 20r。 筒体：下筒体内径为 2.2m、高度为 23.02m，上筒体内径 为 1m、高度为 4m，变径段高度为 0.6m, 厚度为 0.01m,材料为 20r。 （2）分馏塔的设计条件 该分馏塔的设计温度为 100， 设计压力为 1.6mpa,操作介质 是气油、柴油，设备使用当地的基本风压为 400 mpa,地震裂度 为 7 度。 本科生毕业设计（论文） 6 第2章 分馏塔实体模型的建立 2.1 实体造型简介 1建立实体模型的两种途径 利用 ansys 自带的实体建模功能创建实体建模。 利用 ansys 与其他软件接口导入其他二维或三维软件所建立的实体模型。 2实体建模的三种方式 (1)自底向上的实体建模 由建立最低图元对象的点到最高图元对象的体，即先定义实体各顶点的关键 点，再通过关键点连成线，然后由线组合成面，最后由面组合成体。 (2)自顶向下的实体建模 直接建立最高图元对象，其对应的较低图元面、线和关键点同时被创建。 (3)混合法自底向上和自顶向下的实体建模 可根据个人习惯采用混合法建模，但应该考虑要获得什么样的有限元模型， 即在网格划分时采用自由网格划分或映射网格划分。自由网格划分时，实体模型 的建立比较简单，只要所有的面或体能接合成一体就可以：映射网格划分时，平 面结构一定要四边形或三边形的面相接而成。 2.2 ansys 的坐标系 ansys 为用户提供了以下几种坐标系，每种都有其特定的用途。 全局坐标系与局部坐标系：用于定位几何对象(如节点、关键点等)的空间位。 显示坐标系：定义了列出或显示几何对象的系统。 节点坐标系：定义每个节点的自由度方向和节点结果数据的方向。 单元坐标系：确定材料特性主轴和单元结果数据的方向。 1全局坐标系 全局坐标系和局部坐标系是用来定位几何体。在默认状态下，建模操作时使 用的坐标系是全局坐标系即笛卡尔坐标系。总体坐标系是一个绝对的参考系。 ansys 提供了 4 种全局坐标系：笛卡尔坐标系、柱坐标系、球坐标系、y 柱坐标系。4 种全局坐标系有相同的原点，且遵循右手定则，它们的坐标系识别 号分别为：0 是笛卡尔坐标系(cartesian)，1 是柱坐标系(cyliadrical)，2 是球坐标 本科生毕业设计（论文） 7 系(spherical)，5 是 y-柱坐标系(y-aylindrical)，如图 2-1 所示。 (cs,0) cattesian (cs,1) cylindrical (cs,2) spherical (cs,5) cylindrical 图 2-1 ansys 的全局坐标系 ansys 引用坐标系 x 轴、 y 轴、 z 轴代表不同的意义， 笛卡尔坐标系的 x 轴、 y 轴、z 轴分别代表其原始意义；柱坐标系的 x 轴、y 轴、z 轴分别代表径向 r、 轴向 o 和轴向 z；球坐标系的 x 轴、y 轴、z 轴分别代表 r、o、p。 2局部坐标系 局部坐标系是用户为了方便建模及分析的需要自定义的坐标系， 可以和全局坐 标系有不同的原点、角度、方向。 (1)建立局部坐标系 1)通过当前激活的工作平面的原点为中心来建立局部坐标系。 command 方式： cswpla，kcn，kcs，parl，par2 akcn：坐标系编号。kcn 是大于 10 的任何一个编号。 bkcs：局部坐标系的属性。kcs=0 时为笛卡尔式坐标系；kcs=1 时为柱 坐标系；kcs=2 时为球坐标系；kcs=3 时为环坐标系；kcs=4 时为工作平面坐 标系；kcs=5 时为柱坐标系。 cpar1：应用于椭圆、球或螺旋坐标系。当 kcs=1 或 2 时，par1 是椭圆 长短半径(y/x)的比值，默认为 1(圆)：当 kcs=3 时，par1 是环形的主半径。 dpar2：应用于球坐标系，当 kcs=2 时，par2 是椭球 z 轴半径与 x 轴半 径的比值，默认为 1(圆)。 gui 方式： worrplanelocal coordinate systemscreate local csat wp origin 2)通过已定义的关键点来建立局部坐标系 command 方式： 本科生毕业设计（论文） 8 cskp,kcn，kcs，porlg，pxaxs，pxypl，parl，par2 akcn：坐标系编号。kcn 是大于 10 的任何一个编号。 bkcs：局部坐标系的属性。kcs=0 时为笛卡尔式坐标系；kcs=1 时为柱 坐标系；kcs=2 时为球坐标系；kcs=3 时为环坐标系；kcs=4 时为工作平面坐 标系；kcs=5 时为柱坐标系。 cporlg：以该关键点为新建坐标系原点，若该值为 p，则可进行 gui 选取 关键点操作。 dpxaxs：定义 x 轴的方向，原点指向该点方向为 x 轴正向。 epxypl：定义 y 轴的方向，若该点在 x 轴的右侧，则 y 轴在 x 轴的右侧， 反之在左侧。 2.3 建模的原则 本课题利用 ansys 分析软件建立柴油分馏塔的实体模型,包括裙座部分,采 用 1：1 的比例,能够更加真实的模拟设备的结构及工作状态。建模过程中,由于一 些局部的小孔对整体的影响不大,故忽略不计,只建立裙座、 上下筒体、 及封头的立 体模型。文中采用由点连线,由线建面,再由面旋转得到体的自下而上的建模方式。 由于塔壁厚度远远小于塔的内径,可将问题适当简化。shell63 单元具有弯 曲能力和膜力,既能承受平面载荷,也能承受法向载荷,在每个节点处有 6 个自由度, 单元也可有任何的空间定位。shell63 单元具有刚度、挠度和应力强化等能力在 建立有限元模型时,塔采用四节点的 shell63 单元,这样模型在满足精度要求的情 况下将得到简化。 在建模时先建立塔的关键点,连接关键点得到塔壁线,再通过旋转生成塔的几 何模型,然后指定线的划分份数,将塔的几何模型转化为有限元模型； 生成分馏塔的 模型是通过先生成面单元,然后将面单元延伸成体单元。 在有限元计算时,将基础视为刚体,将与基础相连的裙支座单元的 x、y、z 三个 自由度全部约束。 2.4 建模的步骤 2.4.1 环境设置 1. 启动 ansys： 以交互模式进入 ansys。 设定工作路径 f： ansys_bishe, 工作文件名取为 ta 进入 ansys 界面。 2 .设置标题：执行 utility menuchange title 命令,弹出 change title 对话框, 输入 tower,单击 ok 按钮,关闭对话框。 本科生毕业设计（论文） 9 2.4.2 初始化设计变量 执行 utility menuparametersscalar parameters 命令,弹出 scalar parameters 对话框,输入如表 2.1 所列的参数。 表 2.1 参数表 参数 参数意义 参数 参数意义 r1=1.1m 下筒体半径 t=0.01m 壁厚 r2=0.5m 上筒体半径 zhuih=0.6m 锥段高度 qunh=3.5m 裙座高度 omega=1.5m 风激励角速度 lowh=23.02m 下筒体高度 feng1h=0.55m 下封头的长半径 uph=4m 上筒体高度 feng2h=0.25m 上封头的长半径 2.4.3 定义单元类型 执行 main menupreprocessorelement typeadd/edit/delete 命令,弹出 eelement type 对话框； 单击 add 按钮,添加单元,弹出 library of element type 对话 框。在左侧列表中选择 structural shell 项,在右侧列表中选择 elastic 4node 63 项, 如图 2-2 所示。单击 ok 按钮,退至 element type 对话框。 图 2-2 单元类型设置对话框 2.4.4 定义材料属性： 1. 执行 main menupreprocessormaterial props material models 命令,弹出 define material model behavior 对话框；如图 2-3 所示,在右边的可选材料模型 material models available 框中选择 structurallinearelasticisotropic。 本科生毕业设计（论文） 10 图 2-3 定义材料属性对话框 2. 双击 isotropic 标识,弹出 linear isotropic properties for material number1 对 话框,在 ex 文本框中输入 2e11,prxy 文本框中输入 0.28,单击 ok 按钮确定,关闭 该对话框。如图 2-4 所示。 图 2-4 定义材料的弹性模量和泊松比 3. 双击 density 标识,弹出 density fot material number1 对话框,在 dens 文本 框中输入 7.85e3,单击 ok 按钮确定,关闭该对话框。如图 2-5 所示 本科生毕业设计（论文） 11 图 2-5 定义材料密度 2.4.5 定义实常数 执行 main menupreprocessorreal constantsadd/edit/delete 命令,弹出 real constants 对话框,单击 add 按钮,选择 type1,单击 ok 按钮,弹出 real constants set number 1,for shell63 对话框,如图 2-6 所示,在 tk（i）位置输入 tk（i）= t 图 2-6 定义实常数 2.4.6 创建塔的几何模型 1. 打 开 关 键 点 、 线 以 及 面 号 码 显 示 开 关 ： 执 行utility 本科生毕业设计（论文） 12 menuplotctrlsnumbering 命令,打开 plot numbering controls 对话框,激活 kp、line、area 后面的显示开关为 on 状态,单击 ok 按钮确定,如图 2-7 所 示。 图 2-7 plot numbering controls 对话框 2. 生 成 塔 壁 关 键 点 ： 执 行 main menupreprocessormodelingcreate keypointsin active cs 命令,设定 npt 为 1,x,y,z 为“r1,0,0,单击 apply 按钮； 单击 ok 按钮完成。 图 2-8 定义关键点对话框 本科生毕业设计（论文） 13 3.同理,创建如表 2-2 所示的关键点 表 3.2 关键点参数表 关键点 x 坐标 y 坐标 z 坐标 关键点 x 坐标 y 坐标 z 坐标 1 1.1 0 0 7 0 31.12 0 2 1.1 3.5 0 8 -0.5 31.12 0 3 1.1 26.52 0 9 0 3.5 0 4 0.5 27.12 0 10 -1.1 3.5 0 5 0.5 31.12 0 11 0 2.95 0 6 0 31.37 0 12 0 0 0 4. 生 成塔 壁 线： 执 行 main menupreprocessormodelingcreatelines linesin active coord 命令,弹出关键点选取框,选取 1、 2 号关键点,单击 apply 按钮, 生成直线 1；同理,分别选取关键点 2 和 3,3 和 4,4 和 5 分别生成直线 2、3、4 单击 ok 按钮完成。 5.生成塔顶线：执行 utility menuwordplanechange active cs toglobal cylindrical 后,再执行 utility menuwordplanedisplay working plane 命令,激活以 y 轴 为 旋 转 轴 的 柱 坐 标 系 , 再 执 行 main menupreprocessormodeling createlinessplinessplines thru kps 命令,选取关键点 2 和 9,单击 apply 按钮,单 击 ok 按钮确定,如图 2-9 所示。 图 2-9 分馏塔的平面模型 本科生毕业设计（论文） 14 6. 旋 转 生 成 分 馏 塔 实 体 模 型 ： 执 行 main menupreprocessor modelingoperateextrudelinesabout axis 命令,弹出选取框,输入需要旋转 的线“1,2,3,4”,单击 apply 按钮,弹出对话框,输入旋转轴关键点“12,6”,单击 ok 按钮,弹出 sweep lines about axis 对话框,单击 ok 按钮。 同理,将 4 号线绕 12 和 6 号关键点旋转。生成的同何模型如图 2-10 所示。 图 2-10 分馏塔的三维模型 2.5 命令流分析过程 /filnam,ta !定义文件名 /title,tower !定义分析的标题 finish !*环境设置* *set,r1,1.1 !下筒体半径 *set,r2,0.5 !上筒体半径 *set,qunh,3.5 !裙座高度 *set, lowh,23.02 !下筒体高度 *set, uph,4 !上筒体高度 *set,t,0.01 !壁厚 *set,zhuih,0.6 !锥节高度 本科生毕业设计（论文） 15 *set,omega,1.5 !风激励角速度 *set,feng1h,0.55 !下封头的长半径 *set,feng2h,0.25 !上封头的长半径 !*前处理* /prep7 !* 定义单元类型、材料常数* et,1,shell63 ! 定义单元类型 mp,ex,1,2e11 ! 设置弹性模量 mp,prxy,1,0.28 !设置泊松比 mp,dens,1,7.85e3 ! 设置密度 r,1,t,t,t,t !设置材料实常数 !*实体建模* /pnum,kp,1 /pnum,line,1 /pnum,area,1 !*建立塔的关键点* k,1,r1,0,0 k,2, r1, qunh,0 k,3, r1, qunh +lowh,0 k,4, r2, qunh +lowh+ zhuih ,0 k,5, r2, qunh +lowh+ zhuih+ uph ,0 k,6,0, qunh +lowh+ zhuih+ uph+r2/4+t,0 k,7,0, qunh +lowh+zhuih+ uph,0 k,8,- r2, qunh +lowh+ zhuih+ uph,0 k,9,0, qunh,0 k,10,- r1,qunh,0 k,11,0,qunh-r1/4,0 k,12,0,0,0 !*建立塔的线* l,1,2 l,2,3 l,3,4 l,4,5 l,6,12 本科生毕业设计（论文） 16 l,12,1 k,12,0,0,0 l,1,2 l,2,3 l,3,4 l,4,5 l,6,12 l,12,1 kwpave，7 !平移工作面到点 7 cswpla,11,1,0.5,1 !建立 11 号局部椭圆坐标系 l,5,6 csys，0 !回至笛卡尔坐标系 kwpave，9 !平移工作面到点 9 cswpla,12,1,0.5,1 !建立 12 号局部椭圆坐标系 l,2,11 csys,0 !回至笛卡尔坐标系 kwpave，12 !平移工作面到点 12 !*旋转生成塔体* arotat,1,2,3,4, ,6,12, arotat,7, , , , ,6,12, arotat,8, , , , ,6,12, 本科生毕业设计（论文） 17 第3章 有限元模型的建立 3.1 基础知识 几何实体模型并不参与有限元分析， 所有施加在有限元边界上的载荷或约束， 必须最终传递到有限元模型上(节点和单元)进行求解。因此，在完成实体建模之 后，要进行有限元分析，需对模型进行网格划分将实体模型转化为能够直接 计算的网格，生成节点和单元。 3.1.1 网格类型 总的来说，ansys 的网格划分有两种： 自由网格划分(free meshing)和映射 网格划分(mapped meshing)，如图 3-1 所示。 自由网格划分主要用于划分边界形状不规则的区域，它所生成的网格相互之 间是呈不规则排列的。对于复杂形状的边界常常选择自由网格划分。自由网格对 于单元形状没有限制，也没有特别的应用模式。缺点是分析精度往往不够高。 与自由网格划分相比较，映射网格划分对于单元形状有限制，并要符合一定 的网格模式。映射面网格只包含四边形或三角形单元，映射体网格只包含六面体 单元。映射网格的特点是具有规则的形状，肆元明显地成行排列。 (a)自由网格 (b)映射网格 图 3-1 自由网格和映射网格 一般来说映射网格往往比自由网格划分得到的结果要更加精确，而且在求解 时对 cpl 和内存的需求也相对要低些。如果用户希望用映射网格划分模型，创建 模型的几何结构必须由一系列规则的体或面组成， 这样才能应用于映射网格划分。 本科生毕业设计（论文） 18 因此，如果确定选择映射网格，需要从建立几何模型开始就对模型进行比较详尽 的规划，以使生成的模型满足生成映射网格的规则要求。ansys 支持的单元形状 与网格类型见表 3.1。 表 3.1 ansys 支持的单元形状与网格 单元形状 是否可以自由划分 是否可以映射划分 自由划分映射划分都行 三角形 是 是 是 四边形 是 是 是 四面体 是 否 否 六面体 否 是 否 3.1.2 选择实体 1实体类型 运行选择实体的操作命令 gui：utility menuselectentities，弹出实体选择 对话框。实体类型包括 nodes、elements、volumes、areas、lines、keypoints。 2选择准则 选择准则与实体类型有关， 不同的实体对应不同的选择准则。 节点选择准则： bynum/pick 项，通过实体号或通过拾取操作进行选择。 attached to 项，通过实体的隶属关系进行选择。 by locafion 项，根据 x，y，z 坐标位置选择。 by attributes 项，根据材料号、实常数号等进行选择。 exterior 项，选择模型外边界的实体。 by results 项，根据结果数据选择。 3选择方式 选择实体的方式有七种。各项的含义为： from full 项，从整个实体集中选择一个子集，阴影部分表示活动子集。 reselect 项，从选中的子集中再选择一个子集，逐步缩小子集的选择范围。 also select 项，在当前子集中添加另外一个不同的子集。 unselect 项，从当前子集中去掉一部分，与 reselect 的选择刚好相反。 select all 项，恢复选择整个全集。 select none 项，选择空集。 invert 项，选择当前子集的补集。 本科生毕业设计（论文） 19 3.2 划分网格 1.为划分塔的几何模型,使之成为能用于计算的有限元模型,先选定各条线然 后设定各线的划分份数： 执行 utility menuselectentities 命令,弹出 select entities 对话框,依次设定选择模式为：lines、by location、y coordinates、from full,在 min,max 处输入 0,单击 apply 按钮,如图 3-2 所示。同理,将 from full 改变为 also select,在 min,max 处填 qunh, 单击 apply 按钮,得到选取的第二条线；再分别在 min,max 处填 qunh、qunh+lowh、qunh+lowh+uph,每次输入后均需要单击 apply 按钮。选择完线之后单击 ok 按钮完成。 图 3-2 选择线对话框 2. 设 定 上 步 选 择 的 线 的 划 分 份 数 ： 执 行 main menupreprocessor meshingsizecntrlsmanualsizelinesall lines 命令,弹出设置线的划分份数对 话框 element sizes on all selected lines,在 ndiv 中填入 12,单击 ok 按钮。 3 .激活以 y 轴为旋转轴的柱坐标系：执行 utility menuworkplanechange active cs toglobal cylindrical y 命令。 4. 参照建立塔的有限元模型的步骤 1,以坐标选取直线：执行 utility menuselectentities 命令,在弹出的对话框中设定选择模式 lines、by location、 x coordinates、from full, 在 min,max 处填入“qunh +0.001, qunhh+lowh 本科生毕业设计（论文） 20 +zhuih+uph +0.001,单击 apply 按钮,得到选取的第二条线；在 min,max 处填入 qunhh+lowh +0.001, qunhh+lowh +zhuih+uph +0.001,将 also select 改为 unselect, 单击 ok 按钮完成。 5. 设定 step 4 选择的线的划分份数：重复执行 step 2,设定 ndiv 为 12。 6. 选择线用于划分网格：执行 utility menuselectentities 命令,设定选择模 式 lines、 by location、 x coordinates、 from full, 在 min,max 处填入 “qunhh+lowh +0.001, qunhh+lowh +zhuih+uph+0.001,单击 ok 按钮完成。 7. 设定 step 6 选择的线的划分份数：重复执行 step 2,设定 ndiv 为 12。 8. 选择线用于划分网格：执行 utility menuselectentities 命令,设定选择模 式 lines、 by location、 x coordinates、 from full, 在 min,max 处填入 “qunhh+lowh +0.001, qunhh+lowh +zhuih+uph +0.001,单击 ok 按钮完成 9.设定 step 6 选择的线的划分份数：重复执行 step 2,设定 ndiv 为 12。 图 3-3 设置分网尺寸 10. 全选择：执行 utility menuselecteverything 命令,选中所有的元素。 11. 选择要划分的面：执行 utility menuselectentities 命令,弹出 select entities 对话框中设定选择模式 lines、by location、x coordinates、from full, 在 min,max 处填入“qunhh+lowh +0.001, qunhh+lowh +zhuih+uph +0.001,单 击 ok 按钮完成。 12. 指 定 将 要 划 分 单 元 的 属 性 ： 执 行 main menupreprocessor meshingmesh attributesdefault attribs 命令,real 指定为 1,默认情况下 type 为 1 shell63,mat 为 1。 13. 指定网格划分方式：执行 main menupreprocessor meshingmesh opts 命令,在 mshkey 对应的 map 前打勾,单击 ok 按钮,弹出选择单元形状 对话框,2d 选择 quad,3d 选择 hex,单击 ok 按钮完成。 本科生毕业设计（论文） 21 14. 划分网格：执行 main menupreprocessormeshingmeshareas确 mapped3 or 4 sided命令,弹出元素选取对话框,单击pick all按钮,完成网格划 分。结果如图 3-4 所示。 图 3-4 分网后的塔模型 本科生毕业设计（论文） 22 第4章 模态分析 4.1 模态分析 模态分析是用来确定结构振动特性的一种技术，通过它可以确定结构的自振 频率(也叫固有频率)和振型，自振频率和振型是结构的重要动力参数。进行模态 分析可以使结构设计避免共振或以特定频率进行振动，使工程师认识到结构对于 不同类型的动力载荷是如何响应的， 有助于在其他动力分析中估算求解控制参数。 模态分析也是进一步进行结构动力分析的基础。其他的结构动力学分析，例如瞬 态动力学分析、模态叠加法谐响应分析和谐分析都涉及到模态分析。由于结构的 振动特性决定于结构对于动力载荷的响应情况，所以在准备进行其他动力分析之 前，首先要进行模态分析。 模态分析可定义为对结构动态特性的解析分析和实验分析，其结构动态特性 用模态参数来表示。它是用于机械系统、土建结构等工程系统进行动力学分析的 现代化方法和手段，随着模态分析专题研究范围的不断扩展，从系统识别到结构