《有限元基础教程》_【ANSYS算例】7.2(1)及7.2(2) 汽车悬挂系统的振动模态分析(GUI)及命令流.doc

【ANSYS算例】7.2(1) 汽车悬挂系统的振动模态分析(GUI)一个简单的汽车系统如图7-2所示，若将其处理成平面系统，可以由车身(梁)、承重。前后支撑组成0汽车悬架振动系统可以简化成由以下两个主要运动组成：运动体系在垂直方向的线性运动以及车身质量块的旋转运动，对该系统进行模态分析。模型中的各项参数如表7-1所示，为与文献结果进行比较，这里采用了英制单位。表7-1 汽车悬架振动模型的参数 材料参数几何参数弹性模量E = 4 109 psf加速度g = 32.2 ft/sc2质心的前距离= 4.5 ft车身重量W= 3 220 lb车身质量m = W/g = 100 lb.sc2/ft质心的后距离= 5.5ft前悬架支撑弹簧系数k1 = 2 400 lb/ft后悬架支撑弹簧系数k2 = 2 600 lb/ft质量分布的回转半径r=4ft解答 计算模型如图7-2(b)所示。 (a) 问题描述 (b)有限元分析模型 图7-2汽车悬架振动系统模型这里将车身简化为梁，仅起到连接作用，这里设定不考虑梁的质量对振动性能的影响，因此需将密度设定为零即可，但在建模时需要输入梁的各种参数(包括材料以及几何参数)。实际上，可以将车身梁的弹性效果通过质量块的垂直运动及旋转运动来等效，质量块的转动惯性矩为，r取为4ft，经计算为。可以看出所采用的平面简化模型仅有两个自由度(梁单元由于取密度为零，将仅起连接作用)。采用2D的计算模型，使用梁单元2-D Elastic Beam Elements (BEAM3)来等效车身，使用弹簧单元Spring-Damper Elements (COMBIN14)来等效车体的前后悬架支撑，使用质量块单元Structural Mass Element (MASS21)来等效车身质量。建模的要点：首先定义分析类型并选取3种单元，输入实常数；建立对应几何模型，并赋予各单元类型对应各参数值；在后处理中，用命令来提取其计算分析结果(频率)。通过命令来提取模态的频率值。最后将计算结果与参考文献所给出的解析结果进行比较，见表7-2。表7-2 ANSYS简化模型与文献的简化模型解析结果的比较模态频率及单位Reference 7.2(1)的结果ANSYS结果两种结果之比f1 Hz1.098 11.098 11.000f2 Hz1.440 61.440 61.000Reference7.2(1)：Thomson W T. Vibration Theory and Applications.2nd Printing. NJ: Prentice-Hall, Inc., 1965, 181给出的基于图形界面的交互式操作(step by step)过程如下。(1) 进入ANSYS（设定工作目录和工作文件）程序 ANSYS ANSYS Interactive Working directory（设置工作目录） Initial jobname: Vehicle（设置工作文件名）：Run OK(2) 设置计算类型ANSYS Main Menu：Preferences Structural OK(3)定义单元类型ANSYS Main Menu：Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete. Add Beam: 2d elastic 3 Apply（返回到Library of Element窗口） Combination: Spring-damper 14 Apply（返回到Library of Element窗口）Structural Mass: 3D mass 21OK（返回到Element Types窗口）选择Type 2 COMBIN14 单击OptionsK3 设定为2-D longitudinalOK（返回到Element Types窗口）选择Type 3 MASS21 单击OptionsK3 设定为2-D w rot inert OK Close(4) 定义实常数ANSYS Main Menu: Preprocessor Real ConstantsAdd/Edit/Delete. Add 选择 Type 2 COMBIN14 OK Real Constants Set No. : 1（第1号实常数）, K:2400(前悬架支撑的弹簧系数k1 = 2400) Ok(返回Real constants窗口) Add 选择 Type 1 BEAM3 OK Real Constants Set No. : 2（第2号实常数） AREA:10, IZZ:10, HEIGHT:10(梁单元参数，可以为任意值) OK Add 选择 Type 3 MASS21 OK Real Constants Set No. : 3（第3号实常数）, MASS:100，IZZ:1600(质点的实常数) OK Add选择 Type 1 BEAM3 OK Real Constants Set No. : 4（第4号实常数） AREA:10, IZZ:10, HEIGHT:10(梁单元参数，可以为任意值) OK Add 选择 Type 2 COMBIN14 OK Real Constants Set No. : 5（第5号实常数）, K:2600(后悬架支撑的弹簧系数k2 = 2600) Close (关闭 Real Constants 窗口)(5) 定义材料参数ANSYS Main Menu: Preprocessor Material Props Material Models Structural Elastic Linear Isotropic input EX: 4E9, PRXY:0.3(定义泊松比及弹性模量) OK，Density (定义材料密度) DENS:0, OK 关闭材料定义窗口(6) 构造车体模型 生成节点ANSYS Main Menu：Preprocessor Modeling Create Nodes In Active CS Node number：1，X，Y，Z Location in active CS：0，0，0 Apply 同样输入其余4个节点坐标（最左端为起始点，坐标分别为（0，1，0）、（4.5，1，0）、（10，1，0）、（10，0，0）OK 生成元素并分配材料类型、实常数ANSYS Main Menu: Preprocessor Modeling Create Elements Elem Attributes Type 2 COMBIN14 OKANSYS Main Menu: Preprocessor Modeling Create Elements Auto Numbered Thru Nodes 点击1，2号节点，生成第1个单元 OKANSYS Main Menu: Preprocessor Modeling Create Elements Elem Attributes MAT,1， TYPE,1 Beam3，REAL,2 OKANSYS Main Menu: Preprocessor Modeling Create Elements Auto Numbered Thru Nodes 点击2，3号节点，生成第2个单元ANSYS Main Menu: Preprocessor Modeling Create Elements Elem Attributes Type 3 MASS21 REAL,3 OKANSYS Main Menu: Preprocessor Modeling Create Elements Auto Numbered Thru Nodes 点击3号节点，生成第3个单元ANSYS Main Menu: Preprocessor Modeling Create Elements Elem Attributes Type 1 BEAM3 REAL,4 OKANSYS Main Menu: Preprocessor Modeling Create Elements Auto Numbered Thru Nodes 点击3，4号节点，生成第4个单元ANSYS Main Menu: Preprocessor Modeling Create Elements Elem Attributes Type 2 COMBIN14 REAL,5 OKANSYS Main Menu: Preprocessor Modeling Create Elements Auto Numbered Thru Nodes 点击4，5号节点，生成第5个单元(7) 模型加约束ANSYS Main Menu: Solution Define Loads Apply -Structural DisplacementOn Nodes 选取1，5号节点 OK 选择 Lab2: UX，UY(施加X、Y方向的位移约束) Apply 选取3号节点OK选择 Lab2: UX (施加X方向的位移约束) OK(8) 计算分析ANSYS Main Menu: Solution Analysis Type New Analysis ModalOKANSYS Main Menu: Solution Analysis Options MODOPT Block Lanczos, No. of modes to extract: 5 Expand mode shapes: Yes, Number of modes to expand:0 OK 弹出 Block Lanczos Method 窗口中：Start Freq：0.001 ， End Freq：100 OKANSYS Main Menu：Solution Solve Current LS OK(9) 计算结果ANSYS Main Menu：General Postproc List Results Detailed summary（读取模态频率）(10) 退出系统ANSYS Utility Menu：File Exit Save Everything OK【ANSYS算例】7.2(2) 汽车悬挂系统的振动模态分析(命令流)针对【ANSYS算例】7.2(1)的GUI操作，提供完整的命令流。解答：给出的命令流如下。!% ANSYS算例7.2(2) % begin %/PREP7 !进入前处理ANTYPE,MODAL !设定为模态分析MP,EX,1,4E9 !定义1号材料的弹性模量 MP,DENS,1,0 !定义1号材料的密度，设置为零，则材料对振动不起作用 MP,PRXY,1,0.3 !设定1号材料的泊松比ET,1,BEAM3 ! 选取单元类型1(梁)ET,2,COMBIN14,2 ! 选取单元类型2(弹簧)ET,3,MASS21,3 ! 选取单元类型3(质量块), 设置KEYOPT(3)=3R,1,2400 ! 设定实常数No.1，前悬架支撑的弹簧系数k1 = 2400R,2,10,10,10 ! 设定实常数No.2，梁单元所需要的参数(这里可以设定为一个任意值)R,3,100,1600 ! 设定实常数No.3，MASS=100, IZZ=1600，当KEYOPT(3)=3时R,4,10,10,10 ! 设定实常数No.4，梁参数(任意)R,5,2600 ! 设定实常数No.5，后悬架支撑的弹簧系数k2= 2600N,1 ! 生成节点1N,2,1 ! 生成节点2N,3,4.5,1 ! 生成节点3N,4,10,1 ! 生成节点4N,5,10 ! 生成节点5TYPE,2 ! 设定弹簧单元 E,1,2 ! 生成前悬架支撑(弹簧单元)MAT,1 ! 设定为材料No.1TYPE,1 ! 设定单元No.1，即梁单元 REAL,2 ! 设定实常数No.2E,2,3 ! 生成前车体(梁单元)TYPE,3 ! 设定质量块单元 REAL,3 ! 设定实常数No.3E,3 ! 生成质量块单元TYPE,1 ! 设定梁单元REAL,4 ! 设定实常数No.4E,3,4 ! 生成后车体(梁单元)TYPE,2 ! 设定弹簧单元 REAL,5 ! 设定实常数No.5E,4,5 ! 生成后悬架支撑(弹簧单元)D,1,UX,5,4,UY ! 对节点1以