实验四-五：结构静力分析与ANSYS模态分析.doc

注：3月20号，周二课程内容主要是完成下面实验四特别注意：本周六没课，本五周23号，8:00-12:00有课-实验四 MEMS薄膜压力传感器静力学分析一、实验目的1、掌握静力学分析2、验证理论分析结果3、对不同形状膜的分析结果进行对比二、实验器材能够安装ANSYS软件，内存在512MHz以上，硬盘有5G空间的计算机三、实验说明（一）基本思路1、建模与网格化2、静力学分析3、对结果进行分析和比较（二）问题描述：由于许多压力传感器的工作原理是将受压力作用而变形的薄膜硅片中的应变转换成所需形式的电输出信号，所以我们要研究比较一下用什么样形状的膜来作为压力传感器的受力面比较好。我们比较的膜形状有三种，分别是圆形. 正方形. 长方形。在比较的过程中，三种形状膜的面积.，厚度和承受的压力是都是相等的。设置参数具体为：F=0.1MPa, EX=1.9e11,PRXY=0.3,DENS=2.33e3.单元尺寸为5e-006。 为了选择合适的网格化类型，首先我们拿圆的结构进行一下比较，最后选择比较接近理论计算的网格化类型，通过比较，我们知道映射网格化类型比较优越，所以后面的两种类型膜结构选择了映射网格化。四、实验内容和步骤 圆形薄膜11. 先建立一个圆形薄膜： Main MenuPreprocessormodelingCreatevolumessolid cylinder.弹出以个对话框如图，输入数据如图4-1，单击OK.图4-12.设置单元类型：Main MenuPreprocessorelement typeadd/edit/delete,弹出一个对话框，点击add,显示 library of element type对话框如图：在library of element type下拉列表框中选择structural solide 项，在其右侧下拉表框中选择 brick 8node 45选项，单击OK. 在点击close.如图4-2.图4-23.设置材料属性：Main MenuPreprocessormaterial props material models,弹出一个对话框，在material models avaiable下面的对话框中双击打开structurallinearelasticisotropic，又弹出linear isotropic properties for material Number 1对话框，在EX后面输入1.9E11，在PRXY后面输入栏中输入0.3，在双击density,在DENS后面输入2.33e3,单击OK。然后单击materialexit,完成材料属性的设置。如图4-3.图4-34.设置单元尺寸：Main MenuPreprocessormeshingmeshtool,弹出一个对话框，单击Global中的SET按钮，弹出Global element sizes 对话框，输入size=5e-006,然后单击OK。如图4-4.图4-45.采用自由式网格化生成单元：Main MenuPreprocessormeshingmeshtool弹出一个对话框，选择Shape后面的Tet,Free,.然后单击Mesh.在拾取图形，在单击OK。如图4-5.图4-56.施加约束：Main Menusolutiondefine loadsapplystructuraldisplacementon areas.拾取圆的周围面，如图：然后单击OK. 又出来一个对话框，选择ALL DOF.单击OK。如图4-6.图4-67.施加载荷：Main Menusolutiondefine loadsapplystructuralpressureon Areas.出现拾取框，拾取图形上垂直与Z轴并且是穿过坐标（0，0，13.887）的面如图：然后单击OK。出现一个对话框，在value load pres Valus后面输入100000，单击OK。如图4-7.图4-78.求解：Main Menusolutionsolvecurentls LS一个信息提示框和对话框，浏览完毕后单击fileclose,单击对话框上的OK按钮，开始求解运算，当出现一个solution is done的信息提示框时，单击close按钮，完成求解运算。9.保存分析结果:utility menufilesave as.弹出一个对话框，输入plate-resu,.单击OK按钮。10.显示节点位移云图：Main Menugeneralpostprocplot resultscontour plotnodal solu,出现如图对话框：在contour nodal solution data对话框中选择item to be contourednodal solutiondof solutiondisplacement vector sum.然后单击OK。生成位移云图如图4-8.图4-811.显示节点应力云图：Main Menugeneralpostprocplot resultscontour plotnodal solu，出现如图对话框：在contour nodal solution data对话框中选择item to be contoured nodal solutionstressvon mises stress,然后单击OK。生成应力云图如图4-9.图4-9 圆形薄膜21.先建立一个圆形薄膜： Main MenuPreprocessormodelingCreatevolumessolid cylinder.弹出以个对话框如图，输入数据如图4-10，单击OK. 图4-102.设置单元类型：Main MenuPreprocessorelement typeadd/edit/delete,弹出一个对话框，点击add,显示 library of element type对话框如图：在library of element type下拉列表框中选择structural solide 项，在其右侧下拉表框中选择 brick 8node 45选项，单击OK. 在点击close.如图4-11.图4-113.设置材料属性：Main MenuPreprocessormaterial props material models,弹出一个对话框，在material models avaiable下面的对话框中双击打开structurallinearelasticisotropic，又弹出linear isotropic properties for material Number 1对话框，在EX后面输入1.9E11，在PRXY后面输入栏中输入0.3，在双击density,在DENS后面输入2.33e3,单击OK。然后单击materialexit,完成材料属性的设置。如图4-12.图4-124.设置单元尺寸：Main MenuPreprocessormeshingmeshtool,弹出一个对话框，单击Global中的SET按钮，弹出Global element sizes 对话框，输入size=5e-006,然后单击OK。如图4-13.图4-135.采用映射式网格化生成单元：Main MenuPreprocessormeshingmeshtool弹出一个对话框，选择Shape后面的Hex/Wedge,Sweep.然后单击Sweep.在拾取图形，单击OK。如图4-14.图4-146.施加约束：Main Menusolutiondefine loadsapplystructuraldisplacementon areas.拾取圆的周围面，如图：然后单击OK. 又出来一个对话框，选择ALL DOF.单击OK。如图4-15.图4-157.施加载荷：Main Menusolutiondefine loadsapplystructuralpressureon Areas.出现拾取框，拾取图形上垂直与Z轴并且是穿过坐标（0，0，13.887）的面，然后单击OK。出现一个对话框，在value load pres Valus后面输入100000，单击OK。如图4-16.图4-168.求解：Main Menusolutionsolvecurentls LS一个信息提示框和对话框，浏览完毕后单击fileclose,单击对话框上的OK按钮，开始求解运算，当出现一个solution is done的信息提示框时，单击close按钮，完成求解运算。9.保存分析结果:utility menufilesave as.弹出一个对话框，输入plate-resu,.单击OK按钮。10.显示节点位移云图：Main Menugeneralpostprocplot resultscontour plotnodal solu,出现如图对话框：在contour nodal solution data对话框中选择item to be contourednodal solutiondof solutiondisplacement vector sum.然后单击OK。生成位移云图如图4-17.图4-1711.显示节点应力云图：Main Menugeneralpostprocplot resultscontour plotnodal solu,出现如图对话框：在contour nodal solution data对话框中选择item to be contoured nodal solutionstressvon mises stress,然后单击OK。生成应力云图如图4-18.图4-18 通过上面两种网格化的比较，还有通过理论计算，映射式网格化比自由式网格化更接近理论，所以后面的网格化都采取映射式网格化。 正方形膜1. 生成正方形膜：Main MenuPreprocessormodelingCreatevolumesblockby dimensions,出现对话框并填入数据如图：然后单击OK。如图4-19.图4-192.设置单元类型：Main MenuPreprocessorelement typeadd/edit/delete,弹出一个对话框，点击add,显示 library of element type对话框如图：在library of element type下拉列表框中选择structural solide 项，在其右侧下拉表框中选择 brick 8node 45选项，单击OK. 在点击close. 如图4-20.图4-203.设置材料属性：Main MenuPreprocessormaterial props material models,弹出一个对话框，在material models avaiable下面的对话框中双击打开structurallinearelasticisotropic又弹出linear isotropic properties for material Number 1对话框，在EX后面输入1.9E11，在PRXY后面输入栏中输入0.3，在双击density,在DENS后面输入2.33e3，单击OK，然后单击materialexit,完成材料属性的设置。如图4-21.图4-214.设置单元尺寸：Main MenuPreprocessormeshingmeshtool,弹出一个对话框，单击Global中的SET按钮，弹出Global element sizes 对话框，输入size=5e-006,然后单击OK。如图4-22.图4-225.采用映射式网格化生成单元：Main MenuPreprocessormeshingmeshtool弹出一个对话框，选择Shape后面的Hex/Wedge,Sweep.然后单击Sweep.在拾取图形，单击OK。如图4-23.图4-236.施加约束：Main Menusolutiondefine loadsapplystructuraldisplacementon areas.拾取正方形的周围面，如图：然后单击OK. 又出来一个对话框，选择ALL DOF.单击OK。如图4-24.图4-247.施加载荷：Main Menusolutiondefine loadsapplystructuralpressureon Areas.出现拾取框，拾取图形上垂直与Z轴并且是穿过坐标（0，0，13.887）的面，然后单击OK。出现一个对话框，在value load pres Valus后面输入100000，单击OK. 如图4-25.图4-258.求解：Main Menusolutionsolvecurentls LS一个信息提示框和对话框，浏览完毕后单击fileclose,单击对话框上的OK按钮，开始求解运算，当出现一个solution is done的信息提示框时，单击close按钮，完成求解运算。9.保存分析结果:utility menufilesave as.弹出一个对话框，输入plate-resu,.单击OK按钮。10.显示节点位移云图：Main Menugeneralpostprocplot resultscontour plotnodal solu,出现如图对话框：在contour nodal solution data对话框中选择item to be contourednodal solutiondof solutiondisplacement vector sum.然后单击OK。生成位移云图如图4-26.图4-2611.显示节点应力云图：Main Menugeneralpostprocplot resultscontour plotnodal solu,出现如图对话框：在contour nodal solution data对话框中选择item to be contoured nodal solutionstressvon mises stress,然后单击OK。生成应力云图如图4-27.图4-27 长方形膜1. 生成长方形膜：Main MenuPreprocessormodelingCreatevolumesblockby dimensions,出现对话框并填入数据如图4-28，然后单击OK.图4-282.设置单元类型：Main MenuPreprocessorelement typeadd/edit/delete,弹出一个对话框，点击add,显示 library of element type对话框如图：在library of element type下拉列表框中选择structural solide 项，在其右侧下拉表框中选择 brick 8node 45选项，单击OK. 在点击close. 如图4-29.图4-293.设置材料属性：Main MenuPreprocessormaterial props material models,弹出一个对话框，在material models avaiable下面的对话框中双击打开structurallinearelasticisotropic又弹出linear isotropic properties for material Number 1对话框，在EX后面输入1.9E11，在PRXY后面输入栏中输入0.3，在双击density,在DENS后面输入2.33e3，单击OK，然后单击materialexit,完成材料属性的设置。如图4-30.图4-304.设置单元尺寸：Main MenuPreprocessormeshingmeshtool,弹出一个对话框，单击Global中的SET按钮，弹出Global element sizes 对话框，输入size=5e-006,然后单击OK。如图4-31.图4-315.采用映射式网格化生成单元：Main MenuPreprocessormeshingmeshtool弹出一个对话框，选择Shape后面的Hex/Wedge,Sweep.然后单击Sweep.在拾取图形，单击OK。如图4-31.图4-316.施加约束：Main Menusolutiondefine loadsapplystructuraldisplacementon areas.拾取长方形的周围面，如图：然后单击OK. 又出来一个对话框，选择ALL DOF.单击OK。如图4-32.图4-327.施加载荷：Main Menusolutiondefine loadsapplystructuralpressureon Areas.出现拾取框，拾取图形上垂直与Z轴并且是穿过坐标（0，0，13.887）的面然后单击OK。出现一个对话框，在value load pres Valus后面输入100000，单击OK. 如图4-33。图4-338.求解：Main Menusolutionsolvecurentls LS一个信息提示框和对话框，浏览完毕后单击fileclose,单击对话框上的OK按钮，开始求解运算，当出现一个solution is done的信息提示框时，单击close按钮，完成求解运算9.保存分析结果:utility menufilesave as.弹出一个对话框，输入plate-resu,.单击OK按钮。10.显示节点位移云图：Main Menugeneralpostprocplot resultscontour plotnodal solu,出现如图对话框：在contour nodal solution data对话框中选择item to be contourednodal solutiondof solutiondisplacement vector sum.然后单击OK。生成位移云图如图4-34.图4-3411.显示节点应力云图：Main Menugeneralpostprocplot resultscontour plotnodal solu,出现如图对话框：在contour nodal solution data对话框中选择item to be contoured nodal solutionstressvon mises stress,然后单击OK。生成应力云图如图4-35.图4-35 基于相同的振动膜面积，厚度和施加压力，我们可以列表如下：振动膜几何形状最大应力/兆帕 最大挠度/微米 圆形 31.3 0.272 长方形 31.60.110 正方形 39.20.219 从上面的对比可以发现圆形振动膜的情况最好。在这种情况下，虽然挠度过大，但是可以通过在芯片上安装机械制动器来限制它的挠度。从应力和挠度两个方面来看，正方形振动膜是最不好的几何形状。但是由于它几何形状对称，很容易进行晶体切割，所以它是当今压力传感器工业中最长用的几何形状。五、实验报告要求1上交电子版仿真结果。2总结静力学分析。实验 高速旋转轮盘模态分析在进行高速旋转机械的转子系统动力设计时，需要对转动部件进行模态分析，求解出其固有频率和相应的模态振型。通过合理的设计使其工作转速尽量远离转子系统的固有频率。而对于高速部件，工作时由于受到离心力的影响，其固有频率跟静止时相比会有一定的变化。为此，在进行模态分析时需要考虑离心力的影响。通过该实验掌握如何用ANSYS进行有预应力的结构的模态分析。 一问题描述 本实验是对某高速旋转轮盘进行考虑离心载荷引起的预应力的模态分析，求解出该轮盘的前5阶固有频率及其对应的模态振型。轮盘截面形状如图所示，该轮盘安装在某转轴上以12000转/分的速度高速旋转。相关参数为：弹性模量EX2.1E5Mpa，泊松比PRXY0.3，密度DENS7.8E-9Tn/mm3。1-5关键点坐标：1(-10, 150, 0)2(-10, 140, 0)3(-3, 140, 0)4(-4, 55, 0)5(-15, 40, 0)L=10+（学号0.1）RS=5二分析具体步骤1. 定义工作名、工作标题、过滤参数定义工作名：Utility menu File Jobname工作标题：Utility menu File Change Title（个人学号）2. 选择单元类型本实验将选用六面体结构实体单元来分析，但在建模过程中需要使用四边形平面单元，所有需要定义两种单元类型：PLANE42和SOLID45，具体操作如下：Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete“ Structural Solid”“ Quad 4node 42” Apply（ 添加PLANE42为1号单元）“ Structural Solid”“ 8node 45” ok（ 添加六面体单元SOLID45为2号单元）在Element Types (单元类型定义)对话框的列表框中将会列出刚定义的两种单-元类型：PLANE42、 SOLID45，关闭Element Types (单元类型定义)对话框，完成单元类型的定义。 3. 设置材料属性由于要进行的是考虑离心力引起的预应力作用下的轮盘的模态分析，材料的弹性模量EX和密度DENS必须定义。 定义材料的弹性模量EXMain Menu Preprocessor Material Props Material Models Structural Linear Elastic Isotropic弹性模量 EX2.1E5泊松比 PRXY0.3 定义材料的密度DENSMain Menu Preprocessor Material Props Material ModelsdensityDENS =7.8E-94. 实体建模对于本实例的有限元模型，首先需要建立轮盘的截面几何模型，然后对其进行网格划分，最后通过截面的有限元网格扫描出整个轮盘的有限元模型。具体的操作过程如下。 创建关键点操作：Main Menu Preprocessor Modeling Create Keypoints In Active CS列出各点坐标值Utility menu List Keypoints Coordinate only 由关键点生成线的操作：Main Menu Preprocessor Modeling Create Lines Lines In Active Coord 建立圆角：Preprocessor Modeling Create Lines Lines Lines Fillet 生成面：Main Menu Preprocessor Modeling Create Areas Arbitrary By Lines（逆时针选线）5.划分网络Main Menu Preprocessor Meshing MeshTool对全局进行设置。单击Size Controls (尺寸控制区)全局设置项(Global)的Set按钮，将弹出Global Element Sizes单元尺寸全局设置对话框在对话框中输入Element edge Length (单元边长度)为6。 单击Size Controls (尺寸控制区) Lines (线设置项)的按钮，将弹出Element Size on Picked Lines (在所选线上定义单元尺寸)的拾取对话框。 用鼠标左键在图形输出窗口中拾取圆角对应的线。 单击ok按钮，将弹出Element Size on Picked Lines (在所选线上定义单元尺寸)对话框，在对话框中输入No. of element divisions (每条线将要分成的单元数)为1，设定圆角处对应的线只分一个单元。(由于是模态分析，只要能反应出需要知道的前几阶模态就行，而不需要知道具体的应力值，所以不需要对此处进行单元细化。) 对分网进行控制。在分网控制区的Mesh下拉框中选定分网类型为Area (面)，Shape (网格形状)设置为Quad (四边形)，分网方式设置为Free (自由分网)。 对面进行分网。在MeshTool (分网工具)对话框中单击Mesh按钮，将弹出Mesh Aeras (对面划分网格)拾取对话框。从图形输出窗口中拾取创建的面，单击ok按钮。完成网格划分。 6. 出整个轮盘的有限元模型 通过将面绕轴旋转成有限元实体模型的功能，将前面建立的轮盘截面有限元网格，围绕定义的旋转轴扫掠成整个轮盘的实体有限元模型。具体的操作过程如下。 定义旋转轴。可以通过定义旋转轴所在轴线上的两个关键点来，指定旋转轴的位置。Main Menu Preprocessor Modeling Create Key points In Active CS生成两个关键点20、21。关键点20：X,Y,Z位置分别为-10，0，0关键点21：X,Y,Z位置分别为10，0，0 设置单元生成选项Main Menu Preprocessor Modeling Operate Extrude Elem Ext Opts，弹出Element Extrusion Options (单元挤出选项)对话框，在对话框中的Element type number (单元类型序号)下拉框中选择2号单元SOLID45。 单元尺寸选项中的分割单元数（VAL1 NO. Elem Divs）设置为18，即在挤压出的每个体上将沿周向被分成18份。拉伸比例为0，保持等截面拉伸。将Clear area(s) after ext (删除原始面)设置为Yes，在挤压的单元完成之后将删除原来的面以及其上的单元。 单击ok按钮，完成对单元选项的设置。 绕轴旋转截面Main Menu Preprocessor Modeling Operate Extrude Areas About Axis，将弹出Sweep Areas about Axis (绕轴扫描面)的拾取对话框。从图形输出窗口中选择创建好的平面网格，单击拾取对话框中的按钮。然后从图形窗口中选取定义旋转轴的关键点20，21，单击ok按钮，将弹出Sweep Areas about Axis对话框，在对话框中输入旋转角度为(Arc length in degrees)360，No. of volume segments（一周创建体的数目）为4，单击ok按钮。创建如图所示的整个盘的有限元模型。 观察创建的网格形式。Utility Menu Plot Element，图形窗口中将会显示出由平面网格扫掠而成的实体单元网格情况。存盘，SAVE_DB。至此，完成了创建轮盘有限元模型的所有工作。 7. 节点的坐标变换 根据轮盘的工作情况其约束条件为盘心轴向和周向约束，这种约束条件在直角坐标系下无法定义，而柱坐标下可以非常方便地定义。根据ANSYS程序中坐标系的定义规则，需要将柱坐标系的Z轴和旋转轴重合，Y轴表示转角，X轴表示径向。ANSYS程序提供的全局柱坐标系不满足要求。通常可以有两种办法来解决这个问题：a.将所建有限元模型进行旋转使其轴向和柱坐标Z轴方向一致。b.重新建立一个柱坐标系使其的Z向和旋转轴一致。本实例采用第二种方法。具体操作过程如下： Utility Menu WorkPlane Offset WP by Increments，弹出Offset WP (工作平面偏移)菜单,拖动Degrees滑动条，将Degrees (旋转角度)值设置为90。单击按钮，使工作平面绕Y轴正向旋转90度，单击ok按钮，将工作平面的WZ轴和总体坐标系的X轴方向重合，。 在工作平面原点创建柱坐标系。Utility Menu WorkPlane Local Coordinate Systems Create Local CS At WP Origin，将弹出Create Local CS at WP Origin (在工作平面原点创建本地坐标系)对话框，Ref number of new coord sys (新坐标系的参考序号)缺省值为11，一般就使用缺省值，也可自己设定。在Type of coordinate system(坐标系类型)下拉框中选取Cylindrical 1 (柱坐标系),其它设置为缺省值。 单击ok按钮。将完成要求的柱坐标系的创建，并且将新建坐标系定义为当前激活坐标系。 将所有节点移到当前柱坐标系中。Main Menu Preprocessor Modeling Create Nodes Rotate Node CS To Active CS将弹出Rotate Nodes into CS菜单。在菜单中单击按钮，将所有的节点都移到当前激活柱坐标系下。 8. 进行静力分析 由于对轮盘模态的分析需要考虑离心力引起的应力对模态的影响，所以需要先对其进行静力分析，求解出离心力产生的应力，及其对刚度阵的影响，将结果写入数据库文件。有预应力的轮盘静力分析具体过程如下。 指定分析类型及分析选项 aMain Menu Solution New Analysis“Static”bMain Menu Solution Soln Controls，将弹出求解控制(Solution Controls)对话框。单击标签“Basic”，在Calculate Prestress effects选项前打“”。打开预应力选项。单击OK 定义边界条件和转速 对于本实例分析的轮盘，由安装条件知道其边界条件应该是，在轮盘盘心的节点轴向和周向固定，而径向自由。其离心载荷是由于高速旋转产生的，因此需要在分析时指定轮盘的旋转速度，具体操作过程如下： a将要加载模型放大。在图形窗口中选取盘心部分，对其进行放大，以便在加载时能够准确地选择所要加载的模型元素(本实例为节点)。 b定义约束Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Displacement On Nodes，将弹出Apply U,ROT on Nodes (给节点施加约束)对话框，单击对话框中的Circle单选按钮，选用圆形区域选择方式(因为需要约束的为盘心节点)。 将光标移至盘心，按住鼠标左键并拖动光标，在图形窗口中将会出现一个选择用的圆形选择框随光标移动，当圆形框刚好将盘心所有的第一排节点选中，而没有选择第二排节点时，放开按钮。将会将所有盘心的节点选中，后面的约束也将施加在这些节点上。单击ok按钮，将弹出Apply U,ROT on Nodes (给节点施加约束)的对话框，在对话框的DOFs to be constrained (被约束自由度)列表框中选择UY,UZ两个自由度，分别表示对周向和轴向施加约束。在Displacement value (位移约束值)文本框中输入0(缺省值为：0)。 c定义转速Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Inertia Angular Velocity Global，将弹出Apply angular velocity (角速度定义)对话框，在对话框中的Global Cartesian X-comp (绕总体坐标系中X轴旋转角速度)文本框中输入1256.64，指定轮盘的旋转速度为1256.64弧度/秒。单击ok按钮，完成对旋转角速度的定义。 存盘SAVE_DB。 进行求解 Main Menu | Solution | Current LS 9进行模态分析设定 由于模态分析时位移约束条件和进行静力分析时一样，而静力分析时所定义的转速在模态分析时将被忽略，因此进行模态分析时再不需要重新定义边条，可以直接进入求解菜单进行求解。 指定分析选项 Main Menu Solution Analysis Type New Analysis“Modal”(模态分析) 分析选型设定Main Menu Solution Analysis Type A