ANASYS对带裂缝梁体的模态分析.doc

ANSYS对带裂缝结构模态分析通过ANASYS 的计算可以有效的解决带裂缝实体梁的工况利用ANSYS可以对实体进行模态分析的特点，直接建立带裂缝实体梁模型，进行模态分析。取悬臂梁，梁尺寸为，取其弹性模量为2.13E10帕，泊松比为0.167，密度为2.5E-6千克每立方毫米，ANSYS计算得到开裂前的一阶自振频率为0.74257。取裂缝位置为，取裂缝深度为，利用实体楔形模拟裂缝，对实体梁进行如下分析：1. 裂缝宽度对模态的影响分别取裂缝宽度为0.02mm,0.04mm,0.2mm，考察裂缝宽度对梁模态的影响。设定裂缝位置分别为0.1,0.2,0.4,0.6,0.8设定裂缝深度分别为0.1,0.3,0.5分析结果如表1-1所示，其对比图如图1-1所示。从图表数据分析，得到如下结论：在允许裂缝范围内，裂缝的开裂宽度对结构的模态的影响可以忽略不计。2. 裂缝开裂位置对模态影响利用1中结论，取裂缝宽度为0.02mm，考察裂缝在上部开裂时是否与下部开裂时不同。结果如图1-1所示，可以看出与下部开裂时完全相同。因此，可以得到当结构几何尺寸固定时，在同一几何方向上的开裂位置不影响其模态。3. 第二条裂缝模态对比一条裂缝时的模态利用1,2中的结论，取两条均在梁底部的裂缝。第一条裂缝宽度为0.02mm,深度为0.1，位置分别为0.3,0.5,0.7；第二条裂缝宽度为0.02mm，深度分别为0.1,0.3,0.5，位置分别0.1,0.2,0.4,0.6,0.8。分析结果如表3-1。从图3-1可以看出，模拟值与试验值对照良好，可以说明此方法可行。从图3-2可以看出，单裂缝自振频率与完好梁自振频率比，同双裂缝自振频率与单裂缝自振频率比是非常接近的。即，再次开裂对结构前一状态的模态影响是基本相同的。综合1,2,3可以看出，采用实体建模直接构件裂缝的方法分析带裂缝的结构模态是完全可行的，但因为现阶段扩展有限元方法XFEM尚不完善，采用有限元方法建立裂缝又导致需要重新修改实体模型再剖分单元网格，而且，不论是裂缝实体还是裂缝面上的网格剖分，都是非常困难的。因此，需要引入适当的简化方法来实现带裂缝实体结构的模态分析。考察以上方法可以看出，建立楔形裂缝后，开裂出的节点刚度降低了一半，因此采用折减模量法来进行模拟，做结果对比分析。4. 利用折减模量法分析带裂缝结构模态的合理性及其折减量取值分析在之前模型的基础上，分别建立40mm和20mm尺寸网格单元模型，对裂缝面处的单元弹性模量进行折减，计算模态。根据图表结果表明：在网格密度合理的状态下，裂缝边缘网格的尺寸大小对模态计算结果没有影响。如图4-1，4-2，4-3所示。折减模量法的模量折减系数不能同时适用于不同深度的裂缝，不同深度的裂缝有最合适的模量折减系数，需要深入研究讨论。就本文中的0.1,0.3,0.5等效深度的裂缝，分别采用30%,10%和5%进行模量折减模拟最为合适。如图4-4,4-5，4-6所示。表1-1 单裂缝时自振频率值裂缝宽度0.02mm裂缝宽度0.04mm裂缝宽度0.2mma/ha/ha/hL1/L0.10.30.50.10.30.50.10.30.5频率值0.10.737830.705370.649970.737830.705370.649970.737830.705370.649960.20.739090.714870.670920.739090.714870.670920.739090.714870.670910.40.741060.730720.71010.741060.730720.71010.741060.730720.710090.60.742070.739830.733430.742070.739830.733430.742070.739840.733430.80.742390.742190.741480.742390.742190.741480.742390.74220.7415开裂模态-原模态比例值0.10.9936170.9499040.8752980.9936170.9499040.8752980.9936170.9499040.8752840.20.9953140.9626970.9035110.9953140.9626970.9035110.9953140.9626970.9034970.40.9979670.9840420.9562730.9979670.9840420.9562730.9979670.9840420.956260.60.9993270.996310.9876910.9993270.996310.9876910.9993270.9963240.9876910.80.9997580.9994880.9985320.9997580.9994880.9985320.9997580.9995020.998559图1-1 （纵轴为频率比，横轴为裂缝位置）表2-1 上部开裂的自振频率裂缝宽度0.02mma/hL1/L0.10.30.5自振频率0.10.737830.705370.649970.20.739090.714870.670920.40.741060.730720.71010.60.742070.739870.733430.80.742390.742180.74148开裂模态-原模态比0.10.9936170.9499040.8752980.20.9953140.9626970.9035110.40.9979670.9840420.9562730.60.9993270.9963640.9876910.80.9997580.9994750.998532表3-1 双裂缝自振频率L1/L0.30.50.7a2/ha2/ha2/hL2/L0.10.30.50.10.30.50.10.30.5单裂缝自振频率0.74020.741670.74229双裂缝自振频率0.10.735660.703530.64860.73710.704740.649470.737710.705260.649880.20.737010.713560.670190.738360.714210.670370.738970.714760.670830.40.738920.729090.708950.740350.730260.709830.740930.73060.709990.60.739850.737130.731280.741350.738740.732970.741950.739260.733390.80.740170.73990.739260.741640.741380.740740.742270.742020.74139双裂缝自振频率-单裂缝自振频率比值0.10.9938670.9504590.876250.9938380.9502070.8756860.993830.9501140.8755070.20.995690.964010.9054170.9955370.9629750.9038660.9955270.9629120.903730.40.9982710.9849910.9577820.998220.9846160.957070.9981680.9842510.9564860.60.9995270.9958520.9879490.9995690.9960490.988270.9995420.9959180.988010.80.9999590.9995950.998730.999960.9996090.9987460.9999730.9996360.998788双裂缝自振频率-未开裂自振频率比值0.10.9906940.9474260.8734530.9926340.9490550.8746250.9934550.9497560.8751770.20.9925120.9609330.9025280.9943310.9618080.902770.9951520.9625490.903390.40.9950850.9818470.9547250.997010.9834220.955910.9977910.983880.9561250.60.9963370.9926740.9847960.9983570.9948420.9870720.9991650.9955430.9876380.80.9967680.9964040.9955430.9987480.9983970.9975360.9995960.9992590.998411图3-1 双裂