Ansys第15例谐响应分析实例和凸轮从动件运动分析

1、第15例谐响应分析实例一单自由度系统的受迫振动本例介绍了利用ANSYS进行谐响应分析的方法、步骤和过程，并使用解析 解对有限元分析结果进行了验证。在进行谐响应分析时，要求结构上的载荷随 时间呈正弦规律变化。15.1概述15.1.1谐响应分析的定义谐响应分析主要用于确定线性结构承受随时问按正弦规律变化的载荷时的 稳态响应。谐响应分析主要采用完全法(Full)、缩减法(Reduced)和模态叠加法 (Mode Superposition)o完全法是软件的默认方法，是三种方法中最容易使用的。它采用完整的系 数矩阵计算，谐响应，不涉及质量矩阵的近似，不必关心如何选取主自山度或 振型。系数矩阵可以是对称

2、的，也可以是不对称的。其缺点是预应力选项不可 用，有时计算量比较大。缩减法通过釆用主自山度和缩减矩阵来压缩问题的规模。当主自III度处的 位移计算出来后，解可以被扩展到初始的完整DOF集上。该方法可以考虑预应 力效果，但不能施加单i元载荷，所有载荷必须施加在用户定义的主自由度上。模态叠加法通过对模态分析得到的振型乘以因子并求和来计算结构的响应。 对于许多问题，其计算量比前两种方法都少。该方法可以考虑预应力效果，允 许考虑阻尼，但不能施；加非零位移。谐响应分析是线性分析，会忽略所有非线性特性。另外还要求所有载荷必 须具有相同的频率。15.1.2谐响应分析的步骤谐响应分析包括建模、施加载荷和求解，

3、以及查看结果等儿个步骤。(1) 建模谐响应分析的建模过程与其他分析相似，包括定义单元类型、定义单元实常 数、定义：，材料特性、建立儿何模型和划分网格等。但需注意的是：谐响应 分析是线性分析，非线性特性被忽略；必须定义材料的弹性模量和密度。(2) 施加载荷和求解根据谐响应分析的定义，施加的所有载荷都随时间按正弦规律变化，指定NN图254单自由度系统根据振动学理论，系统的固有频率为2ttm罕.9Hz=丄n 一 2TT受迫振动规律为x(t)=&/(1 入2)2 + (20)2sin(u)t - = tan-1共振频率/ = / V1 - 21a(m/s2)+ (c)oy oof oo图16-3凸轮机

4、构从动件的运动规律163分析步骤16.3.1改变任务名拾取菜单Utility Menu -* Jobname ,弹出如图16-4所示的对话框，在 “/FILNAM”文本框中输入EXAMPLE16,单击“OK”按钮。图16-4改变任务名对话框1 6.3.2选择单元类型拾取菜单 Main Menu PreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete,弹岀 如图16-5所示的对话框，单击“Add按钮，弹出如图16-6所示的对话框, 在左侧列表中选uStructural Solid M ,在右侧列表中选Quad 4 node 182 ,单击“Apply”按钮，再在右侧列表中

5、选BrickSnode 185,单击“OK”按钮, 最后单击如图16-5所示对话框中的“Close”按钮。A. Element TypesDefined Element Tvoes:NONE DEFINEDAdd. |iptions Delete |CloseHelp |图16-5单元类型对话框图16-6单元类型库对话框16.3.3定文材料模型拾取菜单 Main Menu Preprocessor-* Material PropsMaterial Models,弹出 如图所示的对话框，在右侧列表中依次拾取“Structural”、“Linear”、 “Elastic”、“Isotropic”

6、,弹出如图16-8所示的对话框，在“EX”文本框中输 入2ell （弹性模量）,在“PRXY”文本框中输入0.3 （泊松比），单击“0K”按 钮，再拾取如图16-7所示对话框右侧列表中，“Structural”下的“Density”， 弹出如出如图16-9所示的对话框，在,，DENS”文本框中输入7800 （密度），单 击“0K按钮，然后关闭如图16-7所示的对话框。图16-7材料模型对话框图16-8材料特性对话框图16-9定义密度对话框16.3.4显示关键点、线号拾取菜单Utility Menu-*PlotCtrls-*Numbering,在所弹出的对话框中，将 Keypoint numbe

7、rs （关键点号）和Line numbers （线号）打开，单击“0K”按钮。 16.3.5创建关键点拾取菜单 Main Menu -* PreprocessorModelingCreate-* KeypointsIn Active CS, 弹出如图16-10所示的对话框，在“NPT”文本框中输入1,在“X, Y, Z”文本框中分别输入0, 0, 0,单击“Apply”按钮;再在“NPT”文本框 中输入2,在“X, Y, Z”文本框中分别输入0.015, 0.015, 0,单击“Apply” 按钮；再在“NPT”文本框中输入3,在“文，Y, Z” o文本框中分别输入0.015, 0.1,0,单

8、击“Apply”按钮；再在“NPT”文本框中输入4,在“x, Y, Z” 文本框中分别输入0, 0.1, 0,单击“OK”按钮。图16-10创建关键点对话框16.3.6创建直线拾取菜单 Main Menu-*- Preprocessor-* ModelingCreateLines-* Lines Straight Line,弹出拾取窗口，分别拾取关键点1和2、2和3、3和4、4和1, 创建四条直线，单击“0K”按钮。16.3.7由线创建面拾取菜单 Main Menu -Preprocessor-*-Modeling-* Create-* Areas Arbitrary-* By Lines,弹

9、出拾取窗口，依次拾取直线1、2、3、4,单击“0K”按钮。16.3.8划分单元拾取菜单 Main MenuPreprocessorMeshing-*MeshTool,弹岀如图 16-11 所示的对话框，单击Size Controls区域中“Lines”后面的“Set”按钮，弹出 拾取窗口，拾取直线1和3,单击“OK”按钮，弹出如图16-12所示的对话框, 在“NDIV”文本框中输入2,单击“Apply”按钮；再次弹出拾取窗口，拾取直 线2,单击“OK”按钮，在“NDIV”文本框中输入10,单击“0K”按钮。在 “Mesh”区域，选择单元形状为“Quad”（四边形），选择划分单元的方法为 “Ma

10、pped”（映射）,单击“Mesh”按钮，弹出拾取窗口，拾取面，单击“0K “按钮。图16-11划分单元工具对话框图16-12单元尺寸对话框16.3.9设定挤出选项为下一步由面挤出体时形成单元做准备，拾取菜单Main Menu - Preprocessor-*Modeling-*-Operate-*Extrude-*Elem Ext Opts,弹出如图 16-13 所 示的对话框，选择下拉列表框“TYPE”为“2 SOLID185”，在“VAL1”文本框 中输入4,将ACLEAR”选择为“Yes,单击“0K”按钮。16.3.10由面绕轴挤出回转体拾取菜单 Main Menu-*Preproce

11、ssor-*-Modeling-*Operate-*ExtrudeAreas -About Axis,弹出拾取窗口，拾取面，单击“OK”按钮，再次弹出拾取窗口， 拾取关键点1和4,单击“0K”按钮，再单击随后弹出的“Sweep Areas About Axis”对话框中的“OK按钮。16.3.11显示单元拾取菜单 Utility MenuPlotElements。16.3.12改变视点拾取菜单Utility Menu-*PlotCtrls-*Pan Zoom Rotate,在所弹出的对话框中, 依次单击“ISO”、“Fit”按钮，或者单击图形窗口右側显示控制工具条上的1 / 1按钮。16.3.

12、13旋转工作平面拾取菜单 Utility Menu-WorkPlane-Offset WP by Increment,弹出如图 16-14所示的对话框,在“XY, YZ, ZX Angles”文本框中输入0, -90,单击“0K” 按钮。图16-13单元挤出选项对话框Offset WPX- 1X 1Y- |Y |Z- 1Z |1上1SnapsKY. 2 Offsets|XQ| IQ琪303 2JDegreesXY/rZ.ZX AnglesooGlobal X= 0Y= 0Z= 0I Dynamic Mode| OK | Apply |图16-14平移.旋转工作平面对话框1 6.3.14创建局部

13、坐标系拾取菜单 Utility MenuWorkPlanef Local Coordinate System-*Create Local CS-At WP Origin,弹出如图16-15所示的对话框，选择下拉列表框“KCS为 Cylindrical 1,单击“OK”按钮。于是创建了一个代号为11的局部坐标系， 类型为圆柱坐标系，原点与全球原点重合，rO平面与工作平面重合，同时也与 全球直角坐标系的xz平面重合。在状态行中显示“csysJl”，表示新建的局部 坐标系已被激活。图16-15创建局部坐标系对话框16.3.1 5显示面号拾取菜单Utility Menu-*PlotCtrls-*Num

14、bering,在所弹出的对话框中，将 Keypoint numbers 和 Line numbers 关闭，将 Area numbers （面号）打开，单击 “0K”按钮。1 6.3.16显示面拾取菜单 Utility Menuf Plot-Areas。16.3.17创建选择集拾取菜单Utility Menu-*Select-*Entities,弹出如图16-16所示的对话框， 选择实体类型为“Areas”，选择创建选择集的方法为By Num/Pick， ,选中 aFrom Full,单击“Apply按钮，弹出拾取窗口,拾取面3、7、11和15 （柱 面），单击“0K”按钮；再在如图16-16

15、所示的对话框中，选择实体类型为 “Nodes,选择创建选择集的方法为Attached to”，选中“Areas, all,选 中“From Full”，如图16-17所示，单击“0K”按钮。Nodes jJI By Num/Pickfi From Full厂 Reselect宀 Also SelectUnselectSelcAII | Irv/Ert |Sule Noug Sele Belo|OK I ApplyPlot | Replot 5ncl Help图16-16选择实体对话框（1）A Select Entities L(NodesI Attached io齐 Elements 厂 Ke

16、ypointsLines, allLines, interiorAreas, allAreas, interior 厂 Volumes, all 厂 Volumes, interiorFrom FullReselectAlso Select UnselectInvertSet AllSelE Ntw| SeIe BeIoApply | Replot Help |图16-17选择实体对话框（2）16.3.18显示节点拾取菜单 Utility Menuf PlotNodes。16.3.19旋转节点坐标系拾 取菜单 Main Menu Preprocessor Modeling Move/Modif

17、y RotateNode CSTo Active CS,弹出拾取窗口,单击Pick All按钮。16.3.20施加约束拾取菜单 Main MenuSolution Define Loads-Apply-Structural-*Displacement On Nodes,弹出拾取窗口，单击“Pick AIJ”按钮，弹出如图16-18所示的对话框，在列表中选择“UX”和“UY” ,单击“OK”按钮。图16-18施加约束对话框山于选中的节点即从动件圆柱表面上节点的节点坐标系在上一步被旋转到与 11号局部坐标系对齐，所以此时施加的X、y方向上的约束分别是径向约束和 切向约束。16.3.21选择所有实休

18、拾取菜单 Utility Menuf SelectEverything。16.3, 22显示单元拾取菜单 Utility Menuf PlotElements。16.3.23指定分析类型拾取菜单 Main Menu-*SolutionAnalysis TypeNew Analysis,弹出如图16-19 所示的对话框，选择Type of analysis为Transient”，单击OK” 按 钮，在随后弹出的Transient AnalysisM对话框中,单击“0K按钮。C Harmonic個门sient jC SpectrumC Eigen Buckling广 Sub structu ri

19、ng/CM SCancel IHelpA New AnalysisANTYPE Type of analysis图16-19指定分析类型对话框16.3.24确定数据库和结果文件中所包含的内容拾取菜单 Main Menuf Solution Load Step OptsOutput Ctrls DB/ResultsFile,弹出如图1620所示的对话框，选择下拉列表框“Item”为“All items” ,选中Every substep,单击“OK”按钮。提示：如果该菜单项未显示在界面 上， 可以拾取菜单 Main Menuf SolutionUnabridged Menu,以显示 Main M

20、enu Solution下的所有菜单项。图16-20数据库和结果文件控制对话框16.3.25施加载荷拾取菜单 Main Menu Solution f Define Loads f Apply Structural Force/Moment -*On Keypoints,弹出拾取窗口，拾取关键点4 （即模型顶面的中 心），单击“0K”按钮，弹出如图16-21所示的对话框，选择“Lab”为“FY”， 在“VALUE”文本框中输A-1000,单击“OK”按钮。图16-21在关键点施加力载荷对话框16.3.26确定第一个载荷步吋间和吋间步长拾取菜单 Main Menu Solution Load S

21、tep OptsTime/Frequencf Time - Time Step,弹出如图16-22所示的对话框，在“TIME”文本框中输入10,在 uDELTIM Time step size文本框中输入 0.5,选择KBC” 为“Ramped ,选择 “AUTOTS,为 “ON”，在 “DELTIM Minimum time step size” 文本框中输入 0.2,在 DELTIM Maximum time step size v 文本框中输入 1,单击OK” 按钮。图16-22确定载荷步时间和时间步长对话框1 6.3.27施加第一个载荷步的位移载荷拾取菜单 Main Menu Solu

22、tion Define Loads f Apply f Structural DisplacementOn Keypoints,弹出拾取窗口，拾取关键点1 （即模型的尖点）, 单击“0K”按钮，弹出如图16-23所示的对话框，在列表中选“UY” ,在“VALUE”文本框中输入0.02,单击“OK”按钮。图16-23施加位移载荷对话框16.3.28写第一个载荷步文件拾取菜单 Main Menu-Solution-* Load Step OptsWrite LS File,弹出如图1624所示的，对话框，在“LSNUM”文本框中输入单击“0K”按钮。图16-24写载荷步文件对话框16.3.29确定

23、第二个载荷步时间和时间步长拾取菜单 Main MenuSolutionLoad Step Opts Time/FrequencTime- Time Step,弹出如图16-22所示的对话框，在“TIME”文本框中输入20,单 击0K “按钮。16.3.30写第二个载荷步文件拾取菜单 Main Menu-Solution-* Load Step OptsWrite LS File,弹出如图 1624所示的”对话框,在“LSNUM文本框中输入2,单击“0K”按钮。16.3.31确定第三个载荷步吋间和时间步长拾取菜单 Main Menu-Solution-* Load Step OptsTime/F

24、requenc/Time-Time Step,弹：出如图16-22所示的对话框，在“TIME”文本框中输入35,单击 “0K”按钮。16.332施加第三个载荷步的位移载荷拾取菜单 Main Menu Solution -* Define Loads -* Apply -* Structural -* Displacement-*On Keypoints,弹出拾取窗口，拾取关键点1 （即模型的尖点）, 单击“0K”按钮，弹出如图16-23所示的对话框，在列表中选“UY”，在 “VALUE”文本框中输入0,单击0K “按钮。16.3.33写第三个载荷步文件拾取菜单 Main Menu-*Solut

25、ion-*Load Step OptsWrite LS File,弹出如图 16-24所示的对话框，在“LSNUM”文本框中输入3,单击“0K”按钮。16.3.34确定第四个载荷步吋间和吋间步长拾取菜单 Main Menu Solution Load Step OptsTime/Frequenc-*Time- Time Step,弹出如图16-22所示的对话框，在“TIME”文本框中输入45,单击 “0K”按钮。16.3.35写第四个载荷步文件拾取菜单 Main MenuSolutionLoad Step OptsWrite LS File,弹出如图 16-24所示的对话框，在“LSNUM”文

26、本框中输入4,单击“0K”按钮。16.3.36 求解拾取菜单 Main Menu-*Solution-*SolveFrom LS Files,弹出如图 16-25 所 示的对话框，在“LSMIN”文本框中输入1,在“LSMAX”文本框中输入4,单 击“0K”按钮。图16-25从载荷步文件求解对话框求解结束，从下一步开始，进行结果查看。16.3.37定义变量拾取菜单 Main Menu-*TimeHist Postpro-*-Define Variables,弹出如图 16-26 所示的对话框，单击“Add”按钮，弹出如图16-27所示的对话框，选擇 uType of variable n 为Nodal DOF resultM ,单击OK” 按钮，弹出拾取窗口, 拾取位于模型尖点处的节点，单击“0K”按钮，弹出如图16-28所示的对话框, 在“Name”文本框中输入uy,在右侧列表中选择“