Ansys第13例弦的横向振动转子的固有频率分析

1、第1 3例有预应力模态分析实例一弦得横向振动本例介绍了利用ANSYS进行有预应力模态分析得方法、步骤与过程,并使用解 析解对有限元分析结果进行了验证。有预应力模态分析分为两大步骤：首先进 行结 构静应力分析，并把静应力作为预应力施加在模型上；其次进行模态分析。13。1概述有预应力模态分析用于计算有预应力结构得固有频率与振型，例如，对高速旋 转得锯片得分析。除了首先要进行静力学分析把预应力施加到结构上外，有预应力 模态分析得过程与普通得模态分析基本一致。(1)建模并进行静力学分析。当进行静力学分析时，预应力效果选项必须打开(PS TRES,ON关于集中质量得设置(LUM PM)必须与随后进行得有

2、预应力模态分析一 致、静力学分析过程与普通得静力学分析完全一致、(2 )重新进入Solut ion,进行模态分析。同样,预应力效果选项也必须打开 (PSTRESQN) 另外,静力学分析中所生成得文件Jobnameo EMAT与Jobnama ESAW、须都存在、(3)扩展模态后在后处理器中查瞧它们。13。2问题描述及解析解图13.1所示为一被张紧得琴弦，已知琴弦得横截面面积A=106 m2,长度 L=1 m琴弦材料密度尸780 0 kg/m3,张紧力T=2000 N计算其固有频率。根据振动学 理论，琴弦得固有频率计算过程如下：图131张紧的琴弦示意图琴弦单位长度得质量二 pA 二 7800 x

3、 10= 7.8X 10 kg/m波速if f_2000-a 二 I-二二 50f>. 4m/s壮8冥10琴弦得第i阶固有频率ia i x 506.4f-二 253.2iHz (i = L2,.ri 2i 2xi按式(13 1)计算出琴弦得前10阶频率，如表13-1所示阶次1234567891 0频2550 6.47 51012、1261 5 19、177 2。202278。8253率3.29 686.2425、62。0HZ1 3 .3分析步骤13、3。1改变任务名拾取菜单U tiHty Menu Job name,弹出如图 13 2所示得对话框，在“/FILNAM文本框中输入EX AM

4、PLE13推击“0K”按钮、图132改变任务名对话框13、3、2选择单元类型Type拾取菜单 Ma in Me n u 一 P r e pro c es s or 一 ElementAdd/Ed i t/D e lete,弹出如图13 3所示得对话框，单击“ Add-”按钮,弹出如 图134所示得对话框，在左侧列表中选“S tructural Li n k” ，在右侧列表中选“3D fin it sta 180”,单击“OK”按钮,最后单击如图13-3所示对话框中得“ Close”按钮。13。3.3定文材料模型拾取菜单 Ma i n Me n uAPr epr ocess o一Ma teri

5、a I Pro ps Materi a IModels,弹出如图13 5所示得对话框，在右侧列表中依次拾取“Structural“Linear"、“ Elastic"、“ Iso t r opic",弹'出如图 136 所示得对话框，在 “ EX'文 本框中输入2e 11 （弹性模量），在“P RXY”文本框中输入0。3 （泊松比），单击“OK” 按钮;再拾取右侧列表中“ Struct u r a 下得“Density”项，弹出如图13 7所 示 得对话框，在“DENS文本框中输入780 0 （密度），单击“O&,按钮，然后关闭 如图13

6、5所示得对话框。A Element TypesDefined Element Types:MONE DEFINEDAdd. ions. DeleteCloseHelp图133单元类型对话框library of ElOnly sti>9LCIui al element types-s，己 sbo.vnLibrary of Elementspar b linear 10actuator 11*irrt ctn 1RC2D sparElement tyue- re-AerertLC rumberAmply图13.4单元类型库对话框图1 3-5材料模型对话框图13 6材料特性对话框 Densit

7、y for Material Number 1T1Tenpexatures |DENS：7800,Add T上ippeHdturu Delete TenperatureGraph|OKCancel图13 7定义密度对话框13、3.4定文实常数拾取菜单 M a in M cn u P repr o cesso r 一R eal Co n st a n tsA dd /Edit/Delete,弹出如图13-8所示得对话框，单击“Add、，”按钮，弹出如图 13-9所示得对话框,在列表中选择“Typel LINK180”，单击“OK”按钮,弹 出 如图1 3-1 0所示得对话框 在“A REA文本框

8、中输入Ie6,单击“O K”按 钮，返回 图13-8所示得对话框，单击“ Close按钮。A Rei ConAtantADefined Real Constant SetsAdd. i.Edit* Delete IClose Help I图138定义实常数对话框图13.9选择单元类型对话框图1310设置实常数对话框当单元特性对实体特性表达不充分时，需要用实常数进行补充说明13。3、5创建关键点拾取菜单 M ain Menu Pre p r o ce ssor Modeling Cre ateKeypoi nts- In Act i v e C S弹出如图13- 1 1所示得对话框,在“ NPT

9、 ”文本 框中输入1,在“X, 丫 Z”文本框中分别输入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1,0。单击“OK”按钮。图131 1创建关键点对话框3.3。6创建直线拾取菜单 Mai n M e nu Pre proces s or Modelin g C rea te Lin e s-Lin es - Straight Line,弹出拾取窗口，拾取上一步所创建得关键点1与2,单击” OK “按钮。1 3、3、7划分单元拾取菜单 M a i n M e nu P r ep roce ssor-M eshi ng一 MeshTool ,

10、弹出如图1312所示得对话框，单击“S i z e C o nt r o Is”区域中“Lin es后面 得“Set”按 钮，弹出拾取窗口，拾取上一步所创建得直线1,单击“0K”按钮，弹出如图13.13所示得 对话框，在“NDIV”文本框中输入5 0,单击“OK按钮;再单击如图131 2所示对话框中“M es h”区域得“Me sh”按钮,弹出拾取窗口拾取直线1,单击“OK按钮。MeshTool图1 3-12划分单元工具对话框八 Element Sizes onPLES1ZE Element sizes on picked linesSIZE Element edge lengthN DIV

11、No, of eienn&nt diAir>iori5(NDIV if used only rf SIZE k blank or zero) KYNDIV SIZE.NDIV can be changedEP 氏匚 E Spacing rAtioANGSI? Divisior arc :degreesfuse ANGS12 only if number q/ divisiong (NDIV) and elementedge i&ngth (SIZE ) Are blAnk or zeroAClear jitachfd dreas jnd volumesApplyCance

12、lHelp图1313单元尺寸对话框从下一步开始进行静力分析，把预应力加到结构上，用预应力来模拟张紧力、1 3。3.8显示关键点号拾取菜单 U til i ty Menu P lotCtrls Numbe r in g,如图 1 314 所示得对 话框,将关键点号打开，单击“0K”按钮。图13.14图号控制对话框13。3、9显示直线拾取菜单 Util i t yM en u Plot Li ne&13、3.10施加约束拾取菜单 Ma in Me nv Soluti o n一De f i ne L o a dsApply St r uc t ural Displaceme nt On Ke

13、y points,弹出拾取窗口，拾取关键点1,单击“OK”按钮，弹出如 图1 3-15所示得对话：1框，在“Lab2”列表中选择“ A11 DOF,单 击“Apply”按钮; 再次弹出拾取窗口，拾取关键点2,单击“OK”按钮,再次弹出如图1315所示得对话框， 在“Lab 2”列表中选择“ UY”、“UZ”,单击“O K”按钮。图1 3 -15施加约束对话框13、3、11施加载荷拾取菜单 Main Me nuA Solutio n Def i n e Lo adsAA pply 一S true t u r a I For ee/ Mo nent - On Keyp o i nts,弹出拾取窗口

14、，拾取关键点2,单击“O K”按钮，弹出如 图13.16所示得对话框，选择“Lab”为“FX”,在“ VALU E文本框中输入2000,单击Apply asI Constant valueIf Constant value then:VALUE Force/moment valueOKApplyCancelHelp图13- 16施加载荷对话框 13。3。12打开预应力效果在如图13.17所示得ANSYS命令行中输入“ ps t res,on”,然后回车。巨航 £Xcrt FIpstiesj 请图13 17ANS YS命令行n alysis TypeA A nalysis该命令得菜单路

15、径为Mai nMen Sol utionOptio ns,如果该菜单项未显示在界面上，可以拾取菜单Ma in Men u - S o 1 u ti on-Unabrid ged M en u,以显示 Mai n Men u So lution 下得所有菜单项、13、3。13 求解拾取菜单 Main M e nu So I u ti on S olve Current L S 单击 “ Solve Cu rrent L 0adste p ”对话框中得按钮。当出现“ Solution i s do n e!”提示时，静应力分 析结束。从下一步开始进行模态分析。13、3。14指定分析类型拾取菜单 M

16、ai n Me nu Sol u t ion Ana lysis T yp e一 New A n alysis,弹出如图 1318所示得对话框，选择“T ype of Ana lysis”为“M odal”，单击“O K”按钮、ANTYPE Type of analysisStaticHarmonicTransient厂 SpectrumEigen BucklingSu bstructu ri ng/CN SHelpCancel图13- 18制定分析类型对话框13 .3、1 5指定分析选项拾取菜单 M i n Me n uSolutio nAna lys i s Type 一 An aly s

17、is Optio n s,弹出如图1 3-1 9所示得对话框，在“ No、of m o d e s to ex tra ct”文本 框中输入20,选择“ PSTRES为“YesL 单击“ OK”按钮，弹出“ Bio ck LanczosMethod”对话框，单击“ OK”按钮图1 3.19模态分析选项对话框13。3、16指定要扩展得模态数拾取菜单 M a i n M enu一 So lu t ion一L o a d St ep O pts 一 Expan s ionpa s s一 Sing 1 e Expa ndExpand modes,弹出如图13 20所示得对话框，在“ NMODE，文本框

18、中 输入2 0,单击”OK “按钮。13、3.17施加约束拾取菜单 M ain M e n uSo lu tionDefine Loa dsAppl y一 Structu ralDi s place ment OnKe ypo int s弹出拾取窗口，拾取关键点2,单击“ OK”按钮弹出如 图13 15所示得对话框,在“Lab 2”列表中选择“A 11 DOF”，单击“ OK按钮。13。3、1 8 求解拾取菜单 Mai n Me Solu t i onSolve Curre nt LS,单击“S olv e C urr e ntLoad Stm对话框中得“OK”按钮。当出现“S olution

19、 i s d one!”提示时，求解结束，即可 查瞧结果。13、3、1 9列表固有频率拾取菜单 M ain Men u一G ene r al Pos tpr oc Res ults Su mmary,弹 出如图 13 21所示得窗口，列表中显示了模型得前2 0阶频率，与表13-1相对照，可以瞧出结果虽然存在一定得误差，但与解析解就是基本符合得。查瞧完毕后，关闭窗口。图13 - 20扩展模型对话框A EETLISJ ommand115cFileOF DATA SETS ONRESULTS FILE71ME/TREOCUhllLfiTTUE1 2A3.142 253-142 5S.041 V11L

20、4566.045 7ES.436 758.437 1B10.16 IftL 0-19 126B.7IB 1260.7111510 : L121E10.113 1758.8141755 .015 20&4.2162S04.217 224S .4382248*419 2490.4262490.4LOAD STEP11111111111111111111SUBSTEP1234567S910111213141516 1?IS192912345.b791Uit121314151&17181?图13-21结果摘要以下过程用动画观察模型得各阶振型。13.3、 20从结果文件读结果取菜单 Ma

21、 i n Men u Gen eral Po stpr o c Read Results Fir s t Set、1 3.3.21用动画观察模型得一阶模态拾取菜单 Uti li ty Menu Pio t CtrlsAn i mateMod e Shape，弹出如图13-22所示得对话框，单击“OK”按钮。观察完毕，单击“Animat i on Controller”对话框 中得“Cl ose按钮。A AnirrateAnirration da:aNo. of frames tc create-hne dela> (seccnds' Linearr SnusoidalAcce &

22、quot;Zen TypeNodal Scluticn DataDisp y lypeCanedHdp I图1322模态动画对话框13.3、22观察其余各阶模态拾取菜单 M ai n Menu一G en eral Po stpr oc一R ead Res ul t 厂Nex t Se t,依次将其余各阶模态得结果读入，然后重复步骤13、3。21、第14例循环对称结构模态分析实例一转子得固有频率分析本例介绍了利用ANSYS寸循环对称结构进行模态分析得方法、步骤与过程。14 ° 1概述对于像直齿轮、涡轮、叶轮等具有循环对称性得结构，可以通过仅分析结构 得一个扇 区来计算整个结构得固有频率

23、与振型，这样可以极大地节省计算容量，提高计算效率。1 4o 1.1基本概念掌握ANSYS循环对称结构模态分析，必须了解一些基本概念、（1 ）基本扇区:基本扇区就是整个结构沿圆周得任意一个重复部分，整个结构可以被瞧做就是由基本扇区沿圆周重复若干次得到得、2）、节径（Nod a I D i am e ter）:节径指得就是结构得振型中贯穿整个结构得零位移线，如图1 4-1所示。图14 1节径(3)谐波指数(H ar m oni c In d e x):谐波指数等于振型中得节径数目，循环对称结构模态 分析按谐波指数来确定载荷步、14。1。2循环对称结构模态分析得步骤(1)建立基本扇区得几何模型。(2

24、)指定对称循环分析。指定对称循环分析就就是用CYC LIC命令初始化对称循环分析并生成相应 数据，该命 令可以自动检测得到对称循环得各种信息，如边缘组成、对称循环次数 及扇区角度等。(3 )划分单元。(4)施加约束，求解。在该步骤中，需要对分析类型、模态分析选项、扩展模态选项、对称循环选项进行设 置，施加位移约束，进行求解、(5)查瞧结果、为了查瞧整个结构得结果，需要先执行/CYCEXPAVD命令，将基本 扇区扩展成一个360。得模型。14。2问题描述形状对称循环得刚性转子尺寸如图14-2所示，已知其内孔全约束，现对其进行模态分析、图142转子1 4.3分析步骤1 4 .3 o 1改变任务名拾

25、取菜单Ut ili ty Menu - Job name，弹出如图14-3所示得对话框，在 1/FILNAM”文本框中输入EXAMPLEI 4,单击“ 0K”按钮。图14-3改变任务名对话框14、3.2选择单元类型拾取菜单 Ma in Me n uPreproce ss orE le men t T ype一Ad d/Ed it /Delet e，弹出如图14- 4所示得对话框，单击“A dd”按钮，弹出如图145所示得对话框，在左侧列表中选“ Struct ur al Sh ell ，在右侧列表中选“ 3D 4node 181”，单击“OK”按钮,最后单击如图14-4所示对话橙珅得“ Clo

26、se”按钮A Element Types图14 4单元类型对话框图14 5单元类型库对话框14、3、3定义村料模型拾取菜单 Ma in Menu P rep r oce sso r-Ma te r i al Prop s一M at er i alModels,弹出如图14-6量所示得对话框，在右侧列表中依次拾取“ Structur a I”、“Linear"、“Elastic"、，'Iso tropic”,弹出如图 14-7 所示得对话框，在 “EX”文本框中输入2e1l （弹性模量），在“ PRXY文本框中输入0.3 （泊松比），单 击“O K”按钮;再拾取右侧列

27、表中“ Structural” ,下得“D en si ty ”，项，弹出 如图14-8所示得对话框，在“DENS”文本框中输入78 0 0 （密度），单击“O K'l按钮。然后关闭如图146所示得对话框。图14.6材料模型对话框图1 4 7材料特性对话框图14-8定义密度对话框1 4、3、4定义壳截面拾取菜单 Main Menu Prepro cesso rSection s ShelRLayAupAdd/Edit,弹出如图14 9所示得对话框，在“Thicknes£文本框中输入0、005 （壳厚度），单击“OK”按钮。图14-9创建壳截面14.3。5显示面号拾取菜单 Ut

28、ility MenuPlotCtr IsNumbering,弹出如图 14-10 所 示得对话框 将Are a Numbers （面号）打开，单击“ OK按钮、图1410图号控制对话框1 4（）3、6创建1）形面拾取菜单 M ain M enu Prepr ocessou M o deli ng CreateA A r easA Circle一 Partia 1 Ann ul us,弹出如图14-1 1所示得对话框,在“WP X”、“WP Y”“Rad 1 "、“Theta -1 ” “Rad -2"、“Theta2” 文本框中分别输入 0 ,0,0 .2,1 8,0 &g

29、t;0 5,18,单击“Ap pl y”按钮;再次弹出如图1 4-11所示得对话框，在“ WP X“、"WP Y"、“Rad-1 ” 文本框中分别输入 0、09,0,0。01，单击 “A pp 1 y"按钮;再次弹出如图141 1所示得对话框，在“WPX”、“WPY” “Rad1”文 本 框中分别输入0、1 4266,0、046 3 5,0、02单击“ Apply”按钮;再次弹出如图 1411所示得对话框，在“WPX”、“WPY”、“Rad-1”文本框中分别输入0。1 4 26600 04635,0、0 2,单击 “OK”按钮。14、3。7作布尔减运算，形成基本扇

30、区拾取菜单 Ma in M e nuPreprocesso M od e li n g一 Oper ate Boolea ns Sub tract Area s,弹出拾取窗口，拾取面1 （扇形面），单击“OK”按钮;再次弹出拾取窗口，单击“ PickAU”按钮1 4 o 3.8指定对称循环分析拾取菜单 Main Men u Pre processor Modeling Cy clic S e c tor Cyclic Model - Au to Defined,弹出如图14-12所示得对话框,单击“ OK”按钮。图1 4 11创建圆形面对话框图1412自动定义循环扇区对话框14、3.9划分单元

31、拾取菜单 M a in MenuPre pr o cesso r Mesh in g Mb s hTool 弹出如图 14-13所示得对话框，本步骤操作均在此对话框下进行、选中“SmartSize”（智能），选择其下方滚动条得值为4 （智能尺寸级别）：单击 nS ize Co ntr ols区域中“ Globa C后面得“ Set”按钮弹出如图14- 14所示得对话 框,在“ SIZE文本框中输入0.005,单击“OK”按钮;再在“ Mesh”区 域，选择单 元形状为“Quad” （四边形），选择划分单元得方法为“Free”（自由），单击“Me sh”按钮弹出拾取窗口,拾取面5,单击“OK按钮

32、,最后关闭如图1 413所示得对话框。MeshToofElement Attributes:|Global三 Set I厂 S mart S izeJJSize Contiofe:GlobalAreai§LinesLayerKeyptsFine B CoarseSet Clear | SetIClearSetIClearICo|»|F.|SetIClearISet|ClearM* | A 嬴Shape: C Tri ® QUd g Free? Mapped r| ? w 4 .(fed jMeshDearRefine at | Elements jRefineOo

33、seHelplCIZl Clcbal ekwcnt sizes end d+isgns (applies on下to wuns 2edw lires)0G05|Slzfc tlerrcrt edge lengthrJlV No, of element drvisicns -一(used 0fly H een ent edge lergth, SIZE, ?s Nan* or zero,图14.1 4单元尺寸对话框14、3.10打开循环对称分析扩展选项拾取菜单 Uti 1 it y Me nu 一一 P I o tC trlsA Sty 1 eSymmetry Expa ns io nCyc I

34、 ic Expans ion,弹出如图1 415所示得对话框，选择下拉 列表框 “O PTI ON”为 “On”，单击 “OK”按钮。八 Cyclic Symmetry Analysis Expansion/CYCEXPAND Cyclic Analysis ExparrsionOPTION Expansion eptior3ICancal图14.15循环对称分析扩展对话框14.3 11重画图形拾取菜单 Utilit y Me nu一P lot Replo t、14、3 .12指定分析类型拾取菜单 Main Menu S ol uti onAn a 1 y s is Typ e New Ana

35、lysis弹出如图1416所示得对话框，选择“Type of A nalysis”为“Modal” ，单击OK”按钮ANTYPE Type of analysis'*' Static1 mmMB'»»BIAJModal jHarmonicTranstArrt厂 Spectrum 厂 Eigen EucklmA Su b Ktru ctu ri n g/C M SKCancelHe-Ip图141 6制定分析类型对话框14313指定分析选项拾取菜单 M a in Men u S o lu ti o nAn aly s is Type一 An a ly s

36、 is O pt i ons,弹出如图1417所示得对话框，在“ No、of mode s to ext r act ”文 本框中 输入5,单击“OK”按钮，随后弹出“ Bloc k Lan czos Method M对话 框单击“OK' 按钮。L'ODCPT -Flade ?Ktraction methcrcB ock .anczosReducedUn symmetricDampedQR DampedSjpernocfeNo, o: modes to extract(mijAt be speciFifd for ail methods except the Redliced

37、methodjh/XPANDExpard modm shapesNMOD- No of modes to expandElcalc Calculate fieriNoLUMP-M Use lu-nped m u乙 approx?PSTRES Ind prwtress effects?OKCancel图1 4 1 7模态分析选项对话框14.3。14指定要扩展得模态数拾取菜单 Ma in Me nuA Solutio n一Loa d Step O pts一 Exp an s io npaSL Si ng I e Ex pan d Ex pa nd m o des,弹出如图14-18所示得对话框，在

38、“NMODE”文本框中输入5,单击“OK”按钮、f"Expand ModesI MXPAMD Expand Modes NMCDE No.of modes to expand(FREQB.FREQE Freque-ntx rsnge-Elcale Calculate- elSEGNIF Significant Threshold-only valid for 耆 PRE and DDAWIGa n cel0.Q01Help图14 18扩展模态对话框14。3、15施加约束拾取菜单 M ain M e n u S olutio n De f i n e Loa d s App ly S

39、t r u ct ur aI Displaceme ntOn Li nes弹出拾取窗口，拾取线3 （步骤1 4、3、7所创建得基本扇区内孔），单击按钮，弹出如图14-1 9所示得对话框，在列表中选择“AIIDOF”单击“ OK按钮。图14 1 9在线上施加约束对话框 14、3. 1 6 求解拾取菜单 Mai n M e nu Soluti on- Solv e Current LS,单击 “ Solv eCurre nt Load St epM 对话框中得 “OK” 按钮。当出现 “ Sol u t i on i s don e!”提示时，求解结束，即可查瞧结果。A SET, LI ST CcrnmandENDEXOF PAIASETSONBESUtlTSPItESET TH IE/1 204.42212GB.73 2276.44 3718 ?5 4369.7£ 2A0.Si7