ansys-workbench動(dòng)力學(xué)分析

1、,Ansys Workbench結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析,4.1: 動(dòng)力學(xué)緒論 第一節(jié) 動(dòng)力學(xué)分析概述 第二節(jié) 動(dòng)力學(xué)研究?jī)?nèi)容第三節(jié) 動(dòng)力學(xué)分析的類型4.2: 模態(tài)分析 第一節(jié) 模態(tài)分析的含義第二節(jié) 結(jié)構(gòu)動(dòng)力運(yùn)動(dòng)方程第三節(jié) 模態(tài)分析步驟,4.3: 諧分析第一節(jié) 諧分析目的 第二節(jié) 術(shù)語和概念 第三節(jié) 諧分析步驟,主要內(nèi)容,4.1: 動(dòng)力學(xué)緒論,第一節(jié) 動(dòng)力學(xué)分析目的及定義,為什么要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力

2、學(xué)分析？,1940年7月1日通車,美國(guó)塔科曼懸索大橋,1940年11月7日倒塌—風(fēng)載,土木建筑、地質(zhì)工程領(lǐng)域,交通運(yùn)輸、航空航天領(lǐng)域,機(jī)械、機(jī)電領(lǐng)域,什么是結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)？,定義：研究結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載作用下的動(dòng)力反應(yīng)。,目的：動(dòng)力荷載作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形； 確定結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)規(guī)律。,安全性：確定結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載作用下可能產(chǎn)生的最大內(nèi)力，作為強(qiáng)度設(shè)計(jì)的依據(jù)；舒適度：滿足舒適度條件（位移、速度和加速度不超過規(guī)范的許可值)。,結(jié)構(gòu)動(dòng)力

3、體系,數(shù)值,動(dòng)位移加速度速度動(dòng)應(yīng)力動(dòng)力系數(shù),,第二節(jié) 結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究的內(nèi)容,第一類問題：反應(yīng)分析（結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算）,第二類問題：參數(shù)（或稱系統(tǒng)）識(shí)別,,,第三類問題：荷載識(shí)別,第四類問題：控制問題,,,第三節(jié) 動(dòng)力學(xué)分析類型,1.動(dòng)荷載,大小、方向和作用點(diǎn)不隨時(shí)間變化或變化很緩慢的荷載。如：結(jié)構(gòu)的自重、雪荷載等。,靜荷載：,大小、方向或作用點(diǎn)隨時(shí)間變化很快的荷載。,是否會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著的加速度。,快慢標(biāo)準(zhǔn)：,質(zhì)量運(yùn)動(dòng)加速度所引起的

4、慣性力與荷載相比是否可以忽略,顯著標(biāo)準(zhǔn)：,動(dòng)荷載：,問題：你知道有哪些動(dòng)荷載？,第一章：結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ),（1）簡(jiǎn)諧荷載,荷載隨時(shí)間周期性變化，并可以用簡(jiǎn)諧函數(shù)來表示。,,荷載隨時(shí)間作周期性變化，是時(shí)間t的周期函數(shù)，但不能簡(jiǎn)單地用簡(jiǎn)諧函數(shù)來表示。,（2）一般周期荷載,,（3）沖擊荷載,荷載的幅值(大小)在很短時(shí)間內(nèi)急劇增大或急劇減小。,沖擊荷載,突加荷載,（4）隨機(jī)荷載,荷載的幅值變化復(fù)雜、難以用解析函數(shù)解析表示的荷載。,風(fēng)荷載,地震作用

5、,平均風(fēng),脈動(dòng)風(fēng),2.動(dòng)力學(xué)分析類型,（1）簡(jiǎn)諧荷載,（2）一般周期荷載,（3）沖擊荷載,（4）隨機(jī)荷載,諧響應(yīng)分析,,瞬態(tài)分析,,譜分析,,模態(tài)分析,,,諧波分析,3.分析類型的選擇原則,（1）如果在相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)載荷是一個(gè)常數(shù)，可選擇靜力分析，否則為動(dòng)態(tài)分析。 （2）如果動(dòng)荷載頻率小于結(jié)構(gòu)最低階固有頻率的1/3，可進(jìn)行靜力分析。 （3）載荷對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的變化可忽略時(shí)，可進(jìn)行線性分析。 （4）載荷引起結(jié)構(gòu)剛度的變化很顯著時(shí)，或應(yīng)變

6、超過彈性范圍，或兩物體間存在接觸，必須進(jìn)行非線性分析。,4.2: 模態(tài)分析,第一節(jié) 模態(tài)分析的含義,模態(tài)分析是用來確定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性（固有頻率和振型）的一種技術(shù)。,什么是模態(tài)分析?,模態(tài)分析的好處：使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)避免共振或以特定頻率進(jìn)行振動(dòng)（例如揚(yáng)聲器）；使工程師可以認(rèn)識(shí)到結(jié)構(gòu)對(duì)于不同類型的動(dòng)力載荷是如何響應(yīng)的。,建議： 在準(zhǔn)備進(jìn)行其它動(dòng)力分析之前首先要進(jìn)行,第二節(jié) 結(jié)構(gòu)動(dòng)力運(yùn)動(dòng)方程,1.單自由度無阻尼線性系統(tǒng),Newton第二定律,

7、系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程,令,，則方程變?yōu)?無阻尼自由振動(dòng)解的形式為：,其中A與 由初始條件決定,A為系統(tǒng)的響應(yīng)的振幅，,為系統(tǒng)的初相位,為系統(tǒng)的固有頻率，Hz,為系統(tǒng)的固有圓頻率，弧度/秒,為系統(tǒng)的周期，s,,2.二自由度無阻尼線性系統(tǒng),對(duì)質(zhì)量塊m1、 m2受力分析，由Newton第二定律得,方程組用矩陣表達(dá)為：,通用表示為：,其中：,表示質(zhì)量矩陣,表示剛度矩陣,表示加速度向量,表示位移向量,設(shè)方程的解為：,將上式代入微分方程得：,,上

8、述方程可求得兩個(gè)根,A1、 A2 不全為0，則：,特征方程,對(duì)于,可求得,, 對(duì)于,可求得,系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程：,方程解為：,代入振動(dòng)方程：,特征方程,3.多自由度無阻尼線性系統(tǒng),即：,頻率方程或特征多項(xiàng)式,解出 n 個(gè)值，按升序排列為：,：第 i 階固有頻率,：基頻。,僅取決于系統(tǒng)本身的剛度、質(zhì)量等物理參數(shù)。,將每一個(gè) 代入方程,可得到非零向量,4.連續(xù)性線性系統(tǒng),可有無數(shù)個(gè)自由度 ，對(duì)應(yīng)于無數(shù)個(gè)模態(tài)頻率與模態(tài)振型。,特征

9、值,（模態(tài)頻率）,特征向量,（模態(tài)向量）,振動(dòng)的形狀,n 自由度系統(tǒng)：,一一對(duì)應(yīng),,系統(tǒng)在各個(gè)坐標(biāo)上都將以第 i 階模態(tài)頻率 做簡(jiǎn)諧振動(dòng)，并且同時(shí)通過靜平衡位置。,描述了系統(tǒng)做第 i 階主振動(dòng)時(shí)具有的振動(dòng)形態(tài)，稱為第 i 階主振型，或第 i 階模態(tài)。,第三節(jié) 模態(tài)分析步驟,實(shí)例 – 目標(biāo): 在這個(gè)練習(xí)，我們的目標(biāo)是研究在一定的約束條件下如圖所示的機(jī)架的模態(tài)，得到其振動(dòng)特性。,– 已知條件,機(jī)架是用結(jié)構(gòu)鋼制造。機(jī)架為一焊接件，并是一個(gè)連

10、續(xù)體（無接觸）。機(jī)架被設(shè)計(jì)用于支撐一臺(tái)設(shè)備，該設(shè)備在豎直方向上傳遞400N的力。,– 啟動(dòng)界面,在“Analysis Systems”中選擇 “Modal”，導(dǎo)入模型；雙擊“Geometry”打開。,（1）添加材料庫：根據(jù)實(shí)際需求選擇或添加所需材料，添加材料時(shí)需定義材料密度、泊松比、楊氏模量等。,– 前處理,（2） 添加材料,（3）網(wǎng)格劃分,整體單元控制：?jiǎn)卧叽鐬?0mm局部單元控制：兩根角鋼上的四個(gè)圓孔控制劃分邊長(zhǎng)為10單元,（

11、4）施加載荷約束,選擇8個(gè)圓柱面，添加圓柱約束，徑向固定，軸向固定，切向自由,8 faces,,,,,,– 求解及后處理,一階模態(tài),三階模態(tài),二階模態(tài),四階模態(tài),六階模態(tài),五階模態(tài),實(shí)例 – 目標(biāo): 在這個(gè)練習(xí)，我們的目標(biāo)是研究受拉力的懸臂梁（如下圖所示）的模態(tài)，得到其振動(dòng)特性。,有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析,,單位：mm,– 已知條件,懸臂梁材料為不銹鋼。所受拉力F=108N,,– 建立項(xiàng)目,雙擊主界面Toolbox中的Custom Syst

12、em Pre-Stress Modal（預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析），同時(shí)創(chuàng)建分析項(xiàng)目A(靜力分析)及項(xiàng)目B(模態(tài)分析)，并導(dǎo)入幾何體。,– 前處理,（1）添加材料庫，將模型的材料設(shè)置為Stainless Steel(不銹鋼) （2）劃分網(wǎng)格，將Element Size設(shè)置為100mm,（3）施加載荷與約束,為模型的端面添加固定約束，并施加力載荷（Force），大小為108N,,,– 模態(tài)分析,在outline中的Modal選項(xiàng)中右擊

13、，在彈出的快捷菜單中選擇Solve命令，進(jìn)行求解,– 后處理,在outline中的Solution選項(xiàng)中右擊，在彈出的快捷菜單中選擇Equivalent All Results 命令，進(jìn)行求解,在outline中的Solution中選擇Total Deformation(總變形)，會(huì)顯示一階模態(tài)總變形分析云圖，下圖為模型的六階模態(tài)總變形分析云圖,一階預(yù)拉應(yīng)力振型,二階預(yù)拉應(yīng)力振型,三階預(yù)拉應(yīng)力振型,四階預(yù)拉應(yīng)力振型,五階預(yù)拉應(yīng)力振型,六

14、階預(yù)拉應(yīng)力振型,六階模態(tài)總變形分析云圖,沒有預(yù)應(yīng)力,前五階模態(tài)頻率,預(yù)應(yīng)力為108N,討論：為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的差異？,4.3: 諧響應(yīng)分析,轉(zhuǎn)子機(jī)械損傷污染物堆積軸彎曲軸孔偏離中心,風(fēng)扇機(jī)械損傷污染物堆積軸孔偏離中心,齒輪機(jī)械損傷軸孔偏離中心,第一節(jié) 諧響應(yīng)分析的目的,簡(jiǎn)諧激勵(lì),輸入：已知大小和頻率的諧波載荷（力、壓力和強(qiáng)迫位移）；同一頻率的多種載荷，可以是同相或不同相的。輸出：每一個(gè)自由度上的諧位移，通常和施

15、加的載荷不同相；其它多種導(dǎo)出量，例如應(yīng)力和應(yīng)變等。,什么是諧響應(yīng)分析？,確定一個(gè)結(jié)構(gòu)在已知頻率的正弦（簡(jiǎn)諧）載荷作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)的技術(shù)。,第二節(jié) 諧響應(yīng)分析術(shù)語,諧波激勵(lì)的下強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng),其中,外力幅值,外力的激勵(lì)頻率,振動(dòng)微分方程：,受力分析：,,為諧波激勵(lì)力,將上式兩端同除以質(zhì)量 ：,運(yùn)動(dòng)微分方程：,令：,得：,式中： 為阻尼比,設(shè)其解為：,代入原方程，可得：,分析上式可得出如下的結(jié)論： 單自由度線性系統(tǒng)在諧波激勵(lì)下的響

16、應(yīng)仍然是諧波。 響應(yīng)頻率等于激勵(lì)頻率。 振幅X與激勵(lì)的幅值A(chǔ)成比例。,相位差 表示響應(yīng)滯后于激勵(lì)的相位角。,系統(tǒng)的全解為：,,,有阻尼自由振動(dòng)的解瞬態(tài)解瞬態(tài)響應(yīng)逐漸衰減,穩(wěn)態(tài)振動(dòng)的解穩(wěn)態(tài)解穩(wěn)態(tài)響應(yīng)持續(xù)等幅振動(dòng),系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)：,系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)：,經(jīng)過充分長(zhǎng)時(shí)間后，瞬態(tài)響應(yīng)消失，只剩穩(wěn)態(tài)強(qiáng)迫振動(dòng) 。,系統(tǒng)的全響應(yīng)：,對(duì)連續(xù)體的通用運(yùn)動(dòng) 方程,諧響應(yīng)分析的運(yùn)動(dòng)方程:,[F]矩陣和 {x}矩陣是簡(jiǎn)諧的，頻率為 :,

17、機(jī)架被設(shè)計(jì)用于支撐一臺(tái)設(shè)備，該設(shè)備在豎直方向上傳遞400N的力，并以200Hz頻率運(yùn)行。該設(shè)備被連接在與其它相互作用60度相位差的兩個(gè)不同位置上。結(jié)構(gòu)鋼的阻尼比率被認(rèn)為是常數(shù)0.2。,第三節(jié) 諧分析步驟,實(shí)例 – 目標(biāo): 我們的目標(biāo)是研究如圖所示的機(jī)架的諧響應(yīng)。 在給定頻率的作用下，確定機(jī)架的頻率響應(yīng)與應(yīng)力、變形狀況。,– 已知條件,– 啟動(dòng)諧響應(yīng)分析界面,將諧響應(yīng)分析模塊拖入模態(tài)分析實(shí)例1的項(xiàng)目流程圖的模態(tài)分析Model單元格上，共

18、用模態(tài)分析數(shù)據(jù)，雙擊Step進(jìn)入諧響應(yīng)分析環(huán)境。,-前處理,指定頻率范圍最大值為300Hz，取150個(gè)頻率點(diǎn)結(jié)果，設(shè)置阻尼比為0.02,（1）諧響應(yīng)分析設(shè)置,（2）載荷施加及邊界,圓柱約束：復(fù)制模態(tài)分析中的圓柱約束載荷施加：每根角鋼上的兩個(gè)圓柱孔作為一個(gè)對(duì)象，各施加載荷400N， 中間角鋼的相位角為60°,-求解設(shè)置,添加結(jié)果工具條中的頻率響應(yīng)、結(jié)構(gòu)總變形、結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力,-后處理,選擇安裝孔頂邊，設(shè)置方

19、向?yàn)閅方向，求解查看頻率響應(yīng)結(jié)果,（1）頻率響應(yīng),（2）諧振頻率下的結(jié)構(gòu)總變形,從頻率響應(yīng)結(jié)果得到響應(yīng)頻率為148Hz，相位角為58.523°，此時(shí)結(jié)構(gòu)總變形響應(yīng)如下：,（3）諧振頻率下的結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力,響應(yīng)頻率148Hz，相位角59.097°下結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力響應(yīng)如下：,（4）指定頻率時(shí)變形的相位響應(yīng),指定頻率為200Hz，可得輸出變形的相位為-50.622°,（5）指定頻率時(shí)等效應(yīng)力及變形,指定頻率為200H