2023年全國碩士研究生考試考研英語一試題真題(含答案詳解+作文范文)_第1頁
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文檔簡介

1、,Ansys Workbench結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析,4.1: 動力學(xué)緒論 第一節(jié) 動力學(xué)分析概述 第二節(jié) 動力學(xué)研究內(nèi)容第三節(jié) 動力學(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)動力運動方程第三節(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: 動力學(xué)緒論,第一節(jié) 動力學(xué)分析目的及定義,為什么要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力

2、學(xué)分析?,1940年7月1日通車,美國塔科曼懸索大橋,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)動力學(xué)?,定義:研究結(jié)構(gòu)在動力荷載作用下的動力反應(yīng)。,目的:動力荷載作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形; 確定結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)規(guī)律。,安全性:確定結(jié)構(gòu)在動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)動力

3、體系,數(shù)值,動位移加速度速度動應(yīng)力動力系數(shù),,第二節(jié) 結(jié)構(gòu)動力學(xué)研究的內(nèi)容,第一類問題:反應(yīng)分析(結(jié)構(gòu)動力計算),第二類問題:參數(shù)(或稱系統(tǒng))識別,,,第三類問題:荷載識別,第四類問題:控制問題,,,第三節(jié) 動力學(xué)分析類型,1.動荷載,大小、方向和作用點不隨時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、方向或作用點隨時間變化很快的荷載。,是否會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著的加速度。,快慢標(biāo)準(zhǔn):,質(zhì)量運動加速度所引起的

4、慣性力與荷載相比是否可以忽略,顯著標(biāo)準(zhǔn):,動荷載:,問題:你知道有哪些動荷載?,第一章:結(jié)構(gòu)動力學(xué)基礎(chǔ),(1)簡諧荷載,荷載隨時間周期性變化,并可以用簡諧函數(shù)來表示。,,荷載隨時間作周期性變化,是時間t的周期函數(shù),但不能簡單地用簡諧函數(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),脈動風(fēng),2.動力學(xué)分析類型,(1)簡諧荷載,(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)如果在相對較長時間內(nèi)載荷是一個常數(shù),可選擇靜力分析,否則為動態(tài)分析。 (2)如果動荷載頻率小于結(jié)構(gòu)最低階固有頻率的1/3,可進(jìn)行靜力分析。 (3)載荷對結(jié)構(gòu)剛度的變化可忽略時,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,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)計避免共振或以特定頻率進(jìn)行振動(例如揚(yáng)聲器);使工程師可以認(rèn)識到結(jié)構(gòu)對于不同類型的動力載荷是如何響應(yīng)的。,建議: 在準(zhǔn)備進(jìn)行其它動力分析之前首先要進(jìn)行,第二節(jié) 結(jié)構(gòu)動力運動方程,1.單自由度無阻尼線性系統(tǒng),Newton第二定律,

7、系統(tǒng)的運動方程,令,,則方程變?yōu)?無阻尼自由振動解的形式為:,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、述方程可求得兩個根,A1、 A2 不全為0,則:,特征方程,對于,可求得,, 對于,可求得,系統(tǒng)運動方程:,方程解為:,代入振動方程:,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式,解出 n 個值,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 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)個自由度 ,對應(yīng)于無數(shù)個模態(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),振動的形狀,n 自由度系統(tǒng):,一一對應(yīng),,系統(tǒng)在各個坐標(biāo)上都將以第 i 階模態(tài)頻率 做簡諧振動,并且同時通過靜平衡位置。,描述了系統(tǒng)做第 i 階主振動時具有的振動形態(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,實例 – 目標(biāo): 在這個練習(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,并是一個連

10、續(xù)體(無接觸)。機(jī)架被設(shè)計用于支撐一臺設(shè)備,該設(shè)備在豎直方向上傳遞400N的力。,– 啟動界面,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)實際需求選擇或添加所需材料,添加材料時需定義材料密度、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:單元尺寸為10mm局部單元控制:兩根角鋼上的四個圓孔控制劃分邊長為10單元,(

11、4)施加載荷約束,選擇8個圓柱面,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),實例 – 目標(biāo): 在這個練習(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),同時創(chuàng)建分析項目A(靜力分析)及項目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,簡諧激勵,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?,確定一個結(jié)構(gòu)在已知頻率的正弦(簡諧)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,諧波激勵的下強(qiáng)迫運動,其中,外力幅值,外力的激勵頻率,振動微分方程:,受力分析:,,為諧波激勵力,將上式兩端同除以質(zhì)量 :,運動微分方程:,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)在諧波激勵下的響

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

17、機(jī)架被設(shè)計用于支撐一臺設(shè)備,該設(shè)備在豎直方向上傳遞400N的力,并以200Hz頻率運行。該設(shè)備被連接在與其它相互作用60度相位差的兩個不同位置上。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)分析實例1的項目流程圖的模態(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個頻率點結(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:每根角鋼上的兩個圓柱孔作為一個對象,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、向為Y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)指定頻率時等效應(yīng)力及變形,指定頻率為200H

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