ansys-workbench動力學分析

1、,Ansys Workbench結(jié)構(gòu)動力學分析,4.1: 動力學緒論 第一節(jié) 動力學分析概述 第二節(jié) 動力學研究內(nèi)容第三節(jié) 動力學分析的類型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: 動力學緒論,第一節(jié) 動力學分析目的及定義,為什么要對結(jié)構(gòu)進行動力

2、學分析？,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—風載,土木建筑、地質(zhì)工程領域,交通運輸、航空航天領域,機械、機電領域,什么是結(jié)構(gòu)動力學？,定義：研究結(jié)構(gòu)在動力荷載作用下的動力反應。,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，作為強度設計的依據(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力動力系數(shù),,第二節(jié) 結(jié)構(gòu)動力學研究的內(nèi)容,第一類問題：反應分析（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。,快慢標準：,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,顯著標準：,動荷載：,問題：你知道有哪些動荷載？,第一章：結(jié)構(gòu)動力學基礎,（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）隨機荷載,荷載的幅值變化復雜、難以用解析函數(shù)解析表示的荷載。,風荷載,地震作用

5、,平均風,脈動風,2.動力學分析類型,（1）簡諧荷載,（2）一般周期荷載,（3）沖擊荷載,（4）隨機荷載,諧響應分析,,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，可進行靜力分析。 （3）載荷對結(jié)構(gòu)剛度的變化可忽略時，可進行線性分析。 （4）載荷引起結(jié)構(gòu)剛度的變化很顯著時，或應變

6、超過彈性范圍，或兩物體間存在接觸，必須進行非線性分析。,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)設計避免共振或以特定頻率進行振動（例如揚聲器）；使工程師可以認識到結(jié)構(gòu)對于不同類型的動力載荷是如何響應的。,建議： 在準備進行其它動力分析之前首先要進行,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,,系統(tǒng)在各個坐標上都將以第 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: 在這個練習，我們的目標是研究在一定的約束條件下如圖所示的機架的模態(tài)，得到其振動特性。,– 已知條件,機架是用結(jié)構(gòu)鋼制造。機架為一焊接件，并是一個連

10、續(xù)體（無接觸）。機架被設計用于支撐一臺設備，該設備在豎直方向上傳遞400N的力。,– 啟動界面,在“Analysis Systems”中選擇 “Modal”，導入模型；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: 在這個練習，我們的目標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。,有預應力的模態(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（預應力模態(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)，并導入幾何體。,– 前處理,（1）添加材料庫，將模型的材料設置為Stainless Steel(不銹鋼) （2）劃分網(wǎng)格，將Element Size設置為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,一階預拉應力振型,二階預拉應力振型,三階預拉應力振型,四階預拉應力振型,五階預拉應力振型,六

14、階預拉應力振型,六階模態(tài)總變形分析云圖,沒有預應力,前五階模態(tài)頻率,預應力為108N,討論：為什么會出現(xiàn)這樣的差異？,4.3: 諧響應分析,轉(zhuǎn)子機械損傷污染物堆積軸彎曲軸孔偏離中心,風扇機械損傷污染物堆積軸孔偏離中心,齒輪機械損傷軸孔偏離中心,第一節(jié) 諧響應分析的目的,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；其它多種導出量，例如應力和應變等。,什么是諧響應分析？,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)響應的技術(shù)。,第二節(jié) 諧響應分析術(shù)語,諧波激勵的下強迫運動,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、應仍然是諧波。 響應頻率等于激勵頻率。 振幅X與激勵的幅值A成比例。,相位差 表示響應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)響應逐漸衰減,穩(wěn)態(tài)振動的解穩(wěn)態(tài)解穩(wěn)態(tài)響應持續(xù)等幅振動,系統(tǒng)的瞬態(tài)響應：,系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應：,經(jīng)過充分長時間后，瞬態(tài)響應消失，只剩穩(wěn)態(tài)強迫振動 。,系統(tǒng)的全響應：,對連續(xù)體的通用運動 方程,諧響應分析的運動方程:,[F]矩陣和 {x}矩陣是簡諧的，頻率為 :,

17、機架被設計用于支撐一臺設備，該設備在豎直方向上傳遞400N的力，并以200Hz頻率運行。該設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)鋼的阻尼比率被認為是常數(shù)0.2。,第三節(jié) 諧分析步驟,實例 – 目標: 我們的目標是研究如圖所示的機架的諧響應。 在給定頻率的作用下，確定機架的頻率響應與應力、變形狀況。,– 已知條件,– 啟動諧響應分析界面,將諧響應分析模塊拖入模態(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進入諧響應分析環(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，設置阻尼比為0.02,（1）諧響應分析設置,（2）載荷施加及邊界,圓柱約束：復制模態(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°,-求解設置,添加結(jié)果工具條中的頻率響應、結(jié)構(gòu)總變形、結(jié)構(gòu)等效應力,-后處理,選擇安裝孔頂邊，設置方

19、向為Y方向，求解查看頻率響應結(jié)果,（1）頻率響應,（2）諧振頻率下的結(jié)構(gòu)總變形,從頻率響應結(jié)果得到響應頻率為148Hz，相位角為58.523°，此時結(jié)構(gòu)總變形響應如下：,（3）諧振頻率下的結(jié)構(gòu)等效應力,響應頻率148Hz，相位角59.097°下結(jié)構(gòu)等效應力響應如下：,（4）指定頻率時變形的相位響應,指定頻率為200Hz，可得輸出變形的相位為-50.622°,（5）指定頻率時等效應力及變形,指定頻率為200H