第09章有预应力作用结构的模态分析实例Word格式文档下载.docx

1、按钮，完成对标题名的指定。7.选取菜单路径Utility Menu Plot Replot，指定的标题“modal analysis of a turbo-disk ”将显示在图形窗口的左下角，如图9.4所示。图9.4 显示指定的标题8.选取菜单路径Main Menu Preference，将弹出菜单过滤参数选择（Preference of GUI Filtering）对话框，如图9.5所示。图9.5 菜单过滤参数选择（Preference of GUI Filtering）对话框9.单击对话框中的Structural（结构）选择按钮，选中Structural选项，以便ANSYS6.1的主菜单

2、设置为与结构分析相对应的菜单选项。10.单击按钮，完成分析范畴的指定。9.2.2 定义单元类型在进行有限元分析时，首先应根据分析问题的几何结构，分析类型和所分析的问题的精度要求等，选定适合分析实例的有限元单元。本实例将选用结构实体单元来分析，具体操作如下：1.选取菜单路径Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete，将弹出单元类型定义（Element Types）对话框，如图9.6所示。图9.6 单元类型定义（Element Types）对话框2.单击按钮，将弹出单元类型库（Library of Element Types）对话框,如图

3、9.7所示。图9.7 单元类型库（Library of Element Types）对话框3.在左边的滚动框中单击“Structural Solid”，选择结构实体单元类型。4.在右边的滚动框中单击“Quad 4node 42”选择4节点平面单元PLANE42。5.单击按钮，添加PLANE42为1号单元。6.在右边的滚动框中单击“Quad 8node 45”选择8节点六面体单元SOLID45。7.单击按钮，添加六面体单元SOLID45为2号单元，并关闭单元类型库（Library of Element Types）对话框。8.单击单元类型定义（Element Types）对话框中的Close按钮

4、，关闭单元类型定义（Element Types）对话框，完成单元类型的定义。本实例共定义两种单元类型：PLANE42、 SOLID45（见图9.8）。图9.8 定义的单元类型9.2.3 定义材料性能本算例中共用了一种材料不锈钢，其性能参数在前面已经给出。由于要进行的是考虑离心力引起的预应力作用下的轮盘的模态分析，材料的弹性模量EX，和密度DENS必须定义。具体的操作如下： Preprocessor Material Props Material Models，将弹出材料模型定义（Define Material Model Behavior）对话框，如图9.9所示。图9.9 材料模型定义（Def

5、ine Material Model Behavior）对话框2.依次双击Structural Linear Elastic Isotropic，将弹出1号材料的弹性模量EX和泊松比PRXY的定义对话框，如图9.10所示。图9.10 线性各向同性材料定义对话框3.在图9.10的EX文本框中输入2.1E5，PRXY文本框中输入0.3。定义材料的弹性模量为2.1E5Mp，泊松比为0.3。4.在图9.10所示的线性各向同性材料定义对话框中单击按钮，关闭对话框。5.接着双击Density（见图9.12），弹出1号材料密度定义（Density for Material Number 1）对话框，如图9.

6、11所示。图9.11 1号材料密度定义（Density for Material Number 1）对话框6.在DENS文本框中输入7.8E-9，设定1号材料密度为7.8E-9Tn/mm3。按钮，完成密度定义。8.在材料模型定义（Define Material Model Behavior）对话框中，选取路径Material Exit（见图9.12），完成对材料模型的定义。图9.13 Rectangle by 2 Corners对话框图9.12材料模型定义（Define Material Model Behavior）对话框9.2.4 建立轮盘截面几何模型对于本实例的模型建立，首先需要建立轮盘

7、的截面几何模型，然后对其进行有限元网格划分，最后通过截面的有限元网格扫掠出整个轮盘的有限元模型，所以下面先建立轮盘截面的几何模型，具体的操作过程如下。9.2.4.1创建矩形面根据轮盘截面的几何形状，可以先建立两个矩形面来作为部分截面模型。具体的操作如下。1.选取路径Main Menu Modeling Create Rectangle By 2 Corners，弹出通过指定两个对角来创建矩形（Rectangle by 2 Corners）对话框，如图9.13所示。2.在弹出的对话框中，输入矩形的两个对角位置：WP X=-15WP Y=15Width30Height25注：其中WP X，WP Y

8、为矩形左下角在工作平面内的坐标，Width，Height为矩形的宽和高。3单击按钮，在图形窗口将显示创建的第一个矩形，如图9.14所示。图9.14 创建的第一个面4接着，在通过指定两个对角来创建矩形（Rectangle by 2 Corners）对话框，输入第二个矩形的两个对角位置：WP X=-10，WP Y=140，Width20，Height10。然后单击按钮，关闭创建矩形对话框。这时，将在图形输出窗口中出现创建的第二个矩形面，如图9.15所示。图9.15 创建的两个矩形面9.2.4.1 创建关键点和不规则面可以通过ANSYS6.1提供的由关键点创建不规则面的工具，可以很方便地建立轮盘截面

9、中其余部分的面，具体的操作如下。Keypoints In Active CS，将弹出根据坐标创建关键点（Create Keypoints in Active Coordinate System）对话框,如图9.16所示。图9.16 Create Keypoints in Active Coordinate System对话框2.在对话框中，输入关键点号（Keypoint number）为9，X,Y,Z位置分别为-4，55，0。可用Tab键在输入区之间移动。按钮，完成关键点9的定义。4.对下面的关键点及X,Y,Z位置重复这一过程：关键点10：4，55，0关键点11：-3，140，0关键点12：3

10、，140，0输入完最后一个关键点后，单击按钮。图形输出窗口将显示刚创建的各个关键点，如图9.17所示。图9.17 创建关键点5.选取路径Utility Menu PlotCtrls Numbering，将弹出序号显示控制（Plot Numbering Controls）对话框，如图9.18所示。图9.18 序号显示控制（Plot Numbering Controls）对话框6.将关键点序号（Keypoint numbers）和面序号（Area numbers）打开，设置为ON。按钮，对新的设置进行确认。在图形输出窗口中将显示已创建关键点和面的序号，如图9.19所示。图9.19 关键点和面的序号

11、8.通过关键点来创建面，选取路径Main Menu Arbitrary Through KPs，将弹出通过关键点来创建面（Create Area thru KPs）拾取对话框。9.在图形输出窗口中依次拾取关键点4，9，11，12，10，3，单击OK按钮，关闭对话框。ANSYS将会通过各个关键点创建一个由关键点依次连线围成的面A3，如图9.20所示。图9.20 通过关键点创建面A39.2.4.1 对已创建的面倒圆角对于轮盘截面圆心出的两个圆角，在ANSYS6.1中可以通过如下的操作来完成。图9.22 Pan-Zoom-Rotate菜单1.对需要倒圆角的面的边进行倒圆角。选取路径Main Menu

12、 Line Line Fillet，将弹出Line Fillet拾取对话框。从图形输出窗口中拾取线L1，L2，然后，单击拾取对话框中的Apply按钮。将弹出倒圆角（Line Fillet）对话框，如图9.21所示。图9.21 倒圆角（Line Fillet）对话框2.在对话框中输入圆角半径（Fillet radius）为5。3.单击对话框中的按钮，创建线L1，L2的圆角。4.重复上面过程，创建线L1，L4之间的半径为5的圆角。（单击对话框中的按钮，关闭对话框）5.对需要操作的部分进行放大，以便能够方便地拾取对象。选取路径Utility Menu Pan-Zoom-Rotate，将弹出平移、缩放

13、和旋转（Pan-Zoom-Rotate）菜单，如图9.22所示。6.在菜单中单击Box Zoom按钮，然后在图形输出窗口中选取需要放大的部分（按住鼠标左键，在窗口中移动，选择框中的部分将被放大到整个窗口）。放大后的图形如图9.23所示。图9.23 放大后的图形7.用创建的圆角线，将面A1的割开成三个面。Operate Divide Area by Line，将弹出用线分割面（Area by Line）菜单，从图形窗口中选择面A1，单击菜单中的然后，再从图形输出窗口中选取线L14和L17，单击OK按钮，面A1将被分割成A4、A5和A6三个面，如图9.24所示。图9.24 分割后的面8.删除面A4

14、和A5。Delete Area and Below，将弹出删除面以及面包含的所有对象（Delete Aera and Below）菜单，从图形窗口中选取面A4和A5，单击菜单中的按钮，面面A4和A5以及其所包含的线、关键点都被删除。如图9.25所示。图9.25 分割后的面9.2.4.1 合并所有的面前面建立的三个面最后需要合并成一个封闭的面，在ANSYS6.1可以非常方便的实现这一目的，具体的操作如下。1.单击平移、缩放和旋转（Pan-Zoom-Rotate）菜单中的按钮，将所创建的三个面都显示在图形窗口中。2.将已创建的三个面合并成为一个面。Add Areas，将弹出Add Area拾取菜单

15、，从图形输出窗口选取面A2 、A3和A6，单击按钮，所创建的三个面将被合并为一个面（单击对话框中的按钮）。3. 给创建的关键点、直线和平面重新排序。由于在操作过程中有些关键点、直线和面被删除，它们原来所用的序号将被空置，而现存关键点、直线和面的序号则很没有规律，为此，ANSYS6.1专门提供了给所有图形、有限元元素重新排序的功能。执行该操作，程序将对现存的元素从指定的起始序号开始重新排序。选择菜单Main Menu Numbering Ctrls Compress Numbers，将弹出序号压缩对话框，如图9.26所示。图9.26 序号压缩（Compress Number）对话框4.在压缩选项

16、（Label Item to be xompressed）下拉框中选取All。按钮，对所有已创建的关键点、直线和平面进行重新排序。至此，创建几何模型的全部工作完毕，最后的几何模型如图9.27所示。图9.28 MeshTool菜单图9.27 创建完的几何模型本实例的平面几何模型还有另外一种方法来创建，就是不用创建两个矩形面，而是全部通过创建关键点的方法来实现。先在工作平面内依次创建12个关键点，然后通过创建的关键点来创建平面，最后对圆角处进行同样的处理，边可以得到需要的几何模型。具体操作请读者自己完成。下面列出所有12个关键点的坐标： （-15,15）、 （-15,40） 、 （-4,55） 、

17、（-3,140） 、（-10,140） 、（-10,150） 、（10,150） 、（10,140） 、（3,140） 、（4,55） 、（15,40） 和（15,25）。9.2.5 对轮盘截面进行有限元分网建立好轮盘的几何模型之后，就需要根据具体的几何形面和分析要求，对其进行网格划分，尽量使划分的网格的粗细能够既满足分析的精度，又不至使模型太大，占用太多的计算机资源和求解时间。对于轮盘截面的网格划分具体过程如下。1.打开分网工具菜单。Meshing MeshTool，将弹出ANSYS6.1的网格划分工具菜单，如图9.28所示。2.对全局进行设置。单击尺寸控制区（Size Controls）全

18、局设置项（Global）的Set按钮，将弹出单元尺寸全局设置（Global Element Sizes）对话框，如图9.29所示。图9.29 单元尺寸全局设置（Global Element Sizes）对话框3.在对话框中输入单元边长度（Element edge Length）为6.7。4.单击对话框按钮，关闭对话框，完成单元尺寸的设置。5.单击尺寸控制区（Size Controls）线设置项（Lines）的按钮，将弹出在所选线上定义单元尺寸（Element Size on Picked Lines）的拾取菜单。6.选择需要定义单元尺寸的线。用鼠标左键在图形输出窗口中拾取圆角对应的线L11和L

19、14。7.单击对话框中的按钮，将弹出在所选线上定义单元尺寸（Element Size on Picked Lines）对话框，如图9.30所示。图9.30 Element Size on Picked Lines对话框8.在对话框中输入每条线将要分成的单元数（No. of element divisions ）为1，设定圆角处对应的线只分一个单元。（由于是模态分析，只要能反应出需要知道的前几阶模态就行，而不需要知道具体的应力值，所以不需要对此处进行单元细化。）9.单击对话框中按钮，完成对线单元尺寸的设置。10.对分网进行控制。在分网控制区的Mesh下拉框中选定分网类型为面（Area），网格形状

20、（Shape）设置为四边形（Quad），分网方式设置为自由分网（Free）。11.对面进行分网。在分网工具（MeshTool）菜单中单击按钮，将弹出对面划分网格（Mesh Aeras）拾取对话框。从图形输出窗口中拾取创建的面，单击对话框中的ANSYS6.1程序将对选定的面按照设置的要求进行网格划分，划分结果如图9.31所示。图9.31 网格划分结果至此，完成了轮盘截面有限元模型的建立，下面将通过扫掠功能由截面扫掠出整个轮盘的有限元模型。9.2.6 旋转出整个轮盘的有限元模型可以通过ANSYS6.1中的将面绕轴扫掠成有限元实体模型的功能，将前面建立的轮盘截面有限元网格，围绕定义的旋转轴扫掠成整个

21、轮盘的实体有限元模型。具体的操作过程如下。1.定义旋转轴。可以通过定义旋转轴所在轴线上的两个关键点来，指定旋转轴的位置。In Active CS，将弹出根据坐标创建关键点（Create Keypoints in Active Coordinate System）对话框,如图9.32所示。2.在对话框中，缺省关键点号（Keypoint number），输入X,Y,Z位置分别为-10，0，0。在创建关键点时，如果关键点号（Keypoint number）空置，ANSYS将自动分配序号。如果想创建的关键点号依次递增，可先对序号进行重排序，然后对关键点进行列表显示（菜单路径为：Utility Menu

22、 List Keypoint Coordinates Only）。查看其当前最大序号值，然后在创建关键点时依次递增设置便可。4.同样的过程创建关键点：10，0，0。单击按钮，图形输出窗口将显示刚创建的关键点：15，16，如图9.33所示。图9.33 创建旋转轴上的关键点5.设置单元生成选项，选取路径：Main Menu Extrude Elem Ext Opts，将弹出单元挤出选项（Element Extrusion Options）对话框，如图9.34所示。图9.34 单元挤出选项（Element Extrusion Options）对话框6.在对话框中的单元类型序号（Element typ

23、e number）下拉框中选择2号单元SOLID45。7.单元尺寸选项去中的分割单元数设置为18，即在挤压出的每个体上将沿周向被分成18份。拉伸比例为0，保持等截面拉伸。8.将删除原始面（Clear area（s） after ext）设置为Yes，在挤压的单元完成之后将删除原来的面及其上的单元。9.单击按钮，完成对单元选项的设置。10.选取路径： Areas About Axis，将弹出绕轴扫掠面（Sweep Areas about Axis）的拾取对话框。从图形输出窗口中选择创建好的平面网格，单击拾取对话框中的然后从图形窗口中选取定义旋转轴的关键点：15、16，单击按钮，将弹出绕轴扫掠面（

24、Sweep Areas about Axis）的对话框，如图9.35所示。图9.35 绕轴扫掠面（Sweep Areas about Axis）的对话框11.在对话框中输入旋转角度为（Arc length in degrees）360，一周创建体的数目（No. of volume segments）为4，单击图9.36 由平面扫掠而成的体12.显示创建的网格形式。选取菜单：Pan-Zoom-Rotate，在弹出的平移缩放旋转菜单中单击按钮，改变视图的观察角度。Element，图形窗口中将会显示出由平面网格扫掠而成的实体单元网格情况，如图9.37所示。图9.37 创建的实体网格13.对完成的有限

25、元模型进行存盘，SAVE_DB。至此，完成了创建轮盘有限元模型的所有工作，下面将根据其工作条件设置有限元边条。9.3 定义边条并求解在完成了有限元几何模型的建立后，便可以定义轮盘的边界条件和求解分析选项，对轮盘进行考虑预应力影响的模态分析。对于本实例需要先进行有预应力的静力分析，然后在通过指定具体的分析选项进行有预应力的模态分析，求解轮盘的前几阶固有频率和相应的模态振型。9.3.1 节点的坐标变换根据轮盘的工作情况其约束条件为盘心轴向和周向约束而径向放开，这种约束条件在直角坐标系下无法定义，而柱坐标下可以非常方便地定义。根据ANSYS程序中坐标系的定义规则，需要将柱坐标系的Z轴和旋转轴重合，Y轴表示转角，X轴表示径向。ANSYS程序提供的全局柱坐标系不满足要求。通常可以有两种办法来解决这个问题：1.将所建有限元模型进行旋转使其轴向和柱坐标Z轴方向一致，2.重新建立一个柱坐标系使其的Z向和旋转轴一致。本实例采用第二种方法。具体操作过程如下：1.单击平移缩放旋转菜单中单击Right按钮，将图形窗口中的视图改为右视图。2.选取菜单：WorkPlane Offset WP by Increments，弹出工作平面偏移（Offset WP）菜单，如图9.38所示。图9.38 工作平面偏移菜单3.拖动Degrees滑动条，将旋转角度（Degrees）值设置为90。按