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

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按钮，完成对标题名的指定。

7.选取菜单路径UtilityMenu>

Plot>

Replot，指定的标题“modalanalysisofaturbo-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MainMenu>

Preference，将弹出菜单过滤参数选择（PreferenceofGUIFiltering）对话框，如图9.5所示。

图9.5菜单过滤参数选择（PreferenceofGUIFiltering）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MainMenu>

Preprocessor>

ElementType>

Add/Edit/Delete，将弹出单元类型定义（ElementTypes）对话框，如图9.6所示。

图9.6单元类型定义（ElementTypes）对话框

2.单击

按钮，将弹出单元类型库（LibraryofElementTypes）对话框,如图9.7所示。

图9.7单元类型库（LibraryofElementTypes）对话框

3.在左边的滚动框中单击“StructuralSolid”，选择结构实体单元类型。

4.在右边的滚动框中单击“Quad4node42”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“Quad8node45”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（LibraryofElementTypes）对话框。

8.单击单元类型定义（ElementTypes）对话框中的Close按钮，关闭单元类型定义（ElementTypes）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>

MaterialProps>

MaterialModels，将弹出材料模型定义（DefineMaterialModelBehavior）对话框，如图9.9所示。

图9.9材料模型定义（DefineMaterialModelBehavior）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（DensityforMaterialNumber1）对话框，如图9.11所示。

图9.111号材料密度定义（DensityforMaterialNumber1）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（DefineMaterialModelBehavior）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9.13Rectangleby2Corners对话框

图9.12材料模型定义（DefineMaterialModelBehavior）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MainMenu>

Modeling>

Create>

Rectangle>

By2Corners，弹出通过指定两个对角来创建矩形（Rectangleby2Corners）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：

WPX=-15

WPY=15

Width＝30

Height＝25

注：

其中WPX，WPY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（Rectangleby2Corners）对话框，输入第二个矩形的两个对角位置：

WPX=-10，WPY=140，Width＝20，Height＝10。

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中其余部分的面，具体的操作如下。

Keypoints>

InActiveCS，将弹出根据坐标创建关键点（CreateKeypointsinActiveCoordinateSystem）对话框,如图9.16所示。

图9.16CreateKeypointsinActiveCoordinateSystem对话框

2.在对话框中，输入关键点号（Keypointnumber）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：

3，140，0

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UtilityMenu>

PlotCtrls>

Numbering，将弹出序号显示控制（PlotNumberingControls）对话框，如图9.18所示。

图9.18序号显示控制（PlotNumberingControls）对话框

6.将关键点序号（Keypointnumbers）和面序号（Areanumbers）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

8.通过关键点来创建面，选取路径MainMenu>

Arbitrary>

ThroughKPs，将弹出通过关键点来创建面（CreateAreathruKPs）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A3

9.2.4.1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9.22Pan-Zoom-Rotate菜单

1.对需要倒圆角的面的边进行倒圆角。

选取路径MainMenu>

Line>

LineFillet，将弹出LineFillet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（LineFillet）对话框，如图9.21所示。

图9.21倒圆角（LineFillet）对话框

2.在对话框中输入圆角半径（Filletradius）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UtilityMenu>

Pan-Zoom-Rotate，将弹出平移、缩放和旋转（Pan-Zoom-Rotate）菜单，如图9.22所示。

6.在菜单中单击BoxZoom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>

AreabyLine，将弹出用线分割面（AreabyLine）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和A5。

Delete>

AreaandBelow，将弹出删除面以及面包含的所有对象（DeleteAeraandBelow）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AddArea拾取菜单，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MainMenu>

NumberingCtrls>

CompressNumbers，将弹出序号压缩对话框，如图9.26所示。

图9.26序号压缩（CompressNumber）对话框

4.在压缩选项（LabelItemtobexompressed）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9.28MeshTool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）、（-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（SizeControls）全局设置项（Global）的Set按钮，将弹出单元尺寸全局设置（GlobalElementSizes）对话框，如图9.29所示。

图9.29单元尺寸全局设置（GlobalElementSizes）对话框

3.在对话框中输入单元边长度（ElementedgeLength）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（SizeControls）线设置项（Lines）的

按钮，将弹出在所选线上定义单元尺寸（ElementSizeonPickedLines）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L14。

7.单击对话框中的

按钮，将弹出在所选线上定义单元尺寸（ElementSizeonPickedLines）对话框，如图9.30所示。

图9.30ElementSizeonPickedLines对话框

8.在对话框中输入每条线将要分成的单元数（No.ofelementdivisions）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（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（MeshAeras）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。

InActiveCS，将弹出根据坐标创建关键点（CreateKeypointsinActiveCoordinateSystem）对话框,如图9.32所示。

2.在对话框中，缺省关键点号（Keypointnumber），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（Keypointnumber）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：

UtilityMenu>

List>

Keypoint>

CoordinatesOnly）。

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：

MainMenu>

Extrude>

ElemExtOpts，将弹出单元挤出选项（ElementExtrusionOptions）对话框，如图9.34所示。

图9.34单元挤出选项（ElementExtrusionOptions）对话框

6.在对话框中的单元类型序号（Elementtypenumber）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（Cleararea（s）afterext）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>

AboutAxis，将弹出绕轴扫掠面（SweepAreasaboutAxis）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（SweepAreasaboutAxis）的对话框，如图9.35所示。

图9.35绕轴扫掠面（SweepAreasaboutAxis）的对话框

11.在对话框中输入旋转角度为（Arclengthindegrees）360，一周创建体的数目（No.ofvolumesegments）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>

OffsetWPbyIncrements，弹出工作平面偏移（OffsetWP）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