第二章有限元分析軟件ANSYS-飛機機翼的模態(tài)分析

1、劉玲機械工程學院第二章第二章 有限元分析軟件有限元分析軟件ANSYS2.1 ANSYS軟件介紹軟件介紹2.2 ANSYS程序的結(jié)構(gòu)程序的結(jié)構(gòu)2.3 ANSYS圖形用戶界面圖形用戶界面2.4 ANSYS分析基本步驟分析基本步驟2.5 ANSYS實例分析實例分析第二章第二章 有限元分析軟件有限元分析軟件ANSYS2.5 ANSYS實例分析實例分析2.5.1 六方孔螺釘頭用扳手的靜力分析六方孔螺釘頭用扳手的靜力分析2.5.2 飛機機翼的模態(tài)分析飛機機翼的模態(tài)分析一、動力分析簡介一、動力分析簡介 通常動力分析的工作主要有系統(tǒng)的動力特性分析通常動力分析的工作主要有系統(tǒng)的動力特性分析(即求解結(jié)構(gòu)的固有頻即

2、求解結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型率和振型)，和系統(tǒng)在受到一定載荷時的動力響應分析兩部分構(gòu)成。根據(jù)系，和系統(tǒng)在受到一定載荷時的動力響應分析兩部分構(gòu)成。根據(jù)系統(tǒng)的特性可分為線性動力分析和非線性動力分析兩類。根據(jù)載荷隨時間變統(tǒng)的特性可分為線性動力分析和非線性動力分析兩類。根據(jù)載荷隨時間變化的關(guān)系可以分為穩(wěn)態(tài)動力分析和瞬態(tài)動力分析。諧響應分析是用于確定化的關(guān)系可以分為穩(wěn)態(tài)動力分析和瞬態(tài)動力分析。諧響應分析是用于確定線性結(jié)構(gòu)在承受隨時間按正弦線性結(jié)構(gòu)在承受隨時間按正弦(簡諧簡諧)規(guī)律變化的載荷時穩(wěn)態(tài)響應的一種技術(shù)。規(guī)律變化的載荷時穩(wěn)態(tài)響應的一種技術(shù)?？梢杂盟矐B(tài)動力學分析確定結(jié)構(gòu)在靜載荷，瞬態(tài)載荷，和簡諧載荷的隨

3、意可以用瞬態(tài)動力學分析確定結(jié)構(gòu)在靜載荷，瞬態(tài)載荷，和簡諧載荷的隨意組合作用下的隨時間變化的位移，應變，應力及力。而譜分析主要用于確組合作用下的隨時間變化的位移，應變，應力及力。而譜分析主要用于確定結(jié)構(gòu)對隨機載荷或隨時間變化載荷的動力響應情況。定結(jié)構(gòu)對隨機載荷或隨時間變化載荷的動力響應情況。 ANSYS提供了強大的動力分析工具，可以很方便地進行各類動力分析提供了強大的動力分析工具，可以很方便地進行各類動力分析問題：模態(tài)分析、諧響應分析、瞬態(tài)動力分析和譜分析。問題：模態(tài)分析、諧響應分析、瞬態(tài)動力分析和譜分析。 動力學分析根據(jù)載荷形式的不同和所有求解的內(nèi)容的不同我們可動力學分析根據(jù)載荷形式的不同和所

4、有求解的內(nèi)容的不同我們可以將其分為：以將其分為： 模態(tài)分析模態(tài)分析 諧響應分析諧響應分析 瞬態(tài)動力分析瞬態(tài)動力分析 譜分析譜分析一、動力分析簡介一、動力分析簡介二、動力學分析分類二、動力學分析分類_ _模態(tài)分析模態(tài)分析 模態(tài)分析在動力學分析過程中是必不可少的一個步驟。模態(tài)分析在動力學分析過程中是必不可少的一個步驟。在諧響應分析、瞬態(tài)動力分析動分析過程中均要求先進行在諧響應分析、瞬態(tài)動力分析動分析過程中均要求先進行模態(tài)分析才能進行其他步驟。模態(tài)分析才能進行其他步驟。 模態(tài)分析的定義模態(tài)分析的定義 模態(tài)提取方法模態(tài)提取方法 模態(tài)分析的定義模態(tài)分析的定義 模態(tài)分析用于確定設(shè)計機構(gòu)或機器部件的振動特性

5、模態(tài)分析用于確定設(shè)計機構(gòu)或機器部件的振動特性(固有頻率和固有頻率和振型振型)，即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，它們是承受動態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計中，即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，它們是承受動態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要參數(shù)。同時，也可以作為其他動力學分析問題的起點，例如的重要參數(shù)。同時，也可以作為其他動力學分析問題的起點，例如瞬態(tài)動力學分析、諧響應分析和譜分析。其中模態(tài)分析也是進行譜瞬態(tài)動力學分析、諧響應分析和譜分析。其中模態(tài)分析也是進行譜分析或模態(tài)疊加法譜響應分析或瞬態(tài)動力學分析所必需的前期分析分析或模態(tài)疊加法譜響應分析或瞬態(tài)動力學分析所必需的前期分析過程。過程。 ANSYS的模態(tài)分析可以對有預應力的結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析和

6、循環(huán)的模態(tài)分析可以對有預應力的結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析和循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)模態(tài)分析。前者有旋轉(zhuǎn)的渦輪葉片等模態(tài)分析，后者則允對稱結(jié)構(gòu)模態(tài)分析。前者有旋轉(zhuǎn)的渦輪葉片等模態(tài)分析，后者則允許在建立一部分循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)的模型來完成對整個結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析。許在建立一部分循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)的模型來完成對整個結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析。ANSYS中的模態(tài)分析是一個線性分析。任何非線性特性，如塑性和中的模態(tài)分析是一個線性分析。任何非線性特性，如塑性和接觸接觸(間隙間隙)單元，即使定義了也將被忽略。單元，即使定義了也將被忽略。二、動力學分析分類二、動力學分析分類_ _模態(tài)分析模態(tài)分析 模態(tài)提取方法模態(tài)提取方法 典型的無阻尼模態(tài)分析求解的基本方程是

7、經(jīng)典的特征值典型的無阻尼模態(tài)分析求解的基本方程是經(jīng)典的特征值問題：問題：其中：其中： K剛度矩陣，剛度矩陣， i 第第i 階模態(tài)的振型向量階模態(tài)的振型向量(特征向量特征向量)， i第第i 階模態(tài)的固有頻率階模態(tài)的固有頻率,M質(zhì)量矩陣質(zhì)量矩陣 有許多數(shù)值方法可用于求解上面的方程。有許多數(shù)值方法可用于求解上面的方程。ANSYS提供了提供了7種模態(tài)提取方法。種模態(tài)提取方法。二、動力學分析分類二、動力學分析分類_ _模態(tài)分析模態(tài)分析 模態(tài)提取方法模態(tài)提取方法 Block Lanczos (分塊蘭索斯分塊蘭索斯)法法 分塊蘭索斯分塊蘭索斯(Block Lanczos)法特征值求解器采用法特征值求解器采用

8、Lanczos算法，算法，Lanczos算算法是用一組向量來實現(xiàn)法是用一組向量來實現(xiàn)Lanczos遞歸計算。當計算某系統(tǒng)特征值譜所包含一定范遞歸計算。當計算某系統(tǒng)特征值譜所包含一定范圍的固有頻率時，采用分塊蘭索斯圍的固有頻率時，采用分塊蘭索斯(Block Lanczos)法提取模態(tài)特別有效。計算法提取模態(tài)特別有效。計算時，求解從頻率譜中間位置到高頻端范圍內(nèi)的固有頻率時的求解收斂速度和求時，求解從頻率譜中間位置到高頻端范圍內(nèi)的固有頻率時的求解收斂速度和求解低階頻率時基本上一樣快。其特別適用于大型對稱特征值求解問題。解低階頻率時基本上一樣快。其特別適用于大型對稱特征值求解問題。 Subspace

9、(子空間子空間)法法 Subspace（子空間）法使用子空間迭代技術(shù)，它內(nèi)部使用廣義的（子空間）法使用子空間迭代技術(shù)，它內(nèi)部使用廣義的Jacobi迭迭代算法，主要適用于大型對稱特征值求解問題。可以用幾種求解控制選項來控代算法，主要適用于大型對稱特征值求解問題?？梢杂脦追N求解控制選項來控制子空間迭代過程。制子空間迭代過程。二、動力學分析分類二、動力學分析分類_ _模態(tài)分析模態(tài)分析 模態(tài)提取方法模態(tài)提取方法 Powerdynamics法法 PowerDynamics法適用于非常大的模型（法適用于非常大的模型（100,000個自由度以上）。此法特個自由度以上）。此法特別適合于只求解結(jié)構(gòu)前幾階模態(tài)以了

10、解結(jié)構(gòu)將如何響應的情形，接著可以選擇別適合于只求解結(jié)構(gòu)前幾階模態(tài)以了解結(jié)構(gòu)將如何響應的情形，接著可以選擇合適的提取方法（合適的提取方法（Subspace或或Block Lanczos）求得最終的解。這種方法自動采）求得最終的解。這種方法自動采用集中質(zhì)量矩陣（用集中質(zhì)量矩陣（LUMPM,ON）。當在批處理或命令方式中使用）。當在批處理或命令方式中使用PowerDynamics方法時，首先應該用命令方法時，首先應該用命令MODOPT,SUBSPACE，接著再用命令，接著再用命令EQSLV,PCG。 Reduced (縮減縮減)法法 Reduced法比法比Subspace法快，因為它使用了縮減的系統(tǒng)

11、矩陣采計算解。但是法快，因為它使用了縮減的系統(tǒng)矩陣采計算解。但是由于縮減質(zhì)量矩陣是近似矩陣，此法的精度較低。由于縮減質(zhì)量矩陣是近似矩陣，此法的精度較低。 Unsymmetric (非對稱非對稱)法法 Unsymmetric法用于系統(tǒng)矩陣為非對稱矩陣的問題，例如流體法用于系統(tǒng)矩陣為非對稱矩陣的問題，例如流體結(jié)構(gòu)相互結(jié)構(gòu)相互作用問題。作用問題。二、動力學分析分類二、動力學分析分類_ _模態(tài)分析模態(tài)分析 模態(tài)提取方法模態(tài)提取方法 Damped (阻尼阻尼)法法 Damped法用于阻尼不可忽略的問題，例如軸承問題。法用于阻尼不可忽略的問題，例如軸承問題。 QR Damped (QR阻尼阻尼)法法 QR

12、 Damped (QR阻尼阻尼)法最關(guān)鍵的思想是，以線性合并無阻尼系統(tǒng)少量數(shù)目法最關(guān)鍵的思想是，以線性合并無阻尼系統(tǒng)少量數(shù)目的特征向量近似表示前幾階復阻尼特征值。采用實特征值求解無阻尼振型之后，的特征向量近似表示前幾階復阻尼特征值。采用實特征值求解無阻尼振型之后，運動方程將轉(zhuǎn)化到模態(tài)坐標系。然后，采用運動方程將轉(zhuǎn)化到模態(tài)坐標系。然后，采用QR阻尼法，一個相對較小的特征值阻尼法，一個相對較小的特征值問題就可以在特征子空間中求解出來了。問題就可以在特征子空間中求解出來了。 該方法能夠很好地求解大阻尼系統(tǒng)模該方法能夠很好地求解大阻尼系統(tǒng)模態(tài)解。由于該方法的計算精度取決于提取的模態(tài)數(shù)目，所以建議提取足

13、夠多的態(tài)解。由于該方法的計算精度取決于提取的模態(tài)數(shù)目，所以建議提取足夠多的基頻模態(tài)，這樣才能保證得到好的計算結(jié)果?；l模態(tài)，這樣才能保證得到好的計算結(jié)果。 在大多數(shù)分析過程中將選用在大多數(shù)分析過程中將選用Subspace法、法、Reduced法、法、Block Lanczos法或法或PowerDynamics法。法。Unsymmetric法和法和Damped法只在特殊情形下會用到。在指法只在特殊情形下會用到。在指定某種模態(tài)提取方法后，定某種模態(tài)提取方法后，ANSYS會自動選擇合適的方程求解器。在會自動選擇合適的方程求解器。在ANSYS/Linear Plus中中Unsymmetric法和法和D

14、amped法不可用。法不可用。二、動力學分析分類二、動力學分析分類_ _模態(tài)分析模態(tài)分析2.5.2 飛機機翼的模態(tài)分析飛機機翼的模態(tài)分析一、問題描述一、問題描述二、建立模型二、建立模型三、定義邊界條件并求解三、定義邊界條件并求解四、查看結(jié)果四、查看結(jié)果五、命令流輸入五、命令流輸入一、問題描述一、問題描述 對一個飛機機翼進行模態(tài)分析。機翼沿長度方向的輪廓是一致的，橫對一個飛機機翼進行模態(tài)分析。機翼沿長度方向的輪廓是一致的，橫截面由直線的樣條曲線定義。機翼的一端固定在機體上，另一端懸空。要截面由直線的樣條曲線定義。機翼的一端固定在機體上，另一端懸空。要求分析得到機翼的模態(tài)自由度。求分析得到機翼的模

15、態(tài)自由度。有關(guān)的幾何尺寸見圖有關(guān)的幾何尺寸見圖1，機翼材料的常數(shù)為：，機翼材料的常數(shù)為：彈性模量彈性模量取取3.8e3Pa ，泊松比，泊松比 0.3，密度，密度8.3e-5Kg/m3 。1.1.定義單元類型、材料屬性定義單元類型、材料屬性單元類型：單元類型：PLANE182和和SOLID185材料屬性：材料屬性：EX:38000(彈性模量彈性模量),PRXY:0.3(泊松比泊松比) Density:8.3e-5 2.2.建立幾何模型建立幾何模型關(guān)鍵點關(guān)鍵點 K1,（0,0,0） K2（2,0,0） K3（2.3,0.2,0） K4（1.9,0.45,0） K5（1,0.25,0）Line:Line:連線連線1 1和和2 2；1 1和和5 5Splinewith options Splinewith options spline with Kps 2spline with Kps 2、3 3、4 4、5 5 二、建立模型二、建立模型由線形成面由線形成面3.3.定義單元尺寸并劃分網(wǎng)定義單元尺寸并劃分網(wǎng)格格注：此時單元類型為注：此時單元類型為1 1，可不指定，可不指定定義單元屬性：單元類型為定義單元屬性：單元類型為2 2定義單元尺寸定義單