第11章-有预应力作用结构的模态分析实例

第11章有预应力作用结构的模态分析实例在进行高速旋转机械的转子系统动力设计时，需要对转动部件进行模态分析，求解出其固有频率和相应的模态振型。通过合理的设计使其工作转速尽量远离转子系统的固有频率。而对于高速部件，工作时由于受到离心力的影响，其固有频率跟静止时相比会有一定的变化。为此，在进行模态分析时需要考虑离心力的影响。用ANSYS6.1可以很方便地对这类问题进行分析。通过下面的实例来讲解如何用ANSYS进行有预应力的结构的模态分析。如果进行的模态分析不考虑预应力的影响，则分析时不用打开相应的预应力选项即可。11.1问题描述本实例是对某高速旋转轮盘进行考虑离心载荷引起的预应力的模态分析，求解出该轮盘的前5阶固有频率及其对应的模态振型。轮盘截面形状如图11.1所示，该轮盘安装在某转轴上以12000转/分的速度高速旋转。其材料为钢，相关参数为：杨氏模量EX＝2.1E5Mpa，泊松比PRXY＝0.3，密度DENS＝7.8E-9Tn/mm3。图11.1轮盘截面形状和几何尺寸11.2建立模型同其它类型的有限元分析一样，进行模态分析时首先需要建立相应的有限元模型。在ANSYS6.1中，首先通过完成如下工作来建立本实例的有限元模型，需要完成的工作有：指定分析标题并设定分析范畴，定义材料性能参数，定义单元类型，建立几何模型并划分有限元网格等。本实例采用先建立分析部件的几何模型，然后对几何模型进行有限元分网的方法来建立有限元分析模型。并着重介绍如何用关键点来创建面的方法，并使用了许多关于面的操作命令，读者可以学习。下面将详细讲解分析过程。11.2.1指定分析标题并设置分析范畴在用ANSYS6.1进行一个新的有限元分析时，通常需要修改数据库文件名(缺省的文件名一般不太适用)，并在图形输出窗口中定义一个标题用来说明当前进行的工作内容。另外，对于不同的分析范畴(结构分析、热分析、流体分析、电磁场分析等)ANSYS6.1所用的主菜单的内容不尽相同，为此我们需要在分析开始时选定分析内容的范畴，以便ANSYS6.1显示出跟其相对应的菜单选项。下面是具体的操作步骤。1．选取菜单路径UtilityMenu|File|ChangeJobname，将弹出修改文件名(ChangeJobname)对话框，如图11.2所示。图11.2修改文件名对话框2．在Enternewjobname(输入新文件名)文本框中输入文字“CH09”，为本分析实例的数据库文件名。单击按钮，完成文件名的修改。3．选取菜单路径UtilityMenu|File|ChangeTitle，将弹出ChangeTitle(修改标题)对话框，如图11.3所示。图11.3修改标题对话框4．在Enternewtitle(输入新标题)文本框中输入文字“modalanalysisofaturbo-disk”，为本分析实例的标题名。单击按钮，完成对标题名的指定。5．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11.4所示。图11.4显示指定的标题6．选取菜单路径MainMenu|Preference，将弹出PreferenceofGUIFiltering(菜单过滤参数选择)对话框，如图11.5所示。图11.5菜单过滤参数选择对话框7．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。8．单击按钮，完成分析范畴的指定。11.2.2定义单元类型在建立有限元模型时，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单元类型。本实例将选用六面体结构实体单元来分析，但在建模过程中需要使用四边形平面单元，所有需要定义两种单元类型：PLANE42和SOLID45，具体操作如下：1．选取菜单路径MainMenu|Preprocessor|ElementType|Add/Edit/Delete，将弹出ElementTypes(单元类型定义)对话框。单击按钮，将弹出LibraryofElementTypes(单元类型库)对话框，如图11.6所示。图11.6单元类型库对话框2．在图11.6所示对话框左边的滚动框中单击“StructuralSolid”使其高亮度显示，选择结构实体单元类型。在右边的滚动框中单击“Quad4node42”使其高亮度显示，选择4节点平面单元PLANE42。3．单击按钮，添加PLANE42为1号单元。由于单击了按钮，故对话框不会被关闭。4．接着在图11.6所示对话框中的右边的滚动框中单击“Quad8node45”，使其高亮度显示，选择8节点六面体单元SOLID45。5．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。6．在ElementTypes(单元类型定义)对话框的列表框中将会列出刚定义的两种单元类型：PLANE42、SOLID45，单击按钮，关闭ElementTypes(单元类型定义)对话框，完成单元类型的定义。11.2.3定义材料性能本实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：1．选取菜单路径MainMenu|Preprocessor|MaterialProps|MaterialModels，将弹出材料模型定义(DefineMaterialModelBehavior)对话框，如图11.7所示。图11.7材料模型定义对话框2．在对话框的右边的MaterialModelsAvailable(适用的材料模型)列表框中，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11.8所示。图11.8线性各向同性材料定义对话框3．在图11.8所示对话框的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。然后单击按钮，关闭对话框。4．接着双击Density(见图11.7)，弹出DensityforMaterialNumber1(1号材料密度定义)对话框，如图11.9所示。图11.9定义1号材料的密度5．在对话框的DENS文本框中输入7.8E-9，设定1号材料密度为7.8E-9Tn/mm3。然后单击按钮，完成密度定义。6．在DefineMaterialModelBehavior(材料模型定义)对话框的左边已定义材料模型(MaterialModelsDefined)列表框中，将会列出定义的材料类型1的属性。选取路径Material|Exit关闭对话框，完成对材料模型的定义。11.2.4建立轮盘截面几何模型对于本实例的有限元模型，首先需要建立轮盘的截面几何模型，然后对其进行网格划分，昀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。11.2.4.1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，然后通过对矩形面的操作来建立轮盘截面的几何模型。具体的操作如下。图11.10创建矩形面1．选取菜单路径MainMenu|Preprocessor|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11.10所示。2．在弹出的对话框中，输入矩形的两个对角位置：WPX=-15WPY=15Width＝30Height＝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11.11所示。图11.11创建的第一个面4．接着，在通过Rectangleby2Corners(指定两个对角来创建矩形)对话框中，输入第二个矩形面的两个对角位置：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11.12所示。图11.12创建的两个矩形面11.2.4.1创建关键点和不规则面通过ANSYS6.1提供的由关键点创建不规则面的方法，可以很方便地建立轮盘截面其余部分的面，具体的操作如下。1．选取菜单路径MainMenu|Preprocessor|Modeling|Create|Keypoints|InActiveCS，将弹出CreateKeypointsinActiveCoordinateSystem(根据坐标创建关键点)对话框，如图11.13所示。图11.13根据坐标创建关键点对话框2．在对话框中，输入Keypointnumber(关键点号)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。单击按钮，完成关键点9的定义。由于单击了按钮，所以对话框将继续显示。3．重复步骤2中的操作过程，创建下面的关键点：关键点10：4，55，0关键点11：-3，140，0关键点12：3，140，0输入完昀后一个关键点后，单击按钮。图形输出窗口将显示刚创建的各个关键点，如图11.14所示。图11.14创建关键点4．选取菜单路径UtilityMenu|PlotCtrls|Numbering，将弹出PlotNumberingControls(序号显示控制)对话框，如图11.15所示。图11.15序号显示控制对话框5．将Keypointnumbers(关键点序号)和Areanumbers(面序号)打开，设置为On。单击按钮，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11.16所示。图11.16关键点和面的序号6．通过关键点来创建面。选取菜单路径MainMenu|Preprocessor|Modeling|Create|Arbitrary|ThroughKPs，将弹出CreateAreathruKPs(通过关键点来创建面)拾取对话框。7．在图形输出窗口中依次拾取关键点4，9，11，12，10，3，单击按钮，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11.17所示。图11.17通过关键点创建面A311.2.4.1对已创建的面倒圆角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。1.选取菜单路径MainMenu|Preprocessor|Modeling|Create|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LineFillet(倒圆角)对话框，如图11.18所示。图11.18倒圆角对话框2．在对话框中输入Filletradius(圆角半径)为5。单击对话框中的按钮，创建线L1，L2的圆角。3．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)4．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|PlotCtrls|Pan-Zoom-Rotate，将弹出Pan-Zoom-Rotate(平移、缩放和旋转)对话框。5．在对话框中单击按钮，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11.19所示。图11.19放大后的图形7．用创建的圆角线，将面A1割开成三个面。选取菜单路径MainMenu|Preprocessor|Modeling|Operate|Divide|AreabyLine，将弹出AreabyLine(用线分割面)对话框，从图形窗口中选择面A1