第15章-随机振动和随机疲劳分析实例

第15章随机振动和随机疲劳分析实例谱分析是一种将模态分析的结果与一个已知的谱联系起来计算模型的位移和应力的分析技术，主要用于确定结构对随机载荷或随时间变化载荷(如地震、风载、海洋波浪、喷气发动机推力、火箭发动机振动等等)的动力响应情况。谱是谱值与频率的关系曲线，它反映了时间—历程载荷的强度和频率信息。谱分析分为：响应谱分析、动力设计分析方法(DynamicDesignAnalysisMethod，DDAM)和功率谱密度(PowerSpectralDensity—PSD,也称为随机振动分析)。其中，一个响应谱代表单自由度系统对一个时间—历程载荷函数的响应，它是一个响应与频率的关系曲线，其中响应可以是位移、速度、加速度、力等。下面以一个梁—板壳结构在地震位移激励作用下的随机振动分析为例，来将讲解用ANSYS6.1进行随机振动分析的具体过程，对于其它类型的谱分析的基本分析步骤可参阅本书第10章。15.1问题描述某板—梁结构如图15.1所示，计算在Y方向的地震位移激励谱作用下整个结构的响应情况。板—梁结构的基本尺寸如图13.1所示，地震谱如表15.1所示，其它材料属性和几何特性数据如下：图15.1梁－板壳结构模型A3钢的材料特性：杨氏模量EX＝2.1E11N/m2，泊松比PRXY＝0.3，密度DENS＝7.8E3Kg/m3。板壳：厚度＝2E-3m梁几何特性：截面面积＝1.6E-5m2，惯性矩＝21.333E-12m4，宽度＝4E-3m，高度＝4E-3m表15.1梁—板结构所受的谱表位移激励谱频率(Hz)0.51.02.43.817182032位移(×10-3m)0.010.0160.030.020.0050.010.0150.0115.2建立模型跟所有在ANSYS6.1中进行的结构分析一样，建立本实例的有限元模型同样需要完成如下工作：指定分析标题，定义材料性能，定义单元类型，定义单元实常数，建立几何模型并进行有限元网格划分等。对于本实例由于其结构中有大量的相同部件，因此主要介绍如何利用ANSYS6.1提供的实体拷贝功能来建立需要的有限元模型，并大量用运实体属性进行选择实体选取，读者可对这两种技巧着重掌握。下面将详细讲解分析过程。15.2.1指定分析标题并设置分析范畴根据本实例分析的问题，指定分析标题为“PSDanalysisofthebeam-shellstructure”。因为本实例进行的仍是结构分析，所以应指定为结构分析范畴：Structural，以便在进行分析时程序能提供合适的菜单选项。下面进行具体的操作。1．选取菜单路径UtilityMenu|File|ChangeJobname，将弹出ChangeJobname(修改文件名)对话框，如图15.2所示。图15.2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“CH15”，为本分析实例的数据库文件名。单击对话框中的按钮，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15.3所示。图15.3修改标题对话框4．在Enternewtitle(输入新标题)文本框中输入文字“PSDanalysisofthebeam-shellstructure”，为本分析实例的标题名。单击对话框中的按钮，完成对标题名的指定。5．选取菜单路径UtilityMenu|Plot|Replot，指定的标题“PSDanalysisofthebeam-shellstructure”将显示在图形窗口的左下角。6．选取菜单路径MainMenu|Preference，将弹出PreferenceofGUIFiltering(菜单过滤参数选择)对话框。单击Structural(结构)选项使之被选中，以将菜单设置为与结构分析相关的选项。单击按钮，完成分析范畴的指定。15.2.2定义单元类型对于本实例分析的问题需要定义两种单元类型，一种为模拟梁的弹性梁单元BEAM4，另一种为模拟板特性的壳单元SHELL63。具体的定义过程如下：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。单击对话框中的按钮，将弹出LibraryofElementTypes(单元类型库)对话框，如图15.4所示。图15.4单元类型库对话框2．在左边的滚动框中单击“StructuralShell”，选择结构壳单元类型。在右边的滚动框中单击“Elastic4node63”，使其高亮度显示，选择4节点弹性壳单元。在对话框中单击按钮，完成对这种单元的定义。由于单击了按钮，单元类型库对话框将继续显示。3．接着继续在LibraryofElementTypes(单元类型库)对话框的左边滚动框中单击“StructuralBeam”，在右边的滚动框中单击“3Delastic4”，使其高亮度显示，选择3维弹性梁单元。单击对话框中的按钮，完成单元定义并关闭LibraryofElementTypes(单元类型库)对话框。4．在单元类型定义对话框的定义的单元列表框中显示了刚才定义的两种单元类型：SHELL63,BEAM4(见图15.5)。单击ElementTypes(单元类型定义)对话框中的按钮，关闭对话框中，完成单元类型的定义。图15.5定义的单元类型15.2.3定义单元实常数因为使用的单元是梁单元和壳单元，所以还需要定义相应的单元实常数才能完成对单元特性的描述。具体的操作如下：1．选取菜单途径MainMenu|Preprocessor|RealConstants，将弹出RealConstants(实常数定义)对话框。单击对话框中的按钮，将弹出ElementTypeforRealConstants(选择定义实常数的单元类型)对话框，如图15.6所示。图15.6选择定义实常数的单元类型对话框3．在选择单元类型列表框中，单击“Type1SHELL63”使其高亮度显示，选择第一类单元SHELL63。然后单击该对话框中的按钮，将弹出RealConstantSetNumber1,forSHELL63(为SHELL63单元定义实常数)对话框如图15.07所示。图15.7为SHELL63单元定义实常数对话框4．在对话框中的ShellthicknessatnodeITK(I)(壳的厚度)文本框中输入2E-3，定义板壳的厚度为2E-3m。5．其余参数保持缺省。单击按钮，关闭RealConstantsSetNumber1，forSHELL63(单元SHELL63的实常数定义)对话框。完成对单元SHELL63实常数的定义。6．重复步骤2的过程，在弹出的ElementTypeforRealConstants(选择定义实常数的单元类型)对话框的列表框中单击“Type2BEAM4”，使其高亮度显示。然后单击按钮，将弹出RealConstantSetNumber2,forBEAM4(为BEAM4单元定义实常数)对话框如图15.8所示。图15.8为BEAM4单元定义实常数对话框7．在对话框中的文本框中分别输入下列数据：AREA为1.6E-5，IZZ和IYY均为21.333E-12，TKZ和TKY均为4E-3。8．单击按钮，关闭RealConstantSetNumber2,forBEAM4(为BEAM4单元定义实常数)对话框。9．在RealConstants(实常数定义)对话框的列表框中将会出现定义实常数：Set1和Set2(见图15.9)，单击按钮，关闭对话框。图15.9RealConstants对话框至此，完成了对建立板梁结构有限元模型需要的单元类型和实常数的定义。13.2.4指定材料特性本算例中共用了一种材料，其性能参数在前面已经给出。由于进行的是单点响应谱分析，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DefineMaterialModelBehavior(材料模型定义)对话框，如图15.10所示。图15.10材料模型定义对话框2．依次双击Structural，Linear，Elastic和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15.11所示。图15.11线性各向同性材料定义对话框3．在图15.11的EX文本框中输入2.1E11，PRXY文本框中输入0.3。定义材料的弹性模量为2.1E11N/m2，泊松比为0.3。中单击按钮，关闭对话框。4．接着双击Density(见图15.10)，弹出DensityforMaterialNumber1(1号材料密度定义)对话框，如图15.12所示。图15.121号材料密度定义对话框5．在DENS文本框中输入7.8E3，设定1号材料密度为7.8E3Kg/m3。单击按钮，完成密度定义。6．在DefineMaterialModelBehavior(材料模型定义)对话框中，选取路径Material|Exit，完成对材料模型的定义。7．单击ANSYS6.1的ANSYSToolbar(工具条)上的按钮，保存数据库文件15.2.5建立梁有限元模型ANSYS6.1提供了模型拷贝功能，可以根据已建立的模型来生成需要的结构相似的新模型。这样只要建立了一个原始模型，就可以很方便地生成其它需要的模型，使建模的工作量大大降低，提高的工作效率。针对本实例中的六根结构和属性都相同的梁，可以现建立其中一根出来，并对其进行有限元分网。然后，利用ANSYS6.1提供的模型拷贝功能创建其余五根，具体的操作过程如下：1．选取路径路径MainMenu|Preprocessor|Modeling|Create|Keypoints|InActiveCS，将弹出CreateKeypointsinActiveCoordinateSystem(根据坐标创建关键点)对话框,如图15.13所示。图15.14平移-缩放-转动对话框图15.13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1，X,Y,Z位置分别为0，0，0。可用Tab键在输入区之间移动3．单击按钮，完成关键点1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2：0，0，0.6关键点3：0，0，1.2关键点4：0，0，1.8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。5．选取菜单路径UtilityMenu|PlotCtrls|PanZoomRotate，将会弹出ANSYS6.1提供的Pan-Zoom-Rotate(平移-缩放-转动)对话框，如图15.14所示。6．单击对话框中的按钮，改变图形输出窗口中的视图方向，以便看出建立的四个节点的位置，如图15.15所示。图15.15经过调整视图后各关键点的位置7．选取菜单路径MainMenu|Preprocessor|Modeling|Create|Lines|Lines|Straightline，将弹出CreateStraightLine(创建直线)拾取对话框。8．在图形窗口中单击关键点1、2创建直线L1。然后依次单击关键点2、3和关键点3、4，创建直线L2，L3。9．选取菜单路径UtilityMenu|PlotCtrls|Numbering，将弹出PlotNumberingControls(序号显示控制)对话框，如图15.16所示。图15.16序号显示控制对话框10．在PlotNumberingControls(序号显示控制)对话框中单击Keypointnumbers关键点序号()、Linenumbers(线的序号)和Areanumbers(面的序号)所对应的复选框，使其变为“On”(见图15.16)，然后单击对话框中的按钮关闭对话框。11．选取菜单路径UtilityMenu|Multi-P