workbench-谐响应分析

ANSYSWORKBENCH11.0培训教程（DS）ANSYSWORKBENCH11.0培训教程（DS）第十章谐响应分析本章内容•本章中，DS的谐响应分析将会涉及到以下内容:–假定用户已经了解了第四章的线性静态结构分析和第五章的模态分析所涉及的内容.•在本章中，将会涵盖如下内容:–建立谐响应分析–谐响应求解方法–阻尼–查看结果•本章所叙述的功能适用于ANSYS专业licenses及更高的licenses.–一些特例将会在相应的位置注明谐响应分析基础•谐分析常用于确定频率一定下的稳定正弦（简谐）载荷作用下的结构响应.–一个谐分析或一个频率响应分析仅考虑单一频率的的条件下。载荷之间可以具有不同的相位，但需已知激振频率。这项操作不能用于任意的瞬态载荷上.–用户在进行谐分析前，可以先对模型进行一次模态分析，以了解模型的动力学特性.•为了更好地理解谐分析，下列为运动学的通用方程:[]{}[]{}[]{}{}FxKxCxM=++&&&谐响应分析基础•在一个谐分析中，结构的载荷与响应被假定为简谐的（循环）–使用复数符号能有效地表示响应的状况。由于ejA可以简单地等于（(cos(A)+j•sin(A)),其中有虚部项(j=√-1)，这就表示带有相位差的正弦运动。–激振频率Ω是指加载时产生的频率。如果几个不同相位的载荷同时发生激振，将会产生一个力相位变换ψ；如果存在阻尼或力的相位变换，将会产生一个位移相位变换φ。{}{}{}{}tjjtjjeexxeeFFΩΩ==φψmaxmax谐响应分析基础•例如，考虑如右图所示的两力共同作用在同一结构上的工况–两力都有受到同一频率Ω激励。但是.,”Force2”滞后于“Force1”45度的相位差，“Force2”的相位角ψ度。–以上的叙述可通过复数标记的方法表示。因此，可写成:使用这种方法，F1表示复数的实部，F2为虚部.–响应{x}类似于{F}-1-0.75-0.5-0.2500.250.50.75104590135180225270315360405450495540585630675720Angle(Degrees)ForceValueForce1Force2ModelshownisfromasampleSolidWorksassembly.{}{}{}{}tjtjtjjejFFejFFeeFFΩΩΩ+=+==21maxmaxmaxsincosψψψ谐响应分析基础•对于谐分析，复数响应{x1}与{x2}可从矩阵方程的求解中获得：其结果有如下假设:–[M],[C],与[K]恒定不变的:•材料假设为线弹性的•小变形，并不存在非线性•包含有阻尼矩阵[C].但，若是激振频率Ω与结构的固有频率ω相同，响应将变得无限大.•虽然有相位的存在，但载荷{F}(与响应{x})仍是按给定的频率Ω作正弦变化•注意：要特别注意在DS中与谐分析相关的假设.[][][](){}{}21212jFFjxxKCjM+=++Ω+Ω−A.谐响应分析步骤•谐分析的操作很类似于线性静态的操作，因此我们不会涉及所有详细的操作步骤。在下列的文字叙述中将说明谐分析的步骤.–获取几何模型–设置材料属性–定义接触域（若可用的话）–定义网格控制（可选）–施加载荷与约束的条件–指定所要求谐分析选项–设置谐分析选项–求解模型–查看结果…几何模型•在谐分析中，可适用任何类型的几何模型–适用实体、面、线及其任意的组合–对于线，将不能输出应力与应变的结果–可以加入PointMass虽然只有加速度载荷对它起作用ANSYSLicenseAvailabilityDesignSpaceEntraDesignSpaceProfessionalxStructuralxMechanical/Multiphysicsx…材料属性•在谐分析中，要求输入杨氏弹性模量，泊松比和密度–其它所有材料的属性可以指定，但它们不会参与谐分析–后面将说明，阻尼不是作为材料的属性输入，而是作为全局属性被输入ANSYSLicenseAvailabilityDesignSpaceEntraDesignSpaceProfessionalxStructuralxMechanical/Multiphysicsx…接触区域•接触区域可用在模态分析中。但由于在线性分析中的接触行为不同于非线性接触问题，如下表所示:•接触行为类似于模态分析（见第五章）。在模态分析中，由于简谐模拟是线性的，非线性接触相对于它的线性对应部件做出了简化.–一般在谐分析中不要使用非线性接触ANSYSLicenseAvailabilityDesignSpaceEntraDesignSpaceProfessionalxStructuralxMechanical/MultiphysicsxInitiallyTouchingInsidePinballRegionOutsidePinballRegionBondedBondedBondedBondedFreeNoSeparationNoSeparationNoSeparationNoSeparationFreeRoughRoughBondedFreeFreeFrictionlessFrictionlessNoSeparationFreeFreeContactTypeStaticAnalysisHarmonicAnalysis…载荷和约束•除以下情况之外，载荷与约束皆可适用于谐分析中–不支持热载荷–不支持角速度–不支持平移力载荷–由于螺栓预紧力载荷是非线性的，因此也不适用–“CompressionOnlySupport”是非线性的，也不适用。若施加了这种约束，它也变得类似于“FrictionlessSupport”•记住：所有结构载荷都在同一激振频率作用下成正弦变化ANSYSLicenseAvailabilityDesignSpaceEntraDesignSpaceProfessionalxStructuralxMechanical/Multiphysicsx…载荷和约束•约束载荷表如下所示:–在下一节中，我们将讨论“求解的方法”.•要注意的是，在ANSYS专业licenses中并不支持完全法求解，因此它也并不支持在谐分析中给定位移约束.–并不是所有可用的载荷皆可输入相位。螺栓载荷与力矩载荷的相位角为0°.•若有其它的载荷（如螺栓载荷、力矩载荷）存在，其相位角仍保持0°。ANSYSLicenseAvailabilityDesignSpaceEntraDesignSpaceProfessional/StructuralxMechanical/MultiphysicsxTypeofLoadPhaseInputSolutionMethodAccelerationLoadNoFullorModeSuperpositionStandardEarthGravityLoadNoFullorModeSuperpositionPressureLoadYesFullorModeSuperpositionForceLoadYesFullorModeSuperpositionBearingLoadNoFullorModeSuperpositionMomentLoadNoFullorModeSuperpositionGivenDisplacementSupportYesFullOnly…载荷和约束•添加谐分析载荷:–选择分析类型为“Harmonic”。–输入载荷数据（矢量或者分量形式）。–输入适当的相位角。•若已知载荷的实部F1与虚部F2，模的大小与相位ψ便可根据如下的公式计算：ANSYSLicenseAvailabilityDesignSpaceEntraDesignSpaceProfessionalxStructuralxMechanical/Multiphysicsx⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=+=−1212221tanFFFFmagnitudeψ…载荷和约束•选择载荷，可显示出载荷两个周期的图像，然后点击“Worksheet”菜单。–模的大小与相位角便在载荷的视图中显示出来ANSYSLicenseAvailabilityDesignSpaceEntraDesignSpaceProfessionalxStructuralxMechanical/MultiphysicsxB.谐响应分析求解•在求解前，需设定谐分析工具选项:–选择求解分支条，并从相关的工具条中插入一个谐分析工具–在谐分析工具的明细窗中，用户能通过输入最大值、最小值来确定激振频率域，并确定求解的步长。•频率域fmax-fmin，间隔数n决定频率的步长ΔΩ•DS将从Ω+ΔΩ.开始，求解n个频率nffminmax2−=ΔΩπIntheexampleabove,withafrequencyrangeof0–10,000Hzat10intervals,thismeansthatDesignSimulationwillsolvefor10excitationfrequenciesof1000,2000,3000,4000,5000,6000,7000,8000,9000,and10000Hz.ANSYSLicenseAvailabilityDesignSpaceEntraDesignSpaceProfessionalxStructuralxMechanical/Multiphysicsx…求解选项•在ANSYSStructural及其更高的licenses中，有两种求解方法。这两种方法各有优缺点，因此接下来针对它们进行讨论:–模态叠加法是默认的求解选项，适用于ANSYS专业及其更高的licenses–完全法适用于ANSYS专业及其更高的licenses•在谐分析工具的明细窗中，“SolutionMethod”栏中只有两个的选项可以勾选（若可用的话）•求解命令条的明细窗的选项不可用，因为它对分析并没有影响.ANSYSLicenseAvailabilityDesignSpaceEntraDesignSpaceProfessional/StructuralxMechanical/Multiphysicsx…模态叠加法•模态叠加法是在模态的坐标中求解谐分析方程的–谐分析方程如下–对于线性系统，用户可以将x写成关于模态形状的φi的线性组合的表达式：–在关系式中，yi指模态的坐标（系数）。•例如，用户可以通过求解一个模态分析来确定固有频率ωi和相应的模态形状因子φi。•可以看到，包括的模态n越多，对{x}逼近越精确。ANSYSLicenseAvailabilityDesignSpaceEntraDesignSpaceProfessionalxStructuralxMechanical/Multiphysicsx[][][](){}{}21212jFFjxxKCjM+=++Ω+Ω−{}{}∑==niiiyx1φ…模态叠加法•前面的讨论主要介绍了关于模态叠加法的一些基本信息。在此，有三点需要注意的：•1.由于采用了模态的坐标系，因此使用模态叠加法进行谐分析时，程序会首先自动地进行模态分析。–这些过程能很清楚的记录在求解命令条的工作表菜单中，也能传给用户。–DS能自动地确定模态数n，这是精确求解来说是必要的。–虽然首先进行的是模态分析，但正如上个幻灯片所示，谐分析部分的求解还是很迅速且高效的，因此，总的来说，模态叠加法通常比完全法要快的多。ANSYSLicenseAvailabilityDesignSpaceEntraDesignSpaceProfessionalxStructuralxMechanical/Multiphysicsx…模态叠加法2.由于进行了模态分析，DS将会获得结构的自然频率。–在谐分析中，响应的峰值是与结构的固有频率相对应。由于自然频率已知，DS能够将结果聚敛到自然振动频率附近而不是使用evenlyspaced结果。ANSYSLicenseAvailabilityDesignSpaceEntraDesignSpaceProfessionalxStructur