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1、ANSYS 實例分析 模型飛機機翼模態(tài)分析 一，問題講述。 如圖所示為一模型飛機機翼，其長度方向橫截面形狀一致，機翼的一 端固定在機體上，另一端為懸空自由端，試對機翼進行模態(tài)分析并顯 示機翼的模態(tài)自由度。是根據(jù)一下的參數(shù)求解。 機翼材料參數(shù)：彈性模量EX=7GPa泊松電PRXY=0.26密度 A B 「 DENS=1500kg/m 機翼幾何參數(shù)：A(0, 0)； B(2, 0); C(2.5, 0.2) ; D(1.8, 0.45) ; E (1.1 , 0.3)。 問題分析 該問題屬于動力學(xué)中的模態(tài)分析問題。在分析過程分別用直線段和樣 條曲線描述機翼的橫

2、截面形狀，選擇PLANE4和SOLID4彈元進行求 解。 求解步驟: 第1步：指定分析標(biāo)題并設(shè)置分析范疇 1 .選取菜單途徑 Utility Menu>File>Change Title 2 .輸入文字 “ Modal analysis of a model airplane wing ”，然 后單擊OK 3 .選取菜單途徑 Main Menu>Preferences. 4 .單擊Structure選項使之為ON單擊OK主要為其命名的作用。 第2步：定義單元類型 1 .選取菜單途徑：Main Menu>Preprocessor>Elemen t Type>Add/Edit/

3、Delete 。 2 .Element Types 對話框 將出現(xiàn)。 E ■ *4 3 .單擊 Add。Library of Element Types對話框?qū)⒊霈F(xiàn)。 4 .在左邊的滾動框中單擊“ Structural Solid 5 .在右邊的滾動框中單擊“ Quad 4node 42” 6 .單擊 Apply。 7 .在右邊的滾動框中單擊“ Brick 8node 45 ”。 8 .單擊OK 9 .單擊Element Types對話框中的Close按鈕 國 FrvprWMWr Q Ad

4、i 國：EMliAriS 國— 由 MhKim 事 OwCUnQ Ctrl* 國 Mwmtwin GrH S A1yhM B9 * CM|H 國 FLOTUUMI Mf u；p @ FSI St Up 區(qū) HMUXd X Up 國 LMdA ■ Phy***31 國—Gp*ratfiicrnrB 畫 SolwtMfl 國 i&erffHer*l i^MtjprwE Defined Eleioent Types: Typ 巳 1 PLAWB42 Type 2 SOLID45 第3步：指定材料性能 1 .選取菜單途徑 Main Menu>Preprocessor>Material

5、 Props>-Constant-Isot ropic 。Isotropic Material Properties 對 話框?qū)⒊霈F(xiàn)。 2 .在OK單擊以指定材料號為1。第二個對話框?qū)⒊霈F(xiàn)。 3 .輸入EX為7E10 4 .輸入 DEN的 1500、 5 .輸入 PRXW 0.26。 A 口由地 for Numtwr / Density for Ihterial Number 1 I n I Teiiperatijffe,s DENS 150（| Md 工物peratutrd加1酸白—.erMurE Graph” OK CmhI | 6 .單擊OK 第4步：在給定的位

6、置生成關(guān)鍵點 1 .選取菜單途徑Main Menu>Preprocessor>-Modeling-Creat>Keypoints>In Active CS 。 Creat Keypoints in Active Coordinate System 對話框?qū)⒊霈F(xiàn)。 2 .輸入Keypoint number （關(guān)鍵點號）為1, X,Y,Z位置分別為 0,0,0?？捎肨AB鍵在輸入?yún)^(qū)之間移動。 3 .單擊 Apply。 4 .對下面的關(guān)鍵點及X, Y, Z位置重復(fù)這一過程： 關(guān)鍵點2: 2,0,0 關(guān)鍵點 3: 2.3,0.2,0 關(guān)鍵點 4: 1.9,0.45,0 關(guān)鍵點

7、5: 1,0.25,0 5 .輸入完最后一個關(guān)鍵點后，單擊 OK 6 .選取菜單途徑 Utility Menu>PlotCtrls>Window Controls>Window Options。 7 .在Location of triad 滾動框中，找到“ Not shown”并選中它 TE RM ANSYS W U 5015 8.單擊OK 9 .選取菜單途徑 Utility Menu>PlotCtrls>Numbering 。 10 .單擊Keypoint numbering使之成為 ON然后單擊 OK在ANSYS 圖形窗口中將出現(xiàn)帶有編號的關(guān)鍵點。 第5步：在關(guān)鍵

8、點間生成直線和樣條曲線 1 .選取菜單途徑Main Menu>Preprocessor>-Modeling-Create>-Lines-Lines> Straight Line。拾取菜單（Picking Men。Create Straight Lines 將出現(xiàn)。 2 .在關(guān)鍵點1和2上按順序各單擊一次。在關(guān)鍵點間將出現(xiàn)一條 直線。 3 .在關(guān)鍵點5和1上按順序各單擊一次。在關(guān)鍵點間將出現(xiàn)一條 直線。 4 .在拾取菜單中單擊OK 5 .選取菜單途徑 Main Menu>Preprocessor>-Modeling-Create>-Lines- Splines>With opt

9、ions > Spline thru kps 。拾取菜單 B_Spline 將出現(xiàn)。 6 .按順序選中關(guān)鍵點2,3,4,5 ,然后單擊OK B_Spline對話框?qū)?出現(xiàn)。 7 .輸入 XV1,YV1,EV1 分別為-1,0,0 , XV6,YV6,EV6分別為 -1,-0.25,0 。 8.單擊OK機翼的曲線部分將出現(xiàn)在圖中。 第6步：生成橫截面 1 .選取菜單途徑Main Menu>Preprocessor>-Modeling-Create>-Areas-Arbitary>By Lines。拾取菜單 Create Area by Lines 將出現(xiàn)。 2 .單擊所有的三

10、條線各一次 3 .單擊OK線圍成的面將以高亮度顯示出來 4 .在 ANSYS Toolbar 上單擊 SAVE DB I ANSYS T“l(fā)bar PsAVE_DB RESUMJB ANSYS Main Memi 5 7步：指定網(wǎng)格密度并對面進行網(wǎng)格 1 .選取菜單途徑 Main Menu>Preprocessor>-Meshing-Size Cntrls>-ManualSize-Global-Size 。Global Element Size 對話框?qū)?出現(xiàn)。 2 .在 element edge length （單元邊長）處輸入 0.25。 3.單擊OK 4

11、 .選取菜單Main Menu>Preprocessor>-Meshing-Mesh>-Areas-Free 。拾取菜單 Mesh Areas將出現(xiàn)。 5 .單擊Pick All 。（如果出現(xiàn)警告框，單擊close。請看下面的 注釋。） 6 .在 ANSYS Toolbar 上單擊 SAVE DB 第8步：設(shè)置線被劃分的段數(shù)（下圖僅為參考之用，不具備實際 效果，與操作有關(guān)） 1. 1 .在 MODELINGOPERATEEXTRUDE,ELEM EXT OPT1 2 .在

12、 Number of element divisions 處輸入 10。 3 .單擊OK BhflWIiCtl. -inlCMtom 三WK勺 爵 ttttai QlMwrQpi BCbktMi BM 目』用 BCMM 3 scMiftfOrii HHtnMrfCM BAkHhMaM 自住inufi [*皿|岫* aUMl 圖忡總 打班附1機1N Hg* 第9步：將帶網(wǎng)格的面拉伸成帶網(wǎng)格的

13、體 1 .選取菜單途徑 Main Menu>mesh Preprocessor>-Attributes-Define>Default Attribs 。 Meshing Attributes 對話框?qū)⒊霈F(xiàn)。 2 .在 element type number 處輸入 2。 3 .單擊OK 4 .選取菜單途徑 Main Menu>Preprocessor>-Modeling-Operate>Extrude/ Sweep>-Areas-By XYZ Offset。拾取菜單 Extrude Area by Offset 將出現(xiàn)。 5.單擊 Pick All Extrude Areas

14、 by XYZ Offset 對話框?qū)⒊霈F(xiàn) 6 .在 offset for extrusion 處輸入 0,0,10。 7 .單擊OK （如果出現(xiàn)警告框，單擊close。請看下面的注釋。） 注意 一 在這個例子中采用SOLID45單元是為了讓ANSYS/E詼 用戶也能做此實例。使用這種單元會導(dǎo)致如下警告：“ The mesh of volume 1 contains SOLID45 degenerate elements , which are much too stiff in bending. Use quadratic elements if posssble. ”。 如果當(dāng)前使

15、用的不是 ANSYS/ED,可以用SOLID95單元進行分析。 8 .選取菜單途徑 Utility Menu>PlotCtrls>Pan,Zoom,Rotate 。 9 .單擊“ ISO”，然后單擊close。 10 .在 ANSYS Toolbar 上單擊 SAVE_DB 第10步：進入求解器并指定分析類型和選項 1 .選取菜單途徑 Main Menu>Solution>-Analysis Type-New Analysis 。 New Analysis 對話框?qū)⒊霈F(xiàn)。 2 .選中Modal analysis ,然后單擊 OK 3 .選取菜單途徑 Main Menu>Solut

16、ion>-Analysis Options , Modal Analysis 對話框?qū)⒊霈F(xiàn) 4 .選中Subspace模態(tài)提取法。 5 .在 Number of modes to extract 處輸入 5。 6 .單擊 OK Subspace Modal Analysis 對話框?qū)⒊霈F(xiàn)。 7 .單擊OK接受缺省值。 第11步：釋放已選的PLANE4#元 應(yīng)當(dāng)釋放用于2-D面網(wǎng)格劃分的PLANE44元，因為它們不必參 1 .選取菜單途徑 Utility Menu>Select>Entities 。 Select Entities 對話框?qū)⒊霈F(xiàn)。 2 .在

17、對話框上部的兩個滾動框中，選取“ Elements"和" By Attribute ” 。 3 .單擊Elem type num 選項使之成為 ON 4 .在Min,Max,Inc區(qū)輸入單元類型號為1。 5 .單擊Unselect選項使之成為ON 6 .單擊 Apply。 第12步：對模型施加約束 1 .選取菜單途徑 Utility Menu>Select>Entities 。 Select Entities 對話框?qū)⒊霈F(xiàn)。 2 .在對話框上部的兩個滾動框中， 選“Nodes和"By Location 3 .單擊Z coordinates 選項使之為 ON 4 .在Mi

18、n,Max區(qū)輸入Z坐標(biāo)為0。 5 .單擊From Full選項使之為ON 6 .單擊 Apply。 7 .選取菜單途徑Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Structural-Displacement>-On Nodes拾取菜單 Apply U,ROT on Nodes將會出現(xiàn)。 8 .單擊 Pick All 。Apply U,ROT on Nodes 對話框?qū)⒊霈F(xiàn)。 9 .單擊“ All自由度（DOF ”。 10.單擊OK * Z coordinates |By Location 二] X coordinaltii Y coordina

19、tes * Z coordinates Min^Max & From Full [D Apply DiiplKanenb {U.ROTl on Nock Lab2 DOFs to be ronstrained All DOF UX UV UZ VELX Apply ,ConEtant value ▼ Reaclect Also Select Unselect If Constant vake then； VALUE Displacement value Sele All Invert Sele None Sele Uelo 11 .在Select

20、Entities 對話框中的第二個滾動框中選取“ By Num/Pick” 。 12 .單擊 Sele All 13 .單擊 Cancel。 A Select Entities Nodes Pilot Airplnl Help 逐訕.1.達(dá)1 OK Apply riot Heplol /\ Select Entuties |Nodes 二 |By Num/Piick “ From Full Rcscled Also Selecl Un^eled Sele All I

21、nvert Sele None 第13步：指定要擴展的模態(tài)數(shù)并求解 1 .選取菜單途徑 Main Menu>Solution>-Load Step Opts-ExpansionPass>Expand Modes。 Expand Modes 對話框?qū)⒊霈F(xiàn)。 2 .在 number of modes to expand 處輸入 5。 3 .單擊OK 4 .選取菜單途徑 Main Menu>Solution>-Solve-Current LS 。瀏覽 在/STAT命令對話框中出現(xiàn)的信息，然后使用 File>Close關(guān)閉該對 話框。 5 .單擊 OK 在出現(xiàn)警告 “ A c

22、heck of your model data produced 21 warnings. Should the SOLV^ommancbe executed?”時單擊 Yes。 6 .在出現(xiàn)警告 “ A check of your model data produced 1 Warning。 Should the SOLV command be executed? ” 時單擊 Yes。 7 .求解過程結(jié)束后單擊close 。 第14步：列出固有頻率 1.選取菜單途徑 Main Menu>General Postproc>Results Summary 瀏覽對話框中的信息然后

23、用 File>Close關(guān)閉該對話框 tproc .ts ,1 tfiE 1 !" ills oir Uu Fa ]已 bhle s t icn acre t SET IIHEZFRE4 LOAD STEF BUBBTEP CUMULATIUE 1 1.C&T3： ill 2 H 版J 12 2 3 S5[ 31 3 4 41.435 144 S 155 :tor Di as * 第15步：觀察解得的五階模態(tài) 在X11 Motif 系統(tǒng)中: 1 .選取菜單途徑 Main Menu>General Postproc>-Read Results-Fi

24、rst Set 。 2 .選取菜單途徑 Utility Menu>PlotCtrls>Animate>Mode Shape Animate Mode Shape對話框?qū)⒊霈F(xiàn)。 3 .在 time delay 處輸入 0.5。 4 .單擊OK Animation Controller 對話框?qū)霈F(xiàn)，動畫開始播 放。 5 .單擊Stop停止動畫播放。 6 .選取菜單途徑 Main Menu>General Postproc>-Read Results-Next Set 。 7 .選取菜單途徑 Utility Menu>PlotCtrls>Animate>Mode

25、Shape Animate Mode Shape對話框?qū)⒊霈F(xiàn)。 8 .單擊OK接受先前的設(shè)置。動畫開始播放。 9 .單擊Stop停止動畫播放。 10 .對剩余的三個模態(tài)重復(fù)步驟 6?9。 在 Windows NT 或 Windows 96 系統(tǒng)中： 1 .選取菜單途徑 Main Menu>General Postproc>-Read Results-First Set 。 2 .選取菜單途徑 Utility Menu>PlotCtrls>Animate>Mode Shape Media Player-file.avi 對話框?qū)⒊霈F(xiàn)。 3 .在對話框中選擇Edit>Options。

26、Options對話框?qū)霈F(xiàn)。 5 .單擊Play toolbar 上的按鈕（4）觀察動畫播放。 6 .單擊Stop toolbar 上的按鈕（<）。 7 .選取菜單途徑 Main Menu>General PostProc>-Read Results-Next Set 。 8 .選取菜單途徑 Utility Menu>Plot Ctrls>Animate>Mode Shape 9 .單擊Play toolbar 上的按鈕觀察動畫。 10 .單擊Stop toolbar 上的按鈕。 11 .對剩余的三個模態(tài)重復(fù)步驟 7?10。 一，一階 二階模態(tài)

27、 三階 ANSYSI SHF-1 00:51:45 例1X1」3兄 如=』/例 Model aul戶im of a del uzplaM wuug ANSYS DI5FIACE3OT Mfidjil SMlyais mE a n^dtl AirplAoe wln^ SIEM 5U3 =4 EM^il.4352 Uffl =,C454D1 HCV 1； 2015 00:51:45 四階

28、 叮皿CE⑶I 叫=4』后招 M =a021516 五階 巴 SEN&EK? 5IEF=1 SE3 H EM-

29、t=41,4352 昭=.D45G1 JK^l! 00:： RSFIACEMM ANSYS SIEP-1 HEglX溫 3K =.045401 00:54:27 第16步：退出ANSYS 1.在 ANSYS Toolbar 中選 QUIT。7 2.選 Quit-No Save! 3.單擊OK 二，請描述平面結(jié)構(gòu)有限元求解的基本步驟

30、 針對平面結(jié)構(gòu)問題只須考慮平行于某個平面的位移分量、應(yīng)變分 量與應(yīng)力分量，且這些量只是兩個坐標(biāo)的函數(shù)，平面問題分平面應(yīng)力 問題和平面應(yīng)變問題兩類。針對二維的連續(xù)介質(zhì)，對平面結(jié)構(gòu)的有限 元分析步驟如下： 1）用虛擬的直線把原介質(zhì)分割成有限個平面單元， 這些直線是單 元的邊界，幾條直線的焦點即為節(jié)點。 2）假定個單元在節(jié)點上互相較接，節(jié)點位移是基本的未知量。 3） 選擇一個函數(shù)，用單元的三個節(jié)點的位移唯一的表示單元內(nèi)部任一點 的位移，此函數(shù)稱為位移函數(shù)。 4）通過位移函數(shù)，用節(jié)點位移唯一的表示單元內(nèi)任一節(jié)點的應(yīng)變； 再利用廣義的胡克定律，用節(jié)點位移可唯一的表示單元內(nèi)任一點的應(yīng) 力。

31、5）利用能量原理找到與單元內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)等效的節(jié)點力；再利用 單元應(yīng)力與節(jié) 點位移的關(guān)系，建立等效節(jié)點力與節(jié)點位移的關(guān)系。 6）將每一單元所承受的載荷，按靜力等效原則移置到節(jié)點上。 7 ）在每一節(jié)點建立用節(jié)點位移表示的靜力平衡方程，得到一個線 性方程組；解出這個方程組，求出節(jié)點位移；然后可求得每個單元的 應(yīng)力。 三，空間結(jié)構(gòu)中一般采用哪些單元進行網(wǎng)格劃分， 請描述這些 常用單元的基本特性。Beam碌受拉、壓、彎、扭的單軸受力 單元，每個節(jié)點上有六個自由度：x、y、z三個方向的線位移 和繞x,y,z三個軸的角位移 SOLID5三維耦合場體單元，8個節(jié)點，每個節(jié)點最多有6個 自由度

32、LINK8三維桿（或桁架）單元，用來模擬：桁架、纜索、連 桿、彈簧等等，是桿軸方向的拉壓單元，每個節(jié)點具有三個自 由度：沿節(jié)點坐標(biāo)系X、Y、Z方向的平動 Shell434節(jié)點塑性大應(yīng)變單元，適合模擬線性、彎曲及適當(dāng) 厚度的殼體結(jié)構(gòu)。單元中每個節(jié)點具有六個自由度：沿 x、y 和z方向的平動自由度以及繞x、y和z軸的轉(zhuǎn)動自由 度 Shell63 彈性殼單元，具有彎曲能力和又具有膜力，可以承 受平面內(nèi)荷載和法向荷載。本單元每個節(jié)點具有 6個自由度： 沿節(jié)點坐標(biāo)系X、Y、Z方向的平動和沿節(jié)點坐標(biāo)系 X、Y、Z軸 的轉(zhuǎn)動 SOLID643-D#向異性結(jié)構(gòu)實體單元，用于各向異性實體結(jié)構(gòu) 的3D建

33、模。單元有8個結(jié)點，每個結(jié)點3個自由度，即沿x、 y、z的平動自由度 SOLID65用于含鋼筋或不含鋼筋的三維實體模型。該實體模型 可具有拉裂與壓碎的性能 PLANE75 4節(jié)點軸對稱諧波熱單元，作軸對稱環(huán)單元，具有 3維熱傳 導(dǎo)能力。本單元有4個節(jié)點，每個節(jié)點只有一個自由度-溫度 TEMPPLANE78 8節(jié)點軸對稱-諧波熱單元，軸對稱環(huán)單元，具有3維熱傳導(dǎo) 能力。本單元有8個節(jié)點，每個節(jié)點只有一個自由度-溫度 TEMPBeam1883維線性有限應(yīng)變梁單元，適合于分析從細(xì)長到 中等粗短的梁結(jié)構(gòu) 四，如何描述根據(jù)虛位移原理來獲得單元的剛度矩陣的公式推 導(dǎo)過程。 答：根據(jù)虛位移原理

34、對單元進行分析時，單元是在等效節(jié)點里的作用下處于 平衡的，而這種節(jié)點力可采用列陣表示為 ｛"=履 R； 匕 Uj VJ Um . 假設(shè)在單元中發(fā)生有虛位移，則相應(yīng)的三個節(jié)點i、j、m的虛位移為 加*｝=況期物8um次」 且假設(shè)單元內(nèi)各點的虛位移為jr｝,并具有與真實立移相同的位移模式。故有 口｝=睡） 單元內(nèi)的虛應(yīng)變&*｝為,*｝二[球" 于是作用在單元體上的外力在虛位移上所做的功可以寫為長｝’ 而單元內(nèi)的應(yīng)力在虛應(yīng)變上所做的功為 胖*『⑸烝辦=例｝ f Jf[5f [DfB^tdxdy 根據(jù)虛位移原理，可得到單元的虛功方程即 ⑹盧｛砂即打胖他咻加四 所以可得｛r｝6= 同即加帥y 記 同‘二口忸『回畫烝不 則有 停4小邸 上式就是表征單元的節(jié)點力和節(jié)點位移之間關(guān)系的剛度方程，同.就是單元剛度 矩陣。