基于ANSYS經(jīng)典界面的光盤軸的轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析---諧響應(yīng)分析
2016-10-13 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
【問題描述】
一個懸臂光盤軸系統(tǒng)如下圖所示。該系統(tǒng)由三個零件組成:一根軸,一片光盤以及一個剛性夾子(該夾子在圖中沒有繪制)。軸的左端固定,而由端通過剛性夾子與光盤的內(nèi)圈固定。此軸以0.75*50hz的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)?,F(xiàn)在此軸的固定端處施加一個簡諧力,該力沿著-Y方向,頻率從0-500HZ.想要考察該光盤的中心點的幅頻關(guān)系曲線。
相關(guān)的數(shù)據(jù)包括:
(1)光盤的幾何尺寸
厚度: 1.0 mm
內(nèi)半徑: 0.1016 m
外半徑: 0.2032 m
(2)光盤軸的幾何尺寸
長度: 0.4064 m
半徑: 0.0132 m
(3)剛性夾的慣性屬性
質(zhì)量: 6.8748 kg
慣性矩(XX,YY): 0.0282 kg.m2
慣性矩(ZZ) : 0.0355 kg.m2
(4)軸與光盤的材料
彈性模量(E) : 2.04e+11 N/m2
泊松比 (υ): 0.28
密度 : 8030 kg/m3
《注》該算例來自于ANSYS APDL轉(zhuǎn)子動力學(xué)部分的幫助實例。
【范例說明】
給出本例子的目的,是想說明:
(1)如何使用模態(tài)疊加法進行諧響應(yīng)分析。
(2)如何在對基礎(chǔ)施加加速度激勵。
(3)如何建模剛性聯(lián)接件。
【問題分析】
1.這是一個諧響應(yīng)分析。準備使用模態(tài)疊加法來分析此問題,因此需要經(jīng)過三個步驟:(1)模態(tài)分析(2)諧響應(yīng)分析(3)模態(tài)展開。在模態(tài)分析階段需要考慮科里奧利效果。
2.對于軸使用BEAM188建模,對于光盤用SHELL181建模,對于剛性夾子的建模注意兩點。(1)用一個MASS21單元來表示其慣性(2)用剛性區(qū)域命令在轉(zhuǎn)軸與光盤的內(nèi)圈之間建立一個剛性區(qū)域。
3.邊界條件:軸的固定端全約束。
4.為了表達基礎(chǔ)激勵,在模態(tài)分析階段計算Y方向的加速度,而在諧響應(yīng)分析階段使用該加速度矢量。
5.本文將用命令流的方式進行講解。
【求解過程】
一 建模
1.定義變量
在命令窗口中輸入下列命令
pi = acos(-1)
xb = 0.1016
xa = 0.2032
zh = 1.0e-3
rs = 0.0191
ls = 0.4064
d1 = 0.0132
spin = 50*2*pi*0.75
fexcit = 500這些命令的目的是定義一些變量,以便下面使用。要知道其具體含義,在下面出現(xiàn)這些參數(shù)時回頭查找就可以了解。
2.定義材料模型
繼續(xù)輸入
/prep7
mp,ex,,2.04e+11
mp,nuxy,,.28
mp,dens,,8030.其含義是:
第1行:進入前處理器
第2-4行:設(shè)置材料的彈性模量,泊松比和密度。
3.創(chuàng)建轉(zhuǎn)軸的有限元模型
(1)定義單元及截面
繼續(xù)輸入
et,1,188
sectype,1,beam,csolid
secd,rs,30這三行命令指明了
第1行:轉(zhuǎn)軸的單元類型是BEAM188;
第2行:轉(zhuǎn)軸截面是實心圓
第3行:該實心圓的半徑是rs,而rs是一個變量,從前面的變量定義可以知道:rs= 0.0191
(2)創(chuàng)建幾何模型
繼續(xù)輸入
k,1,,,-ls-d1
k,2,,,-d1
l,1,2這三行命令指明了
第1行:創(chuàng)建轉(zhuǎn)軸的一個端點;
第2行:創(chuàng)建轉(zhuǎn)軸的另一個端點;
第3行:將這兩個端點連成直線。
然后執(zhí)行
/PNUM,KP,1
/PNUM,LINE,1
/PNUM,NODE,1/VIEW,1,,1
/ANG,1
/REP,FASTLPLOT
前三行說明要打開關(guān)鍵點,直線以及節(jié)點的編號顯示
后四行說明要查看俯視圖,并更新主窗口,并查看直線。
執(zhí)行完畢后,主窗口顯示如下:
(3)劃分有限元模型
繼續(xù)輸入
lesize,1,,,5type,1
secn,1lmesh,all
這4行命令指明了
第1行:設(shè)置將該直線劃分為5個單元
第2-3行:指明下面用到的單元類型及截面屬性
第4行:劃分網(wǎng)格。
執(zhí)行完畢后,主窗口顯示如下:
4.創(chuàng)建光盤的有限元模型
(1)定義單元及截面
繼續(xù)輸入
et,2,181
sectype,2,shell
secd,zh這三行命令指明了
第1行:光盤的單元類型是SHELL181
第2-3行:指明光盤的厚度是zh=1.0e-3
(2)創(chuàng)建幾何模型
繼續(xù)輸入
cyl4,,,xb,0,xa,360/VIEW,1,1,1,1
/ANG,1
/REP,FAST其含義是,定義一個圓環(huán),并用軸測圖的方式查看
執(zhí)行完畢后,主窗口顯示如下:
(3)劃分有限元模型
繼續(xù)輸入
esize,0.01
type,2
secn,2amesh,all
這4行命令指明了
第1行:設(shè)置劃分該光盤的單元尺寸是0.01
第2-3行:指明下面用shell181劃分網(wǎng)格,厚度是1.0e-3
第4行:劃分網(wǎng)格。
再輸入
/PNUM,NODE,0
/REP,FAST
以關(guān)閉節(jié)點顯示
執(zhí)行完畢后,主窗口顯示如下:
5.創(chuàng)建剛性夾的有限元模型
(1)定義建模剛性夾的質(zhì)量單元
繼續(xù)輸入
et,3,21
r,3,6.8748,6.8748,6.8748,0.0282,0.0282,0.0355其中,
第1行:創(chuàng)建單元MASS21
第2行:定義MASS21的慣性屬性(2)在原點處創(chuàng)建一個質(zhì)量單元以建模剛性夾
繼續(xù)輸入
n,
ncent = node(0,0,0)type,3
real,3e,ncent
其中,
第1行:在坐標(biāo)原點處創(chuàng)建一個節(jié)點,該節(jié)點的編號由ANSYS自己確定。
第2行:定義1個變量ncent ,由該變量存儲原點處那個節(jié)點的編號。第3-4行:指明下面劃分網(wǎng)格的單元是MASS21,并使用前面給出的慣性量。
第5行:在坐標(biāo)原點的節(jié)點上創(chuàng)建質(zhì)量單元,該點質(zhì)量代表了剛性夾的慣性屬性。
執(zhí)行完畢后,主窗口顯示如下:
可見,原點處創(chuàng)建了一個節(jié)點。
(3)在轉(zhuǎn)軸和光盤的內(nèi)圈之間創(chuàng)建剛性區(qū)域
繼續(xù)輸入
cerig,ncent,node(0,0,-d1),all其含義是:在原點處的節(jié)點和靠近光盤的轉(zhuǎn)軸端點之間建立剛性區(qū)域
執(zhí)行完畢后,主窗口顯示如下:
繼續(xù)輸入
csys,1
nsel,,loc,x,xb
nsel,a,node,,ncent
cerig,ncent,all,all
allsel
csys,0其中,
第1行:設(shè)定下面要使用圓柱坐標(biāo)系
第2行:選擇光盤內(nèi)圈的所有節(jié)點
第3行:繼續(xù)選擇原點處的那個節(jié)點
第4行:在上述節(jié)點之間建立剛性區(qū)域
第5行:選擇所有對象,以便下面的操作
第6行:把坐標(biāo)系切換為直角坐標(biāo)系
執(zhí)行完畢后,主窗口顯示如下:
6.約束轉(zhuǎn)軸的固定端
繼續(xù)輸入
nsel,,node,,node(0,0,-ls-d1)
d,all,all,0.0
allsel
fini其中,
第1行:找到轉(zhuǎn)軸的固定端
第2行:將該固定端的所有自由度都約束住
第3行:選擇所有對象,以便下面的操作
第4行:退出前處理器
執(zhí)行完畢后,主窗口顯示如下:
二 分析
1. 模態(tài)分析
(1)設(shè)置分析類型及分析選項
繼續(xù)輸入
/solu
antype,modal
modopt,qrdamp,30
mxpand,30
betad,1.e-5其中,
第1行:進入求解器
第2行:設(shè)置新分析類型為模態(tài)分析
第3行:設(shè)置采用QRDAMP來提取前30階模態(tài)
第4行:展開這30階模態(tài)
第5行:設(shè)置betad阻尼值的大小,意味著要做有阻尼的模態(tài)分析。
(2)打開科里奧利效應(yīng)
繼續(xù)輸入
coriolis,on,,,on
omega,,,spin其中,
第1行:打開科里奧利效應(yīng),使用固定坐標(biāo)系計算
第2行:設(shè)置軸的旋轉(zhuǎn)速度
(3)施加基礎(chǔ)的加速度激勵
繼續(xù)輸入
acel,,-1
說明計算加速度基礎(chǔ)激勵
(4)求解
繼續(xù)輸入
solve
fini說明要開始模態(tài)分析,分析完畢后退出求解器。
2. 諧響應(yīng)分析
(1)設(shè)置分析類型及分析選項
繼續(xù)輸入
/solu
antype,harmonic
hropt,msup,30其中,
第1行:再次進入到求解器
第2行:設(shè)置要做諧響應(yīng)分析
第3行:設(shè)置要使用模態(tài)疊加法,前面提取的30階模態(tài)都要包含進來。
繼續(xù)輸入
harfrq,,fexcit
nsubst,500kbc,0
其中,第1行:指定諧響應(yīng)分析的頻率范圍,從0-fexcit(= 500)
第2行:指定在此范圍內(nèi)設(shè)置500個載荷子步
第3行:指定激勵是階躍激勵繼續(xù)輸入
outres,all,none
outres,nsol,all其中,
第1行:不要輸出任何結(jié)果
第2行:但是要輸出節(jié)點解的結(jié)果
由于計算量很大,如果不這樣限制輸出結(jié)果,可能會內(nèi)存不夠。
(2)使用基礎(chǔ)的加速度激勵
繼續(xù)輸入
acel,0,0,0
lvscale,1.0其中,
第1行:無加速度激勵
第2行:請使用在模態(tài)分析中得到的加速度激勵
(3)求解
繼續(xù)輸入
solve
fini其含義是:開始做諧響應(yīng)分析,分析完后退出求解器。
3. 模態(tài)展開
繼續(xù)輸入
/solu
expass,on
numexp,all
solvefini
其含義是:
再次進入到求解器,
進入到模態(tài)展開階段,
展開所有模態(tài),
然后開始計算,
計算完后退出求解器。
三 后處理
(1)獲取節(jié)點的位移變量
繼續(xù)輸入
/post26
nsol,2,node(0,0,0),U,X,uxTip
nsol,3,node(0,0,0),U,Y,uyTip
nsol,4,node(0,xa,0),U,Z,uzDisk其含義是:
第1行:進入時間歷程后處理器
第2行:把光盤圓心處節(jié)點的X位移提取出來放入變量2.
第3行:把光盤圓心處節(jié)點的y位移提取出來放入變量3.
第4行:把光盤邊沿上某一個節(jié)點的位移提取出來放入變量4.
繼續(xù)輸入
/gropt,logy,on
/axlab,x,FREQUENCIES
/axlab,y,DISPLACEMENTS (m)
plvar,2,3,4前3行用于對下面要畫的圖進行蛇者
第1行: 指定圖形的Y軸使用對數(shù)坐標(biāo)
第2行:圖形的X軸用 FREQUENCIES作為標(biāo)簽
第3行:圖形的Y軸用 DISPLACEMENTS (m)作為標(biāo)簽
第4行:繪制上述3個幅頻曲線圖。
執(zhí)行完畢后,主窗口顯示如下:
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