瞬態(tài)動力學專題-單自由度系統(tǒng)自由振動ANSYS分析

2017-04-26 by:CAE仿真在線來源:互聯網

瞬態(tài)動力學分析(亦稱時間歷程分析)是用于確定承受任意的隨時間變化載荷結構的動力學響應的一種方法。可以用瞬態(tài)動力學分析確定結構在穩(wěn)態(tài)載荷、瞬態(tài)載荷和簡諧載荷的隨意組合作用下的隨時間變化的位移、應變、應力及力。載荷和時間的相關性使得慣性力和阻尼作用比較重要。如果慣性力和阻尼作用不重要,就可以用靜力學分析代替瞬態(tài)分析。

瞬態(tài)動力分析用在以下的設計中:

承受各種沖擊載荷的結構,如:汽車中的門和緩沖器、建筑框架以及懸掛系統(tǒng)等。
承受各種隨時間變化載荷的結構,如:橋梁、地面移動裝置以及其它機器部件。
承受撞擊和顛簸的家庭和辦公設備,如:便攜式電話、筆記本電腦和真空吸塵器等。

下面將展現最簡單的單自由度系統(tǒng)的自由振動的瞬態(tài)動力學ANSYS分析,重點在于掌握瞬態(tài)動力學的分析方法,特別是時間離散中時間步長的選取、初始條件的施加(本題為初位移)、時間歷程后處理等。進行模態(tài)分析計算固有頻率,其目的是為了時間步長的選取,時間步長一般取固有周期的1/40~1/20,采用此方法確定復雜模型的時間步長非常有用。

一、問題描述

一個單自由度系統(tǒng)的自由振動,質量m= 0.5 kg,剛度k=5 kN/m,初始向下受拉力,使彈簧伸長0.2m,然后突然釋放,計算位移隨時間歷程響應情況。

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阻尼比取4種:

阻尼比1:ξ=0.0(無阻尼);

阻尼比2:ξ=0.02(欠阻尼);

阻尼比3:ξ=1.0(臨界阻尼);

阻尼比4:ξ=2.0(過阻尼)。

問題分析:

單自由度系統(tǒng)采用COMBIN40建模,實常數中輸入剛度k,阻尼系數c和質量m。采用Newmark直接積分法,時間步長取固有周期1/30,約為0.002s。

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阻尼比1:ξ=0(無阻尼)時,阻尼系數c=0;

阻尼比2:ξ=0.02(欠阻尼)時,阻尼系數c=2;

阻尼比3:ξ=1.0(臨界阻尼)時,阻尼系數c=100;

阻尼比4:ξ=2.0(過阻尼)時,阻尼系數c=200。

計算結果:ANSYS計算得出的固有頻率為15.915Hz,不同阻尼比條件下得出的位移隨時間變化曲線見下圖。

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二、GUI步驟

(一)建立模型

1.進入ANSYS

程序→ ANSYS 15.0→ ANSYS Product Launcher→ 改變working directory到指定文件夾→ 在job name輸入:file。

2.設置計算類型

Main Menu> Preferences→選擇Structural→ OK。

3.定義單元屬性

(1)定義單元類型

Main Menu> Preprocessor>Element Type> Add/Edit/Delete→ Add→ 選擇COMBIN40單元,即在左列表框中選擇Combination,在右列表框中選擇Combination 40→ OK。

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(2)單元選項設置:選中COMBIN40單元→ Option→ 在K3中選擇UY;在K4中選擇Closegap only;在K6中選擇Mass at node J→ OK→ Close。

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4.定義實常數

Main Menu> Preprocessor> Real Constants> Add→Type 1→ OK→ Real Constant Set No.:1,彈簧剛度K1:5000,阻尼系數C:2,質量M:0.5→ OK→ Close。

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5.建立模型

(1)創(chuàng)建節(jié)點:Main Menu > Preprocessor> Create > Nodes> In Active CS→ NODE:1,X,Y,Z:0,0,0→ Apply→ NODE:2,XYZ輸入0,-0.5,0。

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(2)創(chuàng)建單元:

①Main Menu> Preprocessor> Create> Elements>Auto Numbered> Thru Nodes→ 輸入節(jié)點1,回車,再輸入節(jié)點2→ OK。第1個節(jié)點是節(jié)點I,第二個節(jié)點是節(jié)點J。

②查看單元屬性:Utility Menu> List> Elements>Nodes + Attributes。

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6.施加約束

Main Menu> Solution> Define loads> Apply> Structural>Displacement> On Nodes→ 拾取節(jié)點1→ OK→ Lab2:UY→ OK。

7.保存模型

Utility Menu > Files > Save as→ Save Database to輸入mesh.db→ OK。

(二)模態(tài)分析,計算固有頻率

1.模態(tài)分析求解

(1) 進入求解器:Main Menu> Solution。

(1)指定分析類型為模態(tài)分析:Main Menu > Solution >Analysis Type > New Analysis→ Modal→ OK。重要步驟!

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(2)設置模態(tài)分析選項:Main Menu > Solution >Analysis Type > Analysis Options→ Mode extraction method:Block Lanczos(模態(tài)提取方法,默認);No. of modes to extract(模態(tài)提取階次):2;NMODE No. of modes to expand(模態(tài)擴展階次):2→ OK。

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(3)求解:Main Menu > Solution >Solve > Current LS→ File > Close→ Solve Current Load Step→ OK→ Solutionis done→ Close。

2.后處理

列表查看各階固有頻率:Main Menu > GenenralPostproc > Results Summary→ 記錄各階固有頻率,對應的是TIME/FREQ。單自由度只有第1階固有頻率,固有頻率為15.915Hz,固有周期1/15.915=0.0628s。

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(三)瞬態(tài)動力學分析

1.調入模型

Utility Menu > Files > Resum from→ 選擇mesh.db→ OK。

2.瞬態(tài)動力學分析設置

(1) 進入求解器:Main Menu> Solution。

(2) 設置分析類型:Main Menu> Solution>Analysis Type> New Analysis→ 選擇Transient→ OK→ 求解方法選擇Full(完全積分法)→ OK。

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3.第1載荷步求解設置

(1) 求解控制設置:Main Menu> Solution> AnalysisType> Sol’n Controls。

① Basic:時間控制Time Control中, Time at end of loadstep(載荷步結束時間):1e-6;Time increment(時間增量)中Time step size(時間步長):0.002;Frequency(輸出頻率)中選擇Write every Nth substep,where N=1。時間步長取固有周期0.0628s/30約為0.002s。