连杆谐响应分析的提高实例

如图7-111所示的连杆，弹性模量210GPa，泊松比为0.3，密度为7850kg/m³，大端孔固定，小端孔每个节点上作用20N谐振拉力，试对其进行谐响应分析。

图7-111 连杆

操作步骤

1.启动ANSYS 14.5

双击桌面上的“Mechanical APDL Product Launcher”图标，弹出“ANSYS配置”窗口，在“Simulation Environment”选择“ANSYS”，在“license”选择“ANSYS Multiphysics”，然后指定合适的工作目录，单击“Run”按钮，进入ANSYS用户界面。

2.指定工程名和分析标题

1）选择“Utility Menu＞File＞Change Jobname”命令，弹出“Change Jobname”对话框，修改工程名称为“rod”，如图7-112所示。单击“OK”按钮完成修改。

2）选择“Utility Menu＞File＞Change Title”命令，弹出“Change Title”对话框，修改标题为“Harmonic Response of Rod”，如图7-113所示。单击“OK”按钮完成修改。

图7-112 “Change Jobname”对话框

图7-113 “Change Title”对话框

3）选择“Utility Menu＞Plot＞Replot”命令，指定的标题“Harmonic Response of Rod”显示在窗口的左下方。

3.指定分析类型

选择“Main Menu＞Preference”命令，弹出“Preferences for GUI Filtering”对话框，勾选“Structural”选项，如图7-114所示。单击“OK”按钮确认。

图7-114 “Preferences for GUI Filtering”对话框

4.定义单位

在ANSYS软件的主界面命令输入窗口中，输入“/UNIT，SI”，如图7-115所示。然后单击“Enter”键确认。

图7-115 输入单位命令

5.定义单元类型

1）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Element Type＞Add/Edit/Delete”命令，弹出“Element Types”对话框，如图7-116所示。

2）单击“Add…”按钮，弹出“Library of Element Types”对话框，在左边的列表中选择“Solid”选项，即选择实体单元类型，然后在右边列表中选择“Brick 8node 185”单元，如图7-117所示。单击“Library of Element Types”对话框的“OK”按钮，返回“Element Types”对话框。

图7-116 “Element Types”对话框

图7-117 “Library of Element Types”对话框

3）单击“Add…”按钮，弹出“Library of Element Types”对话框，在左边的列表中选择“Solid”选项，即选择实体单元类型，然后在右边列表中选择“Brick 8 node 185”单元，如图7-118所示。单击“Library of Element Types”对话框的“OK”按钮，返回“Element Types”对话框

图7-118 “Library of Element Types”对话框

4）单击“Close”按钮关闭“Element Types”对话框，结束单元类型的添加。

6.定义材料属性

1）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Materials Props＞Material Models”命令，弹出“Define Material Model Behavior”对话框，如图7-119所示。

图7-119 “Define Material Model Behavior”对话框

2）在右侧列表中选择“Structural＞Linear＞Elastic＞Isotropic”，弹出“Linear Isotropic Properties for Material Number 1对话框，在“EX”文本框中输入2.1e11，在“PRXY”文本框中输入0.30，如图7-120所示。单击“OK”按钮返回。

图7-120 “Linear Isotropic Properties for Material Number 1”对话框

3）在右侧列表中选择“Density”，弹出“Density for Material Number1”对话框，在“DENS”文本框中输入密度7850，如图7-121所示。单击“OK”按钮确认。

图7-121 “Density for Material Number1”对话框

4）在“Define Material Model Behavior”对话框中选择“Material＞Exit”命令，退出材料属性窗口，完成材料模型属性的定义。

7.建立分析模型

1）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Areas＞Circle＞By Dimensions”命令，弹出“Circular Area by Dimensions”对话框，在“RAD1”和“RAD2”文本框中分别输入圆环的外径为2.1，内径为1.5，在“THETA1”和“THETA2”文本框中分别输入圆环的起始角度0和终止角度180，单击“OK”按钮创建扇形圆环面，如图7-122所示。

图7-122 创建扇形圆环面

2）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Areas＞Rectangle＞By Dimensions”命令，弹出“Create Rectangle by Dimensions”对话框，输入顶点坐标（−0.45，1.8）、（0.45，2.7），单击“OK”按钮创建矩形面，如图7-123所示。

图7-123 创建矩形面

3）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Areas＞Rectangle＞By Dimensions”命令，弹出“Create Rectangle by Dimensions”对话框，输入顶点坐标（−2.7，0）、（−1.8，0.45），单击“OK”按钮创建矩形面，如图7-124所示。

图7-124 创建矩形面

4）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Areas＞Circle＞By Dimensions”命令，弹出“Circular Area by Dimensions”对话框，在“RAD1”和“RAD2”文本框中分别输入圆环的外径2.1和内径1.5，在“THETA1”和“THETA2”文本框中分别输入圆环的起始角度45和终止角度180，单击“OK”按钮创建圆环面，如图7-125所示。

图7-125 创建扇形圆环面

5）选择“Utility Menu＞WorkPlane＞Offset WP to＞XYZ Locations+”命令，弹出“Offset WP to XYZ Location”对话框，输入移动的坐标9.75，单击“OK”按钮可移动工作平面，如图7-126所示。

图7-126 移动工作平面到坐标

6）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Areas＞Circle＞By Dimensions”命令，弹出“Circular Area by Dimensions”对话框，在“RAD1”和“RAD2”文本框中分别输入圆环的外径1.05和内径0.6，在“THETA1”和“THETA2”文本框中分别输入圆环的起始角度0和终止角度180，单击“OK”按钮创建圆环面，如图7-127所示。

图7-127 创建扇形圆环面

7）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Areas＞Circle＞By Dimensions”命令，弹出“Circular Area by Dimensions”对话框，在“RAD1”和“RAD2”文本框中分别输入圆环的外径1.05和内径0.6，在“THETA1”和“THETA2”文本框中分别输入圆环的起始角度0和终止角度135，单击“OK”按钮创建扇形圆环面，如图7-128所示。

图7-128 创建扇形圆环面

8）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Operate＞Booleans＞Overlap＞Areas”命令，弹出“Overlap Areas”对话框，单击“Pick All”按钮选择所有面，单击“OK”按钮完成搭接运算，如图7-129所示。

图7-129 搭接运算

9）选择“Utility Menu＞WorkPlane＞Align WP with＞Global Cartesian”命令，可将工作平面设定为全局笛卡儿坐标系所在平面，即原点为全局笛卡儿坐标系原点。

10）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Keypoints＞In Active CS”命令，弹出“Create Keypoints in Active Coordinate System”对话框，输入关键点号和坐标值后，单击“OK”按钮，以当前活动坐标系（系统默认为笛卡儿坐标系）定义一个关键点，如图7-130所示。

图7-130 在活动坐标系中定义关键点

11）重复上述步骤分别创建其余3个关键点，坐标为（4.875，0.6）、（6.0，0.495）、（7.125，0.42）。

12）选择“Utility Menu＞PlotCtrls＞Numbering”命令，弹出“Plot Numbering Controls”对话框，勾选“Keypoint numbers”“Line numbers”和“Area numbers”选项，单击“OK”按钮，此时显示所创建的关键点、线和面，如图7-131所示。

图7-131 显示关键点线面

13）选择“Utility Menu＞WorkPlane＞Change Active CS to＞Global Cylindrical”命令，可将坐标系转换成圆柱坐标系。

14）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Splines＞Spline thru KPs”命令，弹出“B-Spline”对话框，输入关键点号“13，28，29，30，32，22”，单击“OK”按钮创建样条，如图7-132所示。

图7-132 创建样条线

15）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Lines＞Straight Line”命令，弹出“Create Straight Line”对话框，在图形区选择关键点1和18，或直接输入两点编号“1，18”，然后单击“OK”按钮创建直线，如图7-133所示。

图7-133 创建直线

16）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Areas＞Arbitrary＞By Lines”命令，弹出“Create Area By Lines”对话框，输入线号“46，40，45，25”，然后单击“OK”按钮创建面，如图7-134所示。

图7-134 通过边界线创建面

17）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Operate＞Boolean＞Add＞Areas”命令，弹出“Add Areas”对话框，单击“Pick All”按钮选择所有面，单击“OK”按钮完成加运算，如图7-135所示。

图7-135 面加运算

18）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Reflect＞Areas”命令，弹出拾取对话框，选择所有的面，然后单击“OK”按钮，弹出“Reflect Areas”对话框，选择“X-Z plane”选项，单击“OK”按钮完成镜像，如图7-136所示。

图7-136 镜像面

19）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Operate＞Boolean＞Add＞Areas”命令，弹出“Add Areas”对话框，选择所有面，单击“OK”按钮完成加运算，如图7-137所示。

图7-137 面加运算

8.划分网格

1）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Meshing＞Mesh Tool”命令，弹出“Mesh Tool”对话框，单击“Global”后的“Set”按钮，弹出“Global Element Sizes”对话框，在“Element edge length”文本框中输入0.2，单击“OK”按钮完成，如图7-138所示。

(www.xing528.com)

图7-138 设置单元边长

2）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Meshing＞Mesh Attributes＞All Areas”命令，弹出“Area Attributes”对话框，在“Element type number”下拉列表中选择“2 PLANE183”，单击“OK”按钮完成，如图7-139所示。

图7-139 设置面单元类型

3）在网格工具中选择分网对象为“Areas”，网格形状为“Quad”，选择分网形式为“Free”，单击“Mesh”按钮，拾取面后，单击“Apply”按钮生成网格，如图7-140所示。

图7-140 生成网格

4）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Operate＞Extrude＞Elem Ext Opts”命令，弹出“Element Extrusion Options”对话框，在“Element type number”选中“2 SOLID186”，在“No.Elem divs”文本框中输入5，单击“OK”按钮完成单元拉伸选项设置，如图7-141所示。

图7-141 设置单元拉伸选项

5）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Operate＞Extrude＞Areas＞Along Normal”命令，弹出“Element Area by Norm”对话框，选择绘制好的二维网格面，单击“OK”按钮，系统弹出“Extrude Area along Normal”对话框，在“Length of Extrusion”文本框中设为1，如图7-142所示。单击“OK”按钮完成拉伸网格划分，如图7-142所示。

图7-142 创建拉伸网格

6）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Meshing＞Clear＞Areas”命令，弹出选择对话框，单击“Pick All”按钮，清除所有面网格。此处即使保留源面网格对计算结果也没有影响，删除的目的仅仅是使后面的操作更加方便。

9.施加边界条件和载荷

1）选择“Utility Menu＞Select＞Entities”命令，弹出“Select Entities”对话框，选择拾取对象为“Nodes”，拾取方式为“By Num/Pick”，单击“OK”按钮，弹出“Select nodes”对话框，选中“Circle”选项，在图形中选择大圆处所有节点，单击“OK”按钮完成，如图7-143所示。

图7-143 选取节点

2）选择“Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Structural＞Displacement＞On Nodes”命令，弹出实体选取对话框，单击“Pick All”按钮选择所有节点，弹出“Apply U，ROT on Nodes”对话框，在“DOFs to be constrained”列表框中选择约束类型“All DOF”，在“Displacement value”文本框中输入数值0，单击“OK”按钮完成约束，如图7-144所示。

图7-144 施加自由度约束

3）选择“Utility Menu＞Select＞Everything”命令，选取所有图元、单元和节点。

10.设置模态分析类型和求解选项

1）选择“Main Menu＞Solution＞Analysis Type＞New Analysis”命令，弹出“New Analysis”对话框，选中“Modal”选项，如图7-145所示。单击“OK”按钮确认。

2）选择“Main Menu＞Solution＞Analysis Type＞Analysis Options”命令，弹出“Modal Analysis”对话框，在“Mode extraction method”中选中“Block Lanczos”选项，在“No.of modes to extract”文本框中输入6，在“No.of modes to expand”文本框中输入6，如图7-146所示。单击“OK”按钮确认。

图7-145 “New Analysis”对话框

图7-146 “Modal Analysis”对话框

3）系统弹出“Block Lanczos Method”对话框，在该对话框设置起止频率，此时保持默认值，单击“OK”按钮完成设置，如图7-147所示。

图7-147 “Block Lanczos Method”对话框

11.模态分析求解

1）选择“Main Menu＞Solution＞Solve＞Current LS”命令，弹出图7-148所示的求解信息窗口，其中“/STATUS Command”窗口显示所要计算模型的求解信息和载荷步信息。

图7-148 求解信息窗口

2）单击“Solve Current Load Step”对话框中的“OK”按钮，程序开始求解，求解完成后弹出“Note”对话框，如图7-149所示。单击“Close”按钮关闭。

图7-149 “Note”对话框

12.模态分析后处理显示结果

选择“Main Menu＞General Postproc＞Results Summary”命令，弹出“SET，LIST Command”对话框，列表显示模态计算结果，如图7-150所示。

图7-150 “SET，LIST Command”对话框

13.设置分析类型和求解选项

1）选择“Main Menu＞Solution＞Analysis Type＞New Analysis”命令，弹出“New Analysis”对话框，选中“Harmonic”选项，如图7-151所示。单击“OK”按钮确认。

图7-151 “New Analysis”对话框

2）选择“Main Menu＞Solution＞Analysis Type＞Analysis Options”命令，弹出“Harmonic Analysis”对话框，在“Solution method”中选择“Mode Superpos’n”（模态叠加法）选项，在“DOF printout format”中选择“Real+imaginary”（结果输出设置按照幅值和相位），如图7-152所示。单击“OK”按钮确认。

3）系统弹出“Mode Sup Harmonic Analysis”对话框，在“Maximum mode number”文本框中输入6，其他默认设置，单击“OK”按钮完成，如图7-153所示。

图7-152 “Harmonic Analysis”对话框

图7-153 “Mode Sup Harmonic Analysis”对话框

14.设置载荷步选项

选择“Main Menu＞Solution＞Load Step Opts＞Time Frequency＞Freq and Substeps”命令，弹出“Harmonic Frequency and Substep Options”对话框。在“Harmonic freq range”文本框中输入0和150，在“Number of substeps”文本框中输入150，在“KBC”中选择“stepped”（阶跃加载），如图7-154所示。单击“OK”按钮确认。

图7-154 “Harmonic Frequency and Substep Options”对话框

15.设置输出控制

选择“Main Menu＞Solution＞Load Step Opts＞Output Ctrls＞DB/Results File”命令，弹出“Controls for Database and Results File Writing”对话框。在“File write frequency”中选择“Every substep”选项，如图7-155所示。单击“OK”按钮确认。

图7-155 “Controls for Database and Results File Writing”对话框

16.施加边界条件和载荷

1）选择“Utility Menu＞Select＞Entities”命令，弹出“Select Entities”对话框，选择拾取对象为“Nodes”，拾取方式为“By Num/Pick”，单击“OK”按钮，弹出“Select nodes”对话框，选中“Circle”选项，在图形中选择小圆处所有节点，单击“OK”按钮完成，如图7-156所示。

图7-156 选取节点

2）选择“Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Structural＞Force/Moment＞On Nodes”命令，弹出实体选取对话框，选择节点2，单击“OK”按钮，弹出“Apply F/M on Nodes”对话框，在“Direction of force/mom”下拉列表中选择载荷方向“FX”，在“Real part of force/mom”文本框中输入载荷数值20，单击“OK”按钮施加力载荷，如图7-157所示。

图7-157 在节点上施加力载荷

3）选择“Utility Menu＞Select＞Everything”命令，选取所有图元、单元和节点。

17.求解谐响应分析

1）选择“Main Menu＞Solution＞Solve＞Current LS”命令，弹出图7-158所示的求解信息窗口，其中“/STATUS Command”窗口显示所要计算模型的求解信息和载荷步信息。

图7-158 求解信息窗口

2）单击“Solve Current Load Step”对话框中的“OK”按钮，程序开始求解，求解完成后弹出“Note”对话框，如图7-159所示。单击“Close”按钮关闭。

图7-159 “Note”对话框

18.时间历程后处理器

1）选择“Main Menu＞TimeHist Postpro”命令，弹出“Time History Variables”对话框，如图7-160所示。

2）选择“File＞Open Results”命令，弹出“Select Results File”对话框，选择结果文件“rod.rfrq”，如图7-161所示。单击“打开”按钮读入结果文件并关闭对话框。

图7-160 “Time History Variables”对话框

图7-161 “Select Results File”对话框

3）系统弹出“Select Database File”对话框，选择“rod.db”数据库文件，如图7-162所示。单击“打开”按钮关闭对话框，返回到“Time History Variables”对话框，如图7-163所示。

图7-162 “Select Database File”对话框

图7-163 “Time History Variables”对话框

4）单击按钮，弹出“Add Time-History Variable”对话框，在“Result Item”列表框中依次选择“Nodal Solution＞DOF Solution＞X-Component of displacement”选项，如图7-164所示。

5）单击“OK”按钮，弹出节点拾取对话框，选中小圆端沿X轴方向最外节点，单击“OK”按钮，返回到变量定义对话框，显示出定义的变量UX_2，如图7-165所示。

图7-164 “Add Time-History Variable”对话框

图7-165 选择节点

6）在“Variable List”列表中选择要显示的变量UX_2，单击按钮，即可在图形区显示变量的变化曲线，X轴为时间变量Freq，Y轴为显示的节点3的幅值，如图7-166所示。由图可见，节点3在简谐激振作用下，在频率61.240Hz、74.140Hz和145.56Hz附近会发生谐响应共振，这与前面模态分析中的固有频率几乎相同。

图7-166 节点的谐响应曲线

7）单击工具栏上的按钮，保存数据库文件。