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ANSYS 动力分析 (7) - 谐波响应分析  

2010-09-16 06:30:43|  分类: ANSYS 动力分析 |  标签: |举报 |字号 订阅

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第三章  谐波响应分析

    第一节:谐响应分析的定义和目的
    第二节:关于谐响应分析的基本术语和概念
    第三节:谐响应分析在ANSYS中的应用
    第四节:谐响应分析的实例练习

 
第一节:定义和目的  
    1.  什么是谐响应分析? 
        -  确定一个结构在已知频率的正弦(简谐)载荷作用下结构响应的技术。 
        -  输入: 
            *   已知大小和频率的谐波载荷(力、压力和强迫位移); 
            *   同一频率的多种载荷,可以是同相或不同相的。 
       -  输出: 
            *  每一个自由度上的谐位移,通常和施加的载荷不同相; 
            *  其它多种导出量,例如应力和应变等。
  
    2.  谐响应分析用于设计: 
        -  旋转设备(如压缩机、发动机、泵、涡轮机械等)的支座、固定装置和部件; 
        -  受涡流(流体的漩涡运动)影响的结构,例如涡轮叶片、飞机机翼、桥和塔等。 
  
    3.  为什么要作谐响应分析? 
        -  确保一个给定的结构能经受住不同频率的各种正弦载荷(例如:以不同速度运行的发动机); 
        -  探测共振响应,并在必要时避免其发生(例如:借助于阻尼器来避免共振)。

第二节  属于和概念

    包含的主题: 
        -  运动方程 
        -  谐波载荷的本性 
        -  复位移 
        -  求解方法

 
    (1)  通用运动方程:

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    (2)    [F] 矩阵和 {u} 矩阵是简谐的,频率为 w:
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    (3)    谐响应分析的运动方程:

                               ANSYS 动力分析 (7) - 谐波响应分析 - htbbzzg - htbbzzg的博客

   
       Fmax =  载荷幅值 
       i        =  (-1)^0.5 
       y       =  载荷函数的相位角 
       F1     =  实部, Fmax * cos(y) 
       F2     =  虚部, Fmax * sin(y) 
       umax =  位移幅值 
       f        =  载荷函数的相位角 
       u1     =  实部, umax * cos(f)
       u2     =  虚部, umax * sin(f)

 

       (4)  谐波载荷的本质:
         -  在已知频率下正弦变化; 
         -  相角 y 允许不同相的多个载荷同时作用, y 缺省值为零; 
         -  施加的全部载荷都假设是简谐的,包括温度和重力。

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    (5)  复位移  
       -  在下列情况下计算出的位移将是复数 
              *  具有阻尼 
              *  施加载荷是复数载荷(例如:虚部为非零的载荷、不同相位的多种载荷,等) 
       -  可以用实部和虚部或振幅和相位角的形式来查看

    (6)  求解方法  
      求解简谐运动方程的三种方法: 
            -  完整法 
                  *  为缺省方法,是最容易的方法; 
                  *  使用完整的结构矩阵,且允许非对称矩阵(例如:声学矩阵)。 
            -  缩减法* 
                  *  使用缩减矩阵,比完整法更快; 
                  *  需要选择主自由度,据主自由度得到近似的 [M] 矩阵和 [C] 矩阵。 
            -  模态叠加法** 
                  *  从前面的模态分析中得到各模态;再求乘以系数的各模态之和; 
                  *  所有求解方法中最快的。 
      注解:* 未包括在本手册中;请参看ANSYS 结构分析指南。 
                ** 将在第六章中讨论。

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    第三节  谐波响应分析步骤

     四个主要步骤: 
          -  建模 
          -  选择分析类型和选项 
          -  施加谐波载荷并求解 
          -  观看结果

    (1)  建模  
     模型 
          -  只能用于线性单元和材料,忽略各种非线性; 
          -  记住要输入密度; 
          -  注意:  如果 ALPX(热膨胀系数)和 DT 均不为零,就有可能不经意地包含了简谐热载荷。为了避免这种事情发生,请将 ALPX 设置为零;如果参考温度 [TREF] 与均匀节点温度 [TUNIF] 不一致, 那么 DT 为非零值; 
          -  请参阅第一章中的建模需要考虑的问题。

    典型命令:  
          /PREP7 
          ET,... 
          MP,EX,... 
          MP,DENS,… 
          ! 建立几何模型 
          … 
          ! 划分网格

 

    (2)    选择分析类型和选项  
    选择分析类型和选项 
        -  输入求解器,选择谐响应分析; 
        -  主要分析选项是求解方法-在后面讨论; 
        -  规定阻尼-在后面讨论。
  
    典型命令: 
        /SOLU 
        ANTYPE,HARMIC,NEW

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    分析选项 
        -  求解方法 - 完整法、缩减法和模态叠加法。缺省为完整法; 
        -  自由度输出格式 - 主要用于批处理方式中; 
        -  集中质量矩阵。 
            –  推荐用于如果结构的一个方向的尺寸远小于另两个方向的尺寸的情况中。例如:细长梁与薄壳。 

    典型命令: 
        HROPT,... 
        HROUT,… 
        LUMPM,...

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    阻尼 
        -  从 a- 阻尼、b- 阻尼和阻尼比中选取 
        -  阻尼比最常用
  
    典型命令: 
        ALPHAD,… 
        BETAD,… 
        DMPRAT,...

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    (3)    施加谐波载荷并求解  
    施加谐波载荷并求解 
        -  所有施加的载荷以规定的频率(或频率范围)简谐地变化 
        -  “载荷”包括: 
            *  位移约束-零或非零的 
            *  作用力 
            *  压强 
        -  注意:  如果要施加重力和热载荷,它们也被当作简谐变化的载荷来考虑! 
  
    典型命令: 
        DK,… ! 或 D 或DSYM 
        DA,... 
        DL,…
  
    规定谐波载荷时要包括: 
        -  振幅和相角 
        -  频率 
        -  阶梯载荷对线性变化载荷的说明 
    振幅和相角 
        -  载荷值(大小)代表振幅 Fmax 
        -  相位角 f  是在两个或两个以上谐波载荷间的相位差,单一载荷不需要相位角 f

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        -  ANSYS 不能直接输入振幅和相角,而是规定实部和虚部分量; 
        -  例如,施加两个简谐力 F1 和 F2 ,其相位角相差 f: 
            F1real = F1max (F1的振幅) 
            F1imag = 0 
            F2real = F2max * cosf 
            F2imag = F2max * sinf 
        -  可以使用 APDL 语言计算,但要确保角度单位为度(缺省为弧度)。

    典型命令  
        *AFUN,DEG 
        FK,… 
        F,… 
        SFA,… 
        SFL,… 
        SFE,… 
        SF,…  

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    谐波载荷的频率:
?    通过频率范围和在频率范围内的子步数量来规定每秒的循环次数(赫兹);
?
    例如,在 0-50 Hz 范围内有 10 个子步时将给出在 5,10,15...45 和 50 Hz 等频率上的解;而同一频率范围只有一个子步时,则只给出 50Hz 频率上的解
    典型命令
            HARFRQ,
      NSUBST,
      KBC,1
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  阶梯载荷与线性变化载荷:
?  采用若干子步,可以逐渐地施加载荷(线性变化载荷),或者在第一个子步立刻施加载荷(阶梯载荷);
?
  谐波载荷通常是阶梯加载,因为载荷值代表的是最大振幅。
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?  在施加谐波载荷后,下一步就是开始求解
?  通常采用一个载荷步,但是可以采用若干子步  ,且每个子步具有不同的频率范围
?  典型命令:
    HARFRQ,
    NSUBST,
    KBC,1 ...
    Solve
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 (4)  观看结果
?
  分三步:
    a. 采用 POST26 时间历程后处理:
      绘制结构上的特殊点处的位移-频率曲线
      确定各临界频率和相应的相角
    b. 采用 POST1 通用后处理
      观看整个结构在各临界频率和相角时的位移和应力 
 
    a. 采用 POST26 时间历程后处理:
   
位移 - 频率关系曲线
     - 首先定义 POST26 变量
       * 节点和单元数据表
       * 用大于等于二的变量号识别
       * 变量 1 包含各频率,并是预先定义了的
            ANSYS 动力分析 (7) - 谐波响应分析 - htbbzzg - htbbzzg的博客
 
?
    挑选可能发生最大变形的节点,然后选择自由度的方向;
    定义变量的列表被更新。
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?    定义变量
?
    画变量关系曲线
    典型命令:
      /POST26
      NSOL,
      PLVAR,...
                        ANSYS 动力分析 (7) - 谐波响应分析 - htbbzzg - htbbzzg的博客
 
    确定各临界频率和相角
?       - 用图形显示最高振幅发生时的频率;
?       - 由于位移与施加的载荷不同步(如果存在阻尼的话),需要确定出现最大振幅时的相角;
          * 要进行上述工作,首先要选择振幅 + 相位选项。
            ANSYS 动力分析 (7) - 谐波响应分析 - htbbzzg - htbbzzg的博客
 
    然后用表列出变量。
?    注意:最大振幅 = 3.7 出现在 48 Hz,85.7? 时
?
    下一步就是观看整个模型在该频率和相角下的位移和应力(使用 POST1)
    典型命令:
        PRCPLX,1
        PRVAR,
        FINISH
                 
                       ANSYS 动力分析 (7) - 谐波响应分析 - htbbzzg - htbbzzg的博客
 
        b.  观看结果 - POST1
 
    观看整个结构的结果
    进入 POST1,且列出结果综述表,确定临界频率的载荷步和子步序号
    典型命令
        /POST1
        SET,LIST
                       ANSYS 动力分析 (7) - 谐波响应分析 - htbbzzg - htbbzzg的博客
 
?    使用 HRCPLX 命令读入在期望频率和相角时的结果:
      HRCPLX, LOADSTEP, SUBSTEP, PHASE, ...
    例如:  HRCPLX,2,4,85.7
?
    绘制变形图,应力等值线图和其它期望的结果。
    典型命令:
            HRCPLX,
      PLDISP,2
            PLNSOL,
      FINISH
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第四节:  实例-谐响应分析 
?
    在这个实例分析中,结果考察由安装在两端固支梁上的旋转机械产生的简谐力在该梁上引起的谐响应; ?详细内容请参阅后续日志。
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