結(jié)構(gòu)分析軟件課程報(bào)告

《結(jié)構(gòu)分析軟件》課程報(bào)告PAGEPAGE2《結(jié)構(gòu)分析軟件》課程報(bào)告機(jī)翼的模態(tài)分析(1.燕山大學(xué)工程力學(xué)系，秦皇島066004)摘要：用模態(tài)分析可以確定一個(gè)結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。固有頻率和振型是承受動(dòng)態(tài)荷載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。用Ansys結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行模態(tài)分析主要包括4個(gè)步驟：建模；加載及求解；擴(kuò)展模態(tài)；后處理。本報(bào)告是對(duì)一個(gè)簡(jiǎn)化的飛機(jī)機(jī)翼模型的模態(tài)分析。首先定義單元類(lèi)型和材料屬性，然后創(chuàng)建幾何模型，其中先建立機(jī)翼截面的平面模型，劃分網(wǎng)格后，再將面拉伸成體，面網(wǎng)格拉伸成體網(wǎng)格，接著在機(jī)翼一端的截面上的所有節(jié)點(diǎn)上施加荷載，即施加節(jié)點(diǎn)的位移約束，再設(shè)定分析類(lèi)型和選擇模態(tài)分析方法，之后進(jìn)行求解，然后進(jìn)行擴(kuò)展模態(tài)，本報(bào)告中對(duì)結(jié)構(gòu)的5階模態(tài)進(jìn)行了分析，最后進(jìn)行后處理，得出各階模態(tài)的頻率和振型以及各階模態(tài)所對(duì)應(yīng)的位移和應(yīng)力云圖。關(guān)鍵詞：機(jī)翼；建立模型；加載求解；擴(kuò)展模態(tài)；后處理本文通過(guò)Ansys結(jié)構(gòu)分析軟件對(duì)機(jī)翼進(jìn)行模態(tài)分析。機(jī)翼沿長(zhǎng)度方向的截面是相同的，如下圖所示，該機(jī)翼一段固定在飛機(jī)機(jī)身上，另一段自由，現(xiàn)通過(guò)Ansys結(jié)構(gòu)分析軟件求出它的自振頻率和振型。其中，機(jī)翼沿Z軸方向的長(zhǎng)度為10m，楊氏模量3800Pa,泊松比0.3，密度8×kg/。A（0，0，0）B（2，0，0）C（2.3，2，0）D（1.9，0.45，0）E（1，0.25，0）。EDCBAEDCBA機(jī)翼模型簡(jiǎn)圖1 前處理1.1 定義單元類(lèi)型MainMenu-Preprocessor-ElementType-Add/Edit/Delete。出現(xiàn)ElementType對(duì)話(huà)框，單擊Add按鈕，出現(xiàn)LibraryofElementTypes對(duì)話(huà)框，單擊StructuralSolid，選擇Quad4node42，單擊Apply按鈕。單擊StructuralSolid，選擇Brick8node45，單擊OK按鈕。單擊ElementType對(duì)話(huà)框中的Close按鈕。1.2定義材料屬性MainMenu-Preprocessor-MaterialProps-MaterialModels，出現(xiàn)DefineMaterialModelBehavior對(duì)話(huà)框，連續(xù)雙擊Structural-Linear-Elastic-Isotropic，出現(xiàn)IsotropicMaterialProperties對(duì)話(huà)框，在EX后輸入2E11，在PRXY后輸入0.3，單擊OK按鈕。在MaterialModelAvailable下面雙擊Structural-Density，彈出DensityforMaterialNumber1對(duì)話(huà)框，在DENS后面輸入7800，單擊OK按鈕。單擊Material-Exit，退出對(duì)話(huà)框。1.3創(chuàng)建幾何模型1）創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)MainMenu-Preprocessor-Modeling-Create-Keypoints-InActiveCS，出現(xiàn)CreateKeypointsinActiveCoordinateSystem對(duì)話(huà)框，在NPTKeypointsnumber后面輸入1，在X，Y，ZLocationinActiveCS后面依次輸入0，0，0，單擊Apply按鈕。重復(fù)該步驟4次，依次輸入編號(hào),2、3、4、5，坐標(biāo)為（2，0，0）、（2.3，0.2，0）（1.9，0.45，0）（1，0.25，0）。單擊OK按鈕。打開(kāi)編號(hào)控制：UtilityMenu-PlotCtrls-Numbering，出現(xiàn)PlotNumberingControls對(duì)話(huà)框，單擊KP右邊的選項(xiàng)為ON，單擊OK按鈕。2）創(chuàng)建直線(xiàn)段MainMenu-Preprocessor-Modeling-Create-Lines-Lines-StraightLine，出現(xiàn)CreateStraightLine拾取菜單，拾取編號(hào)為1和2的關(guān)鍵點(diǎn)，單擊Apply按鈕。重復(fù)該步驟，拾取編號(hào)為1和5的關(guān)鍵點(diǎn)，單擊OK按鈕。3）創(chuàng)建多義線(xiàn)MainMenu-Preprocessor-Modeling-Create-Lines-Splines-WithOptions-SplineThroughKPs，彈出B-Splines拾取菜單，拾取編號(hào)為2、3、4、5的點(diǎn)，單擊OK按鈕，彈出B-Splines對(duì)話(huà)框，在StarttangentXV1，YV1，ZV1后面依次輸入-1、0、0，在Endingtangent后面依次輸入-1、-0.25、0，單擊OK按鈕。）創(chuàng)建面MainMenu-Preprocessor-Modeling-Create-Areas-Arbitrary-ByLines，彈出CreateAreabyLines拾取菜單。用鼠標(biāo)拾取剛創(chuàng)建好的三條線(xiàn)，單擊OK按鈕，屏幕顯示如圖1-1所示。圖1-1機(jī)翼截面模型1.4劃分網(wǎng)格1）設(shè)置單元份數(shù)MainMenu-Preprocessor-Meshing-SizeCntrls-ManualSize-Global-Size，彈出GlobalElementSizes對(duì)話(huà)框，在SIZEElementedgelength后面輸入0.25，單擊OK按鈕。2）劃分面網(wǎng)格MainMenu-Preprocessor-Meshing-Mesh-Areas-Free，彈出MeshArea拾取菜單，單擊PickAll按鈕，彈出警告提示框，提醒所劃分的單元有部分形狀不規(guī)則，關(guān)閉Warning提示框。屏幕顯示如圖1-2所示。圖1-2機(jī)翼的有限元網(wǎng)格3）設(shè)置單元屬性MainMenu-Preprocessor-Modeling-Operate-Extrude-ElmExtOpts，彈出ElementExtrudeOption對(duì)話(huà)框，在Elementtypenumber后面的下拉列表中選擇2SOLID45，在VAL1No.Elemdivs后面輸入10，單擊OK按鈕。4）由面拉伸成體MainMenu-Preprocessor-Modeling-Operate-Extrude-Areas-AlongNormal，出現(xiàn)ExtrudeAreasby拾取菜單，用鼠標(biāo)在屏幕上拾取面，彈出ExtrudeAreaAlongNormal對(duì)話(huà)框，在DISTLengthofextrude后面輸入10，單擊OK按鈕。屏幕上會(huì)出現(xiàn)Warning警告信息提示框，提醒有部分單元形狀不規(guī)則。5）轉(zhuǎn)換視角UtilityMenu-PlotCtrls-PanZoomRotate，彈出PanZoomRotate工具條，單擊Iso選項(xiàng)，得到拉伸之后的機(jī)翼有限元網(wǎng)格模型，如圖1-3所示。圖1-3拉伸之后的機(jī)翼有限元網(wǎng)格模型2 加載及求解2.1加載1）選擇單元UtilityMenu-Select-Entities，彈出SelectEntities工具條，在第一個(gè)下拉列表中選擇Element，在第二個(gè)下拉列表中選擇ByAttribute，單擊選中ElementTypeNumber，在Min，Max，Inc后面輸入1，單擊選中Unselect，單擊Apply按鈕。繼續(xù)利用SelectEntities工具條，在第一個(gè)下拉列表中選擇Nodes，在第二個(gè)下拉列表中選擇ByLocation，坐標(biāo)選中Zcoordinates，在Min，Max輸入欄中輸入0，選擇方式為FromFull，單擊OK按鈕。2）在屏幕上顯示節(jié)點(diǎn)UtilityMenu-Plot-Nodes，屏幕將顯示所有的節(jié)點(diǎn)，如圖2-1所示。圖2-1需要施加零位移約束的節(jié)點(diǎn)3）施加位移約束MainMenu-Solution-DefineLoads-Apply-Structural-Displacement-OnNodes，彈出ApplyU，ROTonNodes拾取菜單，單擊PickAll按鈕，彈出ApplyU，ROTonNodes對(duì)話(huà)框，在Lab2后面的選擇框中選擇ALLDOF，單擊OK按鈕。此時(shí)屏幕顯示如圖2-2所示。圖2-2施加位移約束之后的顯示圖4）選擇所有節(jié)點(diǎn)UtilityMenu-Select-Entities，彈出SelectEntities工具條，在第一個(gè)下拉列表中選擇Nodes，在第二個(gè)下拉列表中選擇ByNum/Pick，單擊選中FromFull，單擊SelectAll。然后單擊Cancle關(guān)閉SelectEntities工具條。2.2求解1）設(shè)定分析類(lèi)型MainMenu-Solution-AnalysisType-NewAnalysis，出現(xiàn)NewAnalysis對(duì)話(huà)框，選中ModalAnalysis，單擊OK按鈕。2）選擇模態(tài)提取方法MainMenu-Solution-AnalysisType-AnalysisOptions，出現(xiàn)ModalAnalysis對(duì)話(huà)框，選中BlockLanczos模態(tài)提取方法，在Numberofmodestoextract處輸入5，在No.ofmodestoexpand處輸入5，單擊OK按鈕。接著出現(xiàn)BlockLanczosMethod對(duì)話(huà)框，單擊OK按鈕接受缺省設(shè)置。3）求解當(dāng)前荷載步MainMenu-Solution-CurrentLS，彈出信息提示框和SolutionCurrentLoadStep對(duì)話(huà)框，單擊OK按鈕進(jìn)行求解。求解過(guò)程中關(guān)閉Warning信息警告提示框，遇到Verify校核對(duì)話(huà)框時(shí)單擊“是（Y）”按鈕，知道求解完成，彈出Solutionisdone提示框，單擊Close關(guān)閉。3 觀察結(jié)果1）觀察求解綜述MainMenu-GeneralPostproc-ResultSummary，在彈出的窗口中將會(huì)看到5階模態(tài)的頻率及其他信息，如圖3-1所示。圖3-15階模態(tài)顯示2）讀入第一階振型MainMenu-GeneralPostproc-ReadResult-FirstSet，讀入第一階振型的數(shù)據(jù)。3）顯示第一階振型的動(dòng)畫(huà)UtilityMenu-PlotCtrls-Animate-ModeShape，彈出AnimateModeShape對(duì)話(huà)框，單擊OK按鈕接受默認(rèn)選項(xiàng)。屏幕將出現(xiàn)一階振型的動(dòng)畫(huà)圖，界面如圖3-2所示。按AimationCo…工具條的Stop按鈕，停止動(dòng)畫(huà)。圖3-2一階振型截圖顯示4）讀取下一階振型MainMenu-GeneralPostproc-ReadResult-NextSet，讀入下一階振型的數(shù)據(jù)。重復(fù)以上步驟可以顯示和關(guān)閉第二、三、四、五階振型的動(dòng)畫(huà)。5）退出求解器MainMenu-Finish。4 擴(kuò)展模態(tài)1）重新進(jìn)入求解器MainMenu-Solution-AnalysisType-ExpansionPass，彈出ExpansionPass對(duì)話(huà)框，單擊ExpansionPass后面的選項(xiàng)為On，單擊OK按鈕。2）設(shè)定擴(kuò)展選項(xiàng)MainMenu-Solution-LoadStepOpts-ExpansionPass-SingleExpand-ExpandModes，彈出ExpandModes對(duì)話(huà)框，在No.ofmodestoExpand后面輸入5，單擊Calculateelemresult選項(xiàng)為Yes，單擊OK按鈕接受其余默認(rèn)設(shè)置。3）輸出控制MainMenu-Solution-LoadStepOpts-Output-DB/ResultFiles,彈出對(duì)話(huà)框，在FREQFilewritefrequency后面選中Everysubstep，單擊OK按鈕。4）擴(kuò)展求解MainMenu-Solution-CurrentLS，彈出信息提示框和SolutionCurrentLoadStep對(duì)話(huà)框，單擊OK按鈕進(jìn)行求解。求解結(jié)束后出現(xiàn)Solutionisdone提示框，單擊Close關(guān)閉。5 對(duì)擴(kuò)展模態(tài)進(jìn)行后處理1）讀入第一階模態(tài)MainMenu-GeneralPostproc-ReadResult-FirstSet。2）顯示相對(duì)位移云圖MainMenu-GeneralPostproc-PlotResults-ContourPlot-NodalSolu，彈出ContourNodalSolutionData對(duì)話(huà)框，在Itemtobecontoured左邊的下拉列表中選中DOFsolution，在右邊的下拉列表中選中TranslationUSUM，在Itemtobeplotted下面單擊選中Def+undefedge，單擊OK按鈕，顯示第一階模態(tài)相對(duì)位移云圖如圖5-1所示。圖5-1第一階模態(tài)相對(duì)位移云圖3）顯示相對(duì)應(yīng)力圖MainMenu-GeneralPostproc-PlotResults-ContourPlot-NodalSolu，彈出ContourNodalSolutionData對(duì)話(huà)框，在Itemtobecontoured左邊的下拉列表中選中Stress，在右邊的下拉列表中選中VonMisesSEQV，在Itemtobeplotted下面單擊選中Def+undefedge，單擊OK按鈕，顯示第一階模態(tài)相對(duì)應(yīng)力云圖如圖5-2