实验项目名称：

ansys-有预应力作用结构的模态分析

项目介绍：

课程性质及背景：

ANSYS软件是目前国际上最著名的大型通用有限元分析软件，经过三十年的发展，已形成融合结构、热、流体、电磁、声学及多物理场耦合为一体的大型通用有限元分析软件，广泛应用于航空航天、石油、化工、汽车、造船、铁道、机械制造等各个领域，其极强的分析功能覆盖了几乎所有的工程问题。

本项目通过实例讲解ANSYS在机械工程中的运用，进行了高速旋转轮盘有预应力作用的模态分析。

已知某一高速旋转轮盘，其截面形状如上图所示，该轮盘安装在某转轴上以 12000 转/分的速度高速旋转。其材料为钢，相关参数为：杨氏模量 EX＝2.1E5Mpa，泊松比  PRXY＝0.3，密度 DENS＝7.8E-9Tn/mm3。求解出该轮盘的前 5 阶固有频率及其对应的模态振型。

实验课程特点及必要性：

实验课程特点：自由度高，人机互动性强，仿真度高，可任意修改器材参数。

“机械结构有限元分析”实验是机械工程开设的专业选课实验，是有限元分析教学的一个重要的实践性环节。学生通过该课程及其实验教学，使学生掌握现代机械设计的一些基本原理和方法，具有一定的利用已有的有限元分析软件对机械结构进行模态分析的能力。掌握机械结构模态测试的原理、方法和相关的仪器、设备的操作，培养学生理论联系实际和动手操作的能力。

项目目的：

1、了解有限元分析软件ANSYS的操作流程；

2、结合高速旋转轮盘的模态分析，学习和掌握一般机械结构的模态分析的方法和步骤。

面向理论课程：

《现代 CAE 技术及应用》

面向专业：

机械设计制造及其自动化

仪器硬件设备及软件环境：

台式计算机，ANSYS14.0软件

实验项目功能及效果：

实验内容或任务：

以高速旋转轮盘为研究对象，说明ANSYS进行实体结构模态分析的具体操作步骤和流程。

1、定义ANSYS分析的工作目录和文件名；

2、定义实体材料的单元类型和材料属性；

3、创建几何模型；进行网格划分；

4、旋转出整个轮盘的有限元模型；

5、边界条件设置及转速的添加；

6、求解；

7、查看求解结果。

实验效果：

1、建立的三维模型；

图1轮盘结构的三维模型

2、网格划分；

图2 不同视图方向划分后的网格

3.考虑预应力并定义边界条件和转速；

图3 考虑预应力并设置约束

4、分析仿真结果。

图5 前五阶频率

图6 各阶对应的模态振型

附件

/COM,STRUCTURAL

/PREP7

/TITLE,modal analysis of a turbo-disk !指定分析标题

/SHOW ！显示分析标题

ET,1,PLANE42 ！定义单元类型

ET,2,SOLID45

MP,EX,1,2.1E5 ！定义材料的弹性模量

MP,PRXY,1,0.3 ！定义泊松比

MP,DENS,1,7.8E-009 ！定义材料密度

BLC4,-15,15,30,25 ！建立矩形面

BLC4,-10,140,20,10

K,9,-4,55,, ！建立关键点

K,10,4,55,,

K,11,-3,140,,

K,12,3,140,,

/PNUM,KP,1 ！显示关键点编号

/PNUM,LINE,1

/PNUM,AREA,1

A,4,9,11,12,10,3 ！通过关键点建立面

!*

LFILLT,1,2,5, , ！给面倒圆角

LFILLT,1,4,5, ,

LSEL,S,LINE,14 ！选择编号为14的线

LSEL,A,LINE,17

ASBL, 1, ALL ！用选择的线分割面

ALLSEL,ALL ！选择所有的线

ADELE,4,5, ,1 ！删除面

AADD,ALL ！将所有的面相加

NUMCMP,ALL ！压缩模型中所有元素的编号

ESIZE,6.7,0, ！指定单元尺寸

LESIZE,11,,,1 ！对线的网格进行控制

LESIEZ,14,,,1

AMESH,ALL ！划分所有面的网格

K,,-10,0,0, ！创建关键点

K,,10,0,0,

TYPE,2 ！指定生成体的单元类型

EXTOPT,ESIZE,18,0, ！指定单元分划数

EXTOPT,ACLEAR,1 ！清除原面网格

VROTAT,ALL, , , , , ,15,16,！绕关键点15、！16构成的轴将所划的面网格旋转360度

wpro,,,90.000000 ！将工作平面绕Y轴选转90度

CSWPLA,11,1,1,1, ！在工作平面原点创建柱坐标系，并激活

NROTAT,ALL ！将所有节点旋转到激活坐标系

FINISH

/SOLU ！进入求解菜单

ANTYPE,0 ！指定分析类型为静力分析

PSTRES,ON ！ 打开预应力选项

NSEL,S,LOC,X,15 !选择内孔上的节点

D,ALL, , , , , ,UY,UZ, , , , ！将所选节点的Y、Z方向位移约束

ALLSEL,ALL ！选择所有元素

OMEGA,1256.64,0,0,0 ！定义绕轴旋转角速度

SAVE ！保存数据库文件

SOLVE ！进行静力求解

FINISH

ANTYPE,2 ！指定为模态分析!

MODOPT,LANB,10 ！指定提取特征值数及所用方法

MXPAND,10, , ,0 ！指定扩展的模态阶数

PSTRES,1 ！打开预应力选项

SAVE ！保存数据库文件

SOLVE ！进行模态求解

FINISH

/POST1 ！进入通用后处理器

SET,LIST ！列出所有结果

SET,FIRST ！读入第一结果子集

PLNSOL,U,SUM,0,1 ！对读入子集的总变形进行云图显示

SET,NEXT

PLNSOL,U,SUM,0,1

FINISH

备注

要求学生有有限元及计算机基础运用技能