ANSYS實(shí)例分析-飛機(jī)機(jī)翼

ANSYS實(shí)例分析模型飛機(jī)機(jī)翼模態(tài)分析一，問題講述。如圖所示為一模型飛機(jī)機(jī)翼，其長(zhǎng)度方向橫截面形狀一致，機(jī)翼的一 端固定在機(jī)體上，另一端為懸空自由端，試對(duì)機(jī)翼進(jìn)行模態(tài)分析并顯 示機(jī)翼的模態(tài)自由度。是根據(jù)一下的參數(shù)求解。機(jī)翼材料參數(shù)：彈性模量EX=7GPa泊松電PRXY=0.26密度 ABDENS=1500kg/m機(jī)翼幾何參數(shù)：A(0, 0)； B(2, 0); C(2.5, 0.2) ; D(1.8, 0.45) ; E (1.1 , 0.3)。問題分析該問題屬于動(dòng)力學(xué)中的模態(tài)分析問題。在分析過程分別用直線段和樣 條曲線描述機(jī)翼的橫截面形狀，選擇PLANE4和SOLID4彈元進(jìn)行求 解。求解步驟:第1步：指定分析標(biāo)題并設(shè)置分析范疇1 .選取菜單途徑 Utility Menu>File>Change Title2 .輸入文字 “ Modal analysis of a model airplane wing ”，然 后單擊OK3 .選取菜單途徑 Main Menu>Preferences.4 .單擊Structure選項(xiàng)使之為ON單擊OK主要為其命名的作用。第2步：定義單元類型1 .選取菜單途徑：MainMenu>Preprocessor>Elemen t Type>Add/Edit/Delete 。2 .Element Types 對(duì)話框?qū)⒊霈F(xiàn)。E *43 .單擊 Add。Library ofElement Types對(duì)話框?qū)⒊霈F(xiàn)。4 .在左邊的滾動(dòng)框中單擊“Structural Solid5 .在右邊的滾動(dòng)框中單擊“Quad 4node 42”6 .單擊 Apply。7 .在右邊的滾動(dòng)框中單擊“Brick 8node 45 ”。8 .單擊OK9 .單擊Element Types對(duì)話框中的Close按鈕國(guó) FrvprWMWrQ Ad<l DOFS平D Tft 國(guó)I UMI 國(guó)陽yrUJ2pi 國(guó)：EMliAriS 國(guó) 由 MhKim 事 OwCUnQ Ctrl* 國(guó) Mwmtwin GrH S A1yhMB9* CM|H國(guó) FLOTUUMI Mf u；p FSI St Up 區(qū) HMUXd X Up 國(guó) LMdA Phy*31 國(guó)Gp*ratfiicrnrB 畫 SolwtMfl 國(guó) i&erffHer*l iMtjprwEDefined Eleioent Types:Typ 巳1PLAWB42Type 2SOLID45第3步：指定材料性能1 .選取菜單途徑 Main Menu>Preprocessor>MaterialProps>-Constant-Isot ropic 。Isotropic Material Properties 對(duì) 話框?qū)⒊霈F(xiàn)。2 .在OK單擊以指定材料號(hào)為1。第二個(gè)對(duì)話框?qū)⒊霈F(xiàn)。3 .輸入EX為7E104 .輸入 DEN的 1500、5 .輸入 PRXW 0.26。A 口由地 forNumtwr /Density for Ihterial Number 1InITeiiperatijffe,s DENS 150（|Md 工物peratutrd加1酸白.erMurEGraph”O(jiān)K CmhI|6 .單擊OK第4步：在給定的位置生成關(guān)鍵點(diǎn)1 .選取菜單途徑MainMenu>Preprocessor>-Modeling-Creat>Keypoints>In Active CS 。Creat Keypoints in Active Coordinate System對(duì)話框?qū)⒊霈F(xiàn)。2 .輸入Keypoint number （關(guān)鍵點(diǎn)號(hào)）為1, X,Y,Z位置分別為0,0,0。可用TAB鍵在輸入?yún)^(qū)之間移動(dòng)。3 .單擊 Apply。4 .對(duì)下面的關(guān)鍵點(diǎn)及X, Y, Z位置重復(fù)這一過程：關(guān)鍵點(diǎn)2: 2,0,0關(guān)鍵點(diǎn) 3: 2.3,0.2,0關(guān)鍵點(diǎn) 4: 1.9,0.45,0關(guān)鍵點(diǎn) 5: 1,0.25,05 .輸入完最后一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)后，單擊 OK6 .選取菜單途徑 Utility Menu>PlotCtrls>WindowControls>Window Options。7 .在Location of triad 滾動(dòng)框中，找到“ Not shown”并選中它TE RMANSYSW U 50158.單擊OK9 .選取菜單途徑 Utility Menu>PlotCtrls>Numbering 。10 .單擊Keypoint numbering使之成為 ON然后單擊 OK在ANSYS 圖形窗口中將出現(xiàn)帶有編號(hào)的關(guān)鍵點(diǎn)。第5步：在關(guān)鍵點(diǎn)間生成直線和樣條曲線1 .選取菜單途徑MainMenu>Preprocessor>-Modeling-Create>-Lines-Lines>Straight Line。拾取菜單（Picking Men。Create Straight Lines 將出現(xiàn)。2 .在關(guān)鍵點(diǎn)1和2上按順序各單擊一次。在關(guān)鍵點(diǎn)間將出現(xiàn)一條 直線。3 .在關(guān)鍵點(diǎn)5和1上按順序各單擊一次。在關(guān)鍵點(diǎn)間將出現(xiàn)一條 直線。4 .在拾取菜單中單擊OK5 .選取菜單途徑 MainMenu>Preprocessor>-Modeling-Create>-Lines- Splines>Withoptions > Spline thru kps 。拾取菜單 B_Spline 將出現(xiàn)。6 .按順序選中關(guān)鍵點(diǎn)2,3,4,5 ,然后單擊OK B_Spline對(duì)話框?qū)?出現(xiàn)。7 .輸入 XV1,YV1,EV1 分別為-1,0,0 , XV6,YV6,EV6分別為 -1,-0.25,0 。8.單擊OK機(jī)翼的曲線部分將出現(xiàn)在圖中。第6步：生成橫截面1 .選取菜單途徑MainMenu>Preprocessor>-Modeling-Create>-Areas-Arbitary>ByLines。拾取菜單 Create Area by Lines將出現(xiàn)。2 .單擊所有的三條線各一次3 .單擊OK線圍成的面將以高亮度顯示出來4 .在 ANSYS Toolbar 上單擊 SAVE DBIANSYS T“l(fā)barPsAVE_DB RESUMJBANSYS Main Memi5 7步：指定網(wǎng)格密度并對(duì)面進(jìn)行網(wǎng)格1 .選取菜單途徑 Main Menu>Preprocessor>-Meshing-Size Cntrls>-ManualSize-Global-Size 。Global Element Size 對(duì)話框?qū)?出現(xiàn)。2 .在 element edge length（單元邊長(zhǎng)）處輸入 0.25。3.單擊OK4 .選取菜單MainMenu>Preprocessor>-Meshing-Mesh>-Areas-Free 。拾取菜單 MeshAreas將出現(xiàn)。5 .單擊Pick All 。（如果出現(xiàn)警告框，單擊close。請(qǐng)看下面的注釋。）6 .在 ANSYS Toolbar 上單擊 SAVE DB第8步：設(shè)置線被劃分的段數(shù)（下圖僅為參考之用，不具備實(shí)際效果，與操作有關(guān)）1.1 .在 MODELINGOPERATEEXTRUDE,ELEM EXT OPT12 .在 Number of element divisions處輸入 10。3 .單擊OKBhflWIiCtl.-inlCMtom三WK勺 爵 ttttaiQlMwrQpi BCbktMi BM目用 BCMM 3 scMiftfOrii HHtnMrfCM BAkHhMaM自住inufi *皿|岫* aUMl 圖忡總 打班附1機(jī)1N Hg*第9步：將帶網(wǎng)格的面拉伸成帶網(wǎng)格的體1 .選取菜單途徑 Main Menu>meshPreprocessor>-Attributes-Define>Default Attribs 。 Meshing Attributes對(duì)話框?qū)⒊霈F(xiàn)。2 .在 element type number 處輸入 2。3 .單擊OK4 .選取菜單途徑 MainMenu>Preprocessor>-Modeling-Operate>Extrude/Sweep>-Areas-By XYZ Offset。拾取菜單 Extrude Area by Offset 將出現(xiàn)。5.單擊 Pick AllExtrude Areas by XYZ Offset對(duì)話框?qū)⒊霈F(xiàn)6 .在 offset for extrusion處輸入 0,0,10。7 .單擊OK （如果出現(xiàn)警告框，單擊close。請(qǐng)看下面的注釋。）注意 一 在這個(gè)例子中采用SOLID45單元是為了讓ANSYS/E詼 用戶也能做此實(shí)例。使用這種單元會(huì)導(dǎo)致如下警告：“ The mesh of volume 1 contains SOLID45 degenerate elements , which are much too stiff in bending. Use quadratic elements if posssble.”。如果當(dāng)前使用的不是 ANSYS/ED,可以用SOLID95單元進(jìn)行分析。8 .選取菜單途徑 Utility Menu>PlotCtrls>Pan,Zoom,Rotate 。9 .單擊“ ISO”，然后單擊close。10 .在 ANSYS Toolbar 上單擊 SAVE_DB第10步：進(jìn)入求解器并指定分析類型和選項(xiàng)1 .選取菜單途徑 Main Menu>Solution>-Analysis Type-New Analysis 。 New Analysis 對(duì)話框?qū)⒊霈F(xiàn)。2 .選中Modal analysis ,然后單擊 OK3 .選取菜單途徑 Main Menu>Solution>-Analysis Options , Modal Analysis對(duì)話框?qū)⒊霈F(xiàn)4 .選中Subspace模態(tài)提取法。5 .在 Number of modes to extract 處輸入 5。6 .單擊 OK Subspace Modal Analysis 對(duì)話框?qū)⒊霈F(xiàn)。7 .單擊OK接受缺省值。第11步：釋放已選的PLANE4#元應(yīng)當(dāng)釋放用于2-D面網(wǎng)格劃分的PLANE44元，因?yàn)樗鼈儾槐貐? .選取菜單途徑 Utility Menu>Select>Entities 。 SelectEntities對(duì)話框?qū)⒊霈F(xiàn)。2 .在對(duì)話框上部的兩個(gè)滾動(dòng)框中，選取“ Elements"和" ByAttribute ” 。3 .單擊Elem type num 選項(xiàng)使之成為 ON4 .在Min,Max,Inc區(qū)輸入單元類型號(hào)為1。5 .單擊Unselect選項(xiàng)使之成為ON6 .單擊 Apply。第12步：對(duì)模型施加約束1 .選取菜單途徑 Utility Menu>Select>Entities 。 Select Entities 對(duì)話框?qū)⒊霈F(xiàn)。2 .在對(duì)話框上部的兩個(gè)滾動(dòng)框中，選“Nodes和"By Location3 .單擊Z coordinates 選項(xiàng)使之為 ON4 .在Min,Max區(qū)輸入Z坐標(biāo)為0。5 .單擊From Full選項(xiàng)使之為ON6 .單擊 Apply。7 .選取菜單途徑MainMenu>Solution>-Loads-Apply>-Structural-Displacement>-On Nodes拾取菜單 Apply U,ROT on Nodes將會(huì)出現(xiàn)。8 .單擊 Pick All 。Apply U,ROT on Nodes 對(duì)話框?qū)⒊霈F(xiàn)。9 .單擊“ All自由度（DOF ”。10.單擊OK* Z coordinates|By Location 二X coordinaltiiY coordinates* Z coordinatesMinMax& From FullD Apply DiiplKanenb U.ROTl on NockLab2 DOFs to be ronstrainedAll DOFUX UVUZVELXApply,ConEtant value ReaclectAlso SelectUnselectIf Constant vake then；VALUE Displacement valueSele AllInvertSele NoneSele Uelo11 .在Select Entities對(duì)話框中的第二個(gè)滾動(dòng)框中選取“ ByNum/Pick” 。12 .單擊 Sele All13 .單擊 Cancel。A Select EntitiesNodesPilotAirplnlHelp逐訕.1.達(dá)1OKApplyriotHeplol/ Select Entuties|Nodes 二|By Num/Piick“ From Full RcscledAlso Selecl UneledSele All InvertSele None第13步：指定要擴(kuò)展的模態(tài)數(shù)并求解1 .選取菜單途徑 Main Menu>Solution>-Load StepOpts-ExpansionPass>Expand Modes。 Expand Modes 對(duì)話框?qū)⒊霈F(xiàn)。2 .在 number of modes to expand 處輸入 5。3 .單擊OK4 .選取菜單途徑 Main Menu>Solution>-Solve-Current LS 。瀏覽 在/STAT命令對(duì)話框中出現(xiàn)的信息，然后使用 File>Close關(guān)閉該對(duì) 話框。5 .單擊 OK 在出現(xiàn)警告 “ A check of your model data produced21 warnings. Should the SOLVommancbe executed?”時(shí)單擊 Yes。6 .在出現(xiàn)警告 “ A check of your model data produced 1 Warning。 Should the SOLV command be executed? ” 時(shí)單擊 Yes。7 .求解過程結(jié)束后單擊close 。第14步：列出固有頻率1.選取菜單途徑 Main Menu>General Postproc>Results Summary瀏覽對(duì)話框中的信息然后用File>Close關(guān)閉該對(duì)話框tproc.ts ,1 tfiE1 !"illsoir UuFa 已bhles t icn acre tSET IIHEZFRE4 LOAD STEF BUBBTEP CUMULATIUE1 1.C&T3：ill2 H 版J1223 S53134 41.435144S155:torDi as *第15步：觀察解得的五階模態(tài)在X11 Motif 系統(tǒng)中:1 .選取菜單途徑 Main Menu>General Postproc>-ReadResults-First Set 。2 .選取菜單途徑 Utility Menu>PlotCtrls>Animate>Mode Shape Animate Mode Shape對(duì)話框?qū)⒊霈F(xiàn)。3 .在 time delay <seconds> 處輸入 0.5。4 .單擊OK Animation Controller 對(duì)話框?qū)?huì)出現(xiàn)，動(dòng)畫開始播 放。5 .單擊Stop停止動(dòng)畫播放。6 .選取菜單途徑 Main Menu>General Postproc>-Read Results-Next Set 。7 .選取菜單途徑 Utility Menu>PlotCtrls>Animate>Mode Shape Animate Mode Shape對(duì)話框?qū)⒊霈F(xiàn)。8 .單擊OK接受先前的設(shè)置。動(dòng)畫開始播放。9 .單擊Stop停止動(dòng)畫播放。10 .對(duì)剩余的三個(gè)模態(tài)重復(fù)步驟 69。在 Windows NT 或 Windows 96 系統(tǒng)中：1 .選取菜單途徑 Main Menu>General Postproc>-Read Results-First Set 。2 .選取菜單途徑 Utility Menu>PlotCtrls>Animate>Mode Shape Media Player-file.avi對(duì)話框?qū)⒊霈F(xiàn)。3 .在對(duì)話框中選擇Edit>Options。Options對(duì)話框?qū)?huì)出現(xiàn)。5 .單擊Play toolbar 上的按鈕（4）觀察動(dòng)畫播放。6 .單擊Stop toolbar 上的按鈕（<）。7 .選取菜單途徑 Main Menu>General PostProc>-Read Results-Next Set 。8 .選取菜單途徑 Utility Menu>Plot Ctrls>Animate>Mode Shape9 .單擊Play toolbar上的按鈕觀察動(dòng)畫。10 .單擊Stop toolbar 上的按鈕。11 .對(duì)剩余的三個(gè)模態(tài)重復(fù)步驟 710。一，一階二階模態(tài)三階ANSYSISHF-100:51:45例1X13兄 如=/例Model aul戶im of a del uzplaM wuugANSYSDI5FIACE3OTMfidjil SMlyais mE a ndtl AirplAoe wlnSIEM5U3 =4 EMil.4352 Uffl =,C454D1HCV 1； 201500:51:45四階叮皿CEI叫=4后招M =a021516五階巴 SEN&EK?5IEF=1SE3 H EM-t=41,4352 昭=.D45G1JKl!00:：RSFIACEMMANSYSSIEP-1HEglX溫 3K =.04540100:54:27第16步：退出ANSYS1.在 ANSYS Toolbar 中選 QUIT。72.選 Quit-No Save!3.單擊OK二，請(qǐng)描述平面結(jié)構(gòu)有限元求解的基本步驟針對(duì)平面結(jié)構(gòu)問題只須考慮平行于某個(gè)平面的位移分量、應(yīng)變分量與應(yīng)力分量，且這些量只是兩個(gè)坐標(biāo)的函數(shù)，平面問題分平面應(yīng)力 問題和平面應(yīng)變問題兩類。針對(duì)二維的連續(xù)介質(zhì)，對(duì)平面結(jié)構(gòu)的有限 元分析步驟如下：1）用虛擬的直線把原介質(zhì)分割成有限個(gè)平面單元， 這些直線是單 元的邊界，幾條直線的焦點(diǎn)即為節(jié)點(diǎn)。2）假定個(gè)單元在節(jié)點(diǎn)上互相較接，節(jié)點(diǎn)位移是基本的未知量。3）選擇一個(gè)函數(shù)，用單元的三個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移唯一的表示單元內(nèi)部任一點(diǎn) 的位移，此函數(shù)稱為位移函數(shù)。4）通過位移函數(shù)，用節(jié)點(diǎn)位移唯一的表示單元內(nèi)任一節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變； 再利用廣義的胡克定律，用節(jié)點(diǎn)位移可唯一的表示單元內(nèi)任一點(diǎn)的應(yīng) 力。5）利用能量原理找到與單元內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)等效的節(jié)點(diǎn)力；再利用 單元應(yīng)力與節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系，建立等效節(jié)點(diǎn)力與節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系。6）將每一單元所承受的載荷，按靜力等效原則移置到節(jié)點(diǎn)上。7 ）在每一節(jié)點(diǎn)建立用節(jié)點(diǎn)位移表示的靜力平衡方程，得到一個(gè)線 性方程組；解出這個(gè)方程組，求出節(jié)點(diǎn)位移；然后可求得每個(gè)單元的 應(yīng)力。三，空間結(jié)構(gòu)中一般采用哪些單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，請(qǐng)描述這些常用單元的基本特性。Beam碌受拉、壓、彎、扭的單軸受力單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)上有六個(gè)自由度：x、y、z三個(gè)方向的線位移 和繞x,y,z三個(gè)軸的角位移SOLID5三維耦合場(chǎng)體單元，8個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)最多有6個(gè) 自由度LINK8三維桿（或桁架）單元，用來模擬：桁架、纜索、連 桿、彈簧等等，是桿軸方向的拉壓?jiǎn)卧?，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有三個(gè)自 由度：沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系X、Y、Z方向的平動(dòng)Shell434節(jié)點(diǎn)塑性大應(yīng)變單元，適合模擬線性、彎曲及適當(dāng) 厚度的殼體結(jié)構(gòu)。單元中每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有六個(gè)自由度：沿 x、y 和z方向的平動(dòng)自由度以及繞x、y和z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由 度Shell63 彈性殼單元，具有彎曲能力和又具有膜力，可以承 受平面內(nèi)荷載和法向荷載。本單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有6個(gè)自由度：沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系X、Y、Z方向的平動(dòng)和沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系 X、Y、Z軸 的轉(zhuǎn)動(dòng)SOLID643-D#向異性結(jié)構(gòu)實(shí)體單元，用于各向異性實(shí)體結(jié)構(gòu)的3D建模。單元有8個(gè)結(jié)點(diǎn)，每個(gè)結(jié)點(diǎn)3個(gè)自由度，即沿x、 y、z的平動(dòng)自由度SOLID65用于含鋼筋或不含鋼筋的三維實(shí)體模型。該實(shí)體模型 可具有拉裂與壓碎的性能PLANE754節(jié)點(diǎn)軸對(duì)稱諧波熱單元，作軸對(duì)稱環(huán)單元，具有 3維熱傳 導(dǎo)能力。本單元有4個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只有一個(gè)自由度-溫度TEMPPLANE788節(jié)點(diǎn)軸對(duì)稱-諧波熱單元，軸對(duì)稱環(huán)單元，具有3維熱傳導(dǎo) 能力。本單元有8個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只有一個(gè)自由度-溫度 TEMPBeam1883維線性有限應(yīng)變梁?jiǎn)卧?，適合于分析從細(xì)長(zhǎng)到 中等粗短的梁結(jié)構(gòu)四，如何描述根據(jù)虛位移原理來獲得單元的剛度矩陣的公式推 導(dǎo)過程。答：根據(jù)虛位移原理對(duì)單元進(jìn)行分析時(shí)，單元是在等效節(jié)點(diǎn)里的作用下處于 平衡的，而這種節(jié)點(diǎn)力可采用列陣表示為"=履 R；匕 Uj VJ Um .假設(shè)在單元中發(fā)生有虛位移，則相應(yīng)的三個(gè)節(jié)點(diǎn)i、j、m的虛位移為加*=況期物8um次且假設(shè)單元內(nèi)各點(diǎn)的虛位移為jr,并具有與真實(shí)立移相同的位移模式。故有口=睡）單元內(nèi)的虛應(yīng)變&*為,*二球"于是作用在單元體上的外力在虛位移上所做的功可以寫為長(zhǎng)而單元內(nèi)的應(yīng)力在虛應(yīng)變上所做的功為胖*烝辦=例 f Jf5f DfBtdxdy根據(jù)虛位移原理，可得到單元的虛功方程即盧砂即打胖他咻加四所以可得r6=同即加帥y記同二口忸回畫烝不則有停4小邸上式就是表征單元的節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移之間關(guān)系的剛度方程，同.就是單元?jiǎng)偠染仃嚒?