《ANSYS谐响应分析在结构受迫振动中的应用》
ANSYS谐响应分析
ANSYS谐响应分析ANSYS谐响应分析是一种常见的工程分析方法，适用于对结构、机械和电子系统的动态响应进行预测和优化。
在这种分析中，系统的响应将被建模为正弦或余弦函数的和，称为谐波。
通过分析系统在不同频率下的响应，可以确定系统的固有频率、振动模态和动态性能。
1.准备模型：首先，需要准备模型并进行几何建模。
这包括选择材料属性、定义边界条件和加载条件。
在谐响应分析中，通常使用静力加载来模拟系统振动的激励。
2.确定固有频率：在进行谐响应分析之前，需要确定系统的固有频率。
这可以通过进行模态分析来完成。
模态分析是一种分析方法，用于确定系统的固有频率和振型。
通过查看模态分析的结果，可以确定系统的响应频率范围。
3.设置谐振状态：在进行谐响应分析之前，需要明确要分析的振动频率范围。
这可以通过选择分析频率范围并设置振动荷载的频率来完成。
在ANSYS中，可以选择一个或多个分析频率，并设置载荷的相位和振幅。
4. 进行求解：在所有输入条件都设置好之后，可以开始运行谐响应分析。
在ANSYS中，可以使用ANSYS Mechanical或ANSYS Workbench等模块来进行求解。
系统的振动响应将在选择的频率范围内进行计算和分析。
5.结果分析：完成求解后，可以查看并分析计算结果。
ANSYS提供了丰富的后处理工具，用于可视化和分析分析结果。
可以查看系统的位移、速度、加速度和应力等响应结果，并通过其他参数来优化系统的设计。
谐响应分析在工程设计中具有重要的应用价值。
通过分析和优化系统的谐响应性能，可以改善结构的稳定性和可靠性。
例如，在建筑结构设计中，可以通过谐响应分析来确定楼层的固有频率和响应模态，从而减少振动和噪声的问题。
在机械系统设计中，可以通过谐响应分析来确定机械部件的振动模态，从而优化机械系统的可靠性和工作效率。
总之，ANSYS谐响应分析是一种重要的工程分析方法，可以用来预测和优化结构、机械和电子系统的动态响应。
谐响应分析可以通过ANSYS软件进行，通过明确振动频率范围和谐振状态，进行求解和结果分析，可以得到系统在不同频率下的振动响应和优化方案。
谐响应
ANSYS的谐响应分析只计算结构的稳态受迫振动，而不考虑发生在激励开始时瞬态振动，谐响应分析能够预测结构的持续动力特性，从而验证结构能否克服共振、疲劳、以及其他受迫振动引起的有害效果结构在受迫振动中的能量响应是其他响应（位移、速度、加速度等）之源，结构的能量共振是其他响应产生突变和共振之源。
当激励荷载的频率与结构系统自振频率很接近时，结构的能量响应会出现非常大的突变，即能量共振，能量共振的幅度受结构阻尼比的影响。
阻尼比越小，能量共振峰越陡峭，而对应的结构振幅就越大。
因此结构阻比在受迫振动中是不容忽视的。
阻尼是动力分析的一大特点，也是动力分析中容易引起困惑之处，由于它影响动力响应的衰减，因此对于谐响应分析十分重要。
阻尼的本质和表现是相当复杂的，相应的模型也很多。
ANSYS提供了强大又丰富的阻尼输入，比例阻尼、材料阻尼、恒定阻尼比，振型阻尼和单元阻尼。
谐响应分析有三种求解方法：完全法（容易使用，求解精度高，允许非对称矩阵，可定义各种类型荷载，但不能分析有预应力存在的谐响应）、缩减法（可以考虑预应力，由于采用主自由度求解，结果不如完全法精确）和模态叠加法（计算速度更快，可以使解按结构频率聚集，可以包含预应力效果，但不能施加非零位移约束）。
应用ANSYS的谐响应分析求解该线性结构承受正弦波动下系统的响应。
利用ANSYS提供的正弦函数方式输入实际的谐波激励，并利用后处理功能得到幅值—相位方式的输出结果。
应用ANSYS的谐响应分析可以很好的计算和分析周期载荷作用下结构的受迫振动问题，有效的克服了常规结构设计软件在这方面的欠缺。
通过ANSYS的计算表明：增大设备扰力作用方向建筑区的刚度可以有效的减少振动影响，从而限制楼层振幅。
在工作主频段（0—50HZ）以内，所选节点谐响应曲线光滑，振动幅值很小，不会产生共振，结构设计符合要求在某一频率附近，出现明显峰值，说明外力频率与固有频率相同或接近时会发生共振。
如条件允许，可进一步提高工作频率，那么为防止共振现象发生，所选频率应该远离共振区结构的动态特性分析属于动力分析范畴，主要包括模态分析，谐响应分析，瞬态动力分析和谱分析《基于ANSYS的高速电主轴静动态特性研究》作者：宋春明，赵宁，张士勇，张政武：（1）在ANSYS中建立了其轴承-主轴转子系统二维有限元模型。
ANSYS动力分析—谐响应分析（转载）
ANSYS动力分析—谐响应分析（转载）谐响应分析1.谐响应分析的定义：谐响应分析是用于确定线性结构在承受随时间按正弦（简谐）规律变化的载荷时稳态响应的一种技术。
分析的目的是计算结构在几种频率下的响应并得到一些响应值对频率的曲线。
该技术只计算结构的稳态受迫振动，不考虑结构发在激励开始时的瞬态振动。
谐响应分析使设计人员能预测结构的持续动力特性，从而使设计人员能够验证其设计是否能够克服，疲劳，共振，及其他受迫振动应起的有害效果。
谐响应分析是一种线性分析，非线性特性被忽略。
2.谐响应分析的求解方法。
full（完全法）reduced（缩减法）mode superpos'n(模态叠加法)full（完全法）允许定义各种类型的荷载；预应力选项不可用；reduced（缩减法）可以考虑预应力；只能施加单元荷载（压力，温度等）mode superpos'n(模态叠加法)通过对模态分析的道德振型（特征向量）乘以因子并求和来计算出结果的响应。
可以包含预应力，可以考虑振型阻尼，不能施加非零位移谐响应分析的基本步骤：完全法分析过程有3个主要步骤：建模，加载求解，结果后处理1.建立模型同样非线性行为将被忽略2.加载求解*指定分析类型为：harmonic*指定分析选项：包括solution method和dof printout format （解的输出形式）及use lumped mass approx？（质量矩阵形成方式）*在模型上加载：谐响应分析所加的载荷随时间按正弦规律变化。
指定一个完整的简谐荷载需要输入3条信息。
幅值(amplitude)、相位角(phase angle)、强制频率范围(forcing frequency range) 注意：谐响应分析不能同时计算多个频率的荷载作用，但可以分别计算，后叠加。
*谐响应分析荷载步选项普通选项：number of substebs(谐响应节数目)，选择加载方式stepped or ramped动力学选项：频率范围 frequence range ，阻尼(damping)输出控制选项：*开始求解3.观察结果缩减法谐响应分析步骤1.建模2.加载并得减缩解3.观察节缩解结果4.扩展解5.观察扩展的解结果与full法不同的是，要定义主自由度。
ANSYS谐响应分析实例-振动电机轴分析
AnsysWorkBench11.0振动电机轴谐响应分析最小网站长：kingstudio最小网Ansys 教程频道为您打造最IN 的教程/1．谐响应分析简介任何持续的周期载荷将在结构系统中产生持续的周期响应（谐响应）。
谐响应分析是用于确定线性结构在承受随时间按正弦（简谐）规律变化的载荷时的稳态响应的一种技术。
分析的目的是计算出结构在几种频率下的响应并得到一些响应值（通常是位移）对频率的曲线。
从这些曲线上可以找到“峰值”响应，并进一步观察峰值频率对应的应力。
该技术只计算结构的稳态受迫振动，而不考虑发生在激励开始时的瞬态振动。
（见图1）。
谐响应分析使设计人员能预测结构的持续动力特性，从而使设计人员能够验证其设计能否成功地克服共振、疲劳，及其它受迫振动引起的有害效果。
谐响应分析是一种线性分析。
任何非线性特性，如塑性和接触（间隙）单元，即使定义了也将被忽略。
分析中可以包含非对称系统矩阵，如分析在流体─结构相互作用中问题。
谐响应分析也可以分析有预应力结构，如小提琴的弦（假定简谐应力比预加的拉伸应力小得多）。
谐响应分析的定义与应用介绍：/ArticleContent.asp?ID=7852. 工程背景在长距离振动输送机、概率振动筛等变载荷振动机械中，由于载荷的变化幅度较大，且多为冲击或交变载荷，使得作为动力源与振动源的振动电机寿命大为缩短，其中振动电机阶梯轴的弹塑性变形又会中速振动电机的失效，故研究振动电机轴的谐响应，进而合理设计其尺寸与结构，是角决振动电机在此类场合过早失效的主要途径之一。
现以某型振动电机阶梯轴为分对象，振动电机属于将动帮源与振动源合为一体的电动施转式激振源，在振动电机轴两端分别装有两个偏心块，工作时电机轴还动两偏心块作顺转无能无力产生周期性激振力t sin F F 1ω=，其中为施加载荷，由些电机轴受到偏心块施加的变载荷冲击，极易产生变形和疲劳损坏，更严重者，当激振力的频率与阶梯轴的固有频率相等时，就会发生共振，造成电机严重破坏，故对电机进行谐应力分析很必要。
ANSYS中的模态分析与谐响应分析
ANSYS中的模态分析与谐响应分析模态分析是分析结构的动力特性，与结构受什么样的荷载没有关系，只要给定了质量、弹性模量、泊松比等材料参数，并施加了边界约束就可以得到此状态下的各阶自振频率和振型（也称为模态）。
谐响应分析是分析结构在不同频率的简谐荷载作用下的动力响应，是与结构所受荷载相关的，只是结构所受荷载的都是简谐荷载，而且荷载频率的变化范围在谐响应分析时要给出来。
比如，在ANSYS谐响应分析中要给出这样的语句FK,3,FX,7071,7071 ！指定点荷载的实部和虚部（或者幅值和相位角）HARFRQ,0,2.5, ！指定荷载频率的变化范围，也就是说只分析结构所受频率从0到2.5HZ之间的荷载NSUBST,100, ！指定频率从0到2.5之间分100步进行计算这样，结构所受的这个点荷载的表达式实际上是F=(7071+i*7071)*exp(i*omiga*t) !式中omiga从0到2.5*2*3.1415926变化分析得到结果是各点物理量随频率变化的，但物理量的值一般为复数，包括实部的虚部，这可以从后处理LIST结点值看出来。
个人认为进行谐响应分析并不一定要先进行模态分析（也叫振型分析、振型分解等），而直接进行谐响应分析后查看结构的物理量随频率变化曲线时也会看到在结构的自振频率处响应会放大（共振）。
如果已经进行过模态分析的话，会发现谐响应分析时的共振频率和模态分析提到的自振频率是一致的。
但有些时候模态分析中得到的有些频率在谐响应分析的频响曲线里可能很不明显。
因此，只能说在谐响应分析前进行一下模态分析可以对结构的自振特性有个了解，以便验证谐响应分析结果是否合理。
另外，谐响应分析应该是频域分析方法的一个部分。
对于相地震那样的时间过程线，直接进行时域分析（ANSYS里用暂态分析）可得到结构随时间的响应。
而如果进行频域分析，就应该通过傅立叶变换把时域地震曲线变为由多个简谐荷载的叠加，然后再以此简谐荷载做为谐响应分析时的荷载进行谐响应分析，最后再对谐响应分析得到的结果进行傅立叶逆变换得到时域的结果。
有限元 ansys 单自自由度系统的受迫振动
+机电工程学院有限元分析及应用学号：专业: 机械制造及其自动化学生姓名：哈工程任课教师：钟宇光副教授2012年11月单自自由度系统的受迫振动单自由度系统如图，M=1kg，弹簧刚度k=10000N/M，阻尼系数C=63N·S/M,作用在系统上的激振力f（t）=Fsinwt，F=2000N,w为激振频率。
单自由度系统一分析步骤1，创建单元类型执行命令Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete,弹出“Element Types”对话框，单击Add按钮，弹出“Library of Element Types ”对话框，在左边的滚动条中选择Structural及其下的 Combination，在右边的滚动条中选择 Spring-damper14 ，单击Apply按钮。
在左面滚动栏中选择“Structural”及其下的“Mass”，在右面的滚动栏中选中“ 3D mass 21”,单击Ok按钮。
2，定义时常数执行命令Main Menu > Preprocessor > Real Constants >Add/Edit/Delete。
定义mass 21的质量为1kg， Combination14单元的刚度和阻尼系数分别为k=10000N/M，C=63N·S/M。
3，创建关键点并创建直线选择Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Keypoints>In Active CS,创建关键点。
执行命令Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create >lines>Straight line，创建直线。
4，划分单元利用Main Menu > Preprocessor>Meshing>MeshTool进行划分单元。
ansys谐响应分析演示文稿
谐响应分析
…定义和目的
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
谐响应分析
…定义和目的
• 谐响应分析只能计算结构的稳态响应，不考虑发生在激励开始时的瞬态振动。
• 谐响应分析是一种线性分析，任何非线性环节即使定义也会被忽略。
• 输入：
– 已知大小和频率的谐载荷（力、压力和强迫位移） – 同一频率的多种载荷，力和位移可以是同相或不同相的。表面载荷和体载荷的相位角度
可以指定为零。
• 输出：
ansys谐响应分析演示文稿
ansys谐响应分析
谐响应分析
A、谐响应分析的定义和目的 B、关于谐响应分析的基本术语和概念 C、谐响应分析在ANSYS中的应用 D、谐响应分析的实例练习
谐响应分析
定义和目的
什么是谐响应分析？
• 确定一个线性结构在持续的周期性（随时间成正弦或余弦变化）荷载作用下的持 续的周期性响应（稳态响应）。
虚部
谐响应分析-术语和概念
谐载荷
• 随时间成正弦或余弦变化的载荷
• 同时作用的谐载荷必须是相同频率
的载荷 实部
• 相位角ψ允许不同相位的多个载荷 同时作用，ψ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。
谐响应分析-术语和概念
频率
频率
•频率反映载荷随时间变化的快慢 •谐响应分析输出的是响应量随频率的变化关系图 •在谐分析中，所有节点振动的频率都相同，但振动的相位可能不同 •在谐分析中，必须指定频率范围及其分割数(nsubst)。 •Ansys谐分析中的自动频率分割法能自动大致估计并选择共振频率，有效避 免无关频率分析过细，重要频带（共振频率附近的频率）分析较少的现象。
ANSYS简谐分析
ANSYS 理论与工程应用
7-15
Stepped与ramped的区别
Stepped :
F 4F/5
3F/5
2F/5
F/5
Ramped
:
F
ANSYS 理论与工程应用
7-16
Stepped与ramped的区别
Stepped :
荷载一次加到位 ， 各 Substeps 荷载值相同，保 证荷载不随频率 改变
ANSYS 理论与工程应用
7-7
Full 法缺点：
1. 预应力选项不可用 2. 采用Frontal方程求解器时开销大 （采用JCG或ICCG求解器效率很高）
ANSYS 理论与工程应用
7-8
Reduced 法通过采用主自由度和缩减矩 阵来压缩问题的规模。主自由度处的位移 得到后再扩展到结构的所有自由度。
ANSYS 理论与工程应用
谐响应分析模块的局限：
1. 所有荷载必须是同频率的谐振荷载 2. 不能考虑材料的非线性 3. 不计算瞬态效应 4. Restart不可用，须进行一次新的分
析
ANSYS 理论与工程应用
7-4
谐响应分析求解方法的比较
•Full 法 •Reduced 法 •Mode Superposition 法
函数）
ANSYS 理论与工程应用
7-12
缺点：
1. 不能施加非零位移 2. 在模态分析中使用PowerDynamics法时
，初始条件中不能有预加的载荷。
ANSYS 理论与工程应用
7-13
简谐分析需要输入阻尼和密度。
程序中有三处可以输入阻尼,但对 应的计算结果不同.
ANSYS 理论与工程应用
7-14
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2006年用户年会论文
ANSYS谐响应分析在结构受迫振动中的应用
[李亚楠俞新蔡绍元徐志刚]
[中国五环化学工程公司，湖北武汉 430079]
[ 摘要 ] 建筑结构上的设备振动所引起的楼层振幅不仅给结构安全带来隐患，而且影响其他设备的正常运转。
常规的结构设计软件不能考虑设备振动所产生的周期载荷，给结构计算带来诸多不便，
而ANSYS的谐响应分析很好地解决了设备运转所产生的结构受迫振动问题。
本文通过 ANSYS
有限元软件计算分析，采取合理措施，有效地限制了结构受迫振动所引起的楼层振幅。
[ 关键词]ANSYS；谐响应；受迫振动；楼层振幅
Application of harmonic response analysis of ANSYS in the forced vibrations of structures
[Li Yanan Yu Xin Cai Shaoyuan Xu Zhigang]
[China Wuhuan Chemical Engineering Corp. , Wuhan Hubei 430079 China]
[ Abstract ] The vibration of equipments on the architectural structure brings the floor amplitude, it not only brings the hidden trouble for the structural safety, but also affects the natural work of the
other equipments. The usual structure design software can not consider periodic loads that
are brought as a result of the vibration of equipments, it brings a lot of trouble to structural
calculation, however, the harmonic response analysis of ANSYS commendably solves the
matters of forced vibrations that are brought as a result of the operation of equipments. In
this paper, with the calculation and analysis of ANSYS, reasonable measures are taken, it is
solved how to effectively restrict the floor amplitude that is brought as a result of forced
vibrations.
[ Keyword ] ANSYS; harmonic response; forced vibrations; floor amplitude
1前言
目前，在石油、化工、电力等工业领域，振动设备在厂房结构中是相当普遍的，而设备振动所产生的周期荷载将在结构系统中产生持续的周期谐响应，由此所引起的楼层振幅不仅给结构安全带来隐患，而且影响其他设备的正常运转。
常规的结构设计软件无法模拟周期载荷的幅值、相位及频率，给结构计算带来诸多不便，而ANSYS的谐响应分析很好地解决了设备运转所产生的结构受迫振动问题，既保证了计算精度，又解决了实际问题。
2006年用户年会论文
2用ANSYS 进行有限元计算分析
有限元法是目前工程技术领域中实用性最强、应用最为广泛的数值计算方法。
其中以ANSYS为代表的有限元分析软件具有以下优点：减少设计成本、缩短设计和分析的循环周期、增加产品和工程的可靠性、采用优化设计、降低材料的消耗和成本、在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题、可以进行模拟实验分析、进行机械事故分析，查找事故原因。
ANSYS软件是集结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，可广泛地应用于土木工程、交通、水利、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、国防军工、电子、造船、生物医学、地矿、日用家电等一般工业及科学研究。
ANSYS的谐响应分析只计算结构的稳态受迫振动，而不考虑发生在激励开始时的瞬态振动，谐响应分析能够预测结构的持续动力特性，从而验证结构能否克服共振、疲劳、以及其他受迫振动引起的有害效果。
2.1单元类型的选取
本文的有限元分析，主要用到ANSYS单元库提供的以下单元类型：EAM188、BEAM44、SHELL63、LINK8和MASS21。
BEAM188单元用于模拟钢筋混凝土框架中的框架柱和框架梁；BEAM44单元用于模拟铰接次梁；SHELL63单元用于模拟框架上的楼板；LINK8单元用于模拟搂层立面上只承受拉压的钢支撑；MASS21单元用于模拟楼层上的设备载荷。
2.2 阻尼的确定
结构在受迫振动中的能量响应是其它响应(位移、速度、加速度等)之源，结构的能量共振是其它响应产生突变和共振之源。
当激励荷载的频率与结构系统自振频率很接近时，结构的能量响应会出现非常大的突变，即能量共振，能量共振的幅度受结构阻尼比的影响，阻尼比越小，能量共振峰越陡峭，而对应的结构振幅就越大。
因此，结构阻尼比在受迫振动中是不容忽视的。
阻尼是动力分析的一大特点，也是动力分析中容易引起困惑之处，由于它影响动力响应的衰减，因此对于谐响应分析十分重要。
阻尼的本质和表现是相当复杂的，相应的模型也很多。
ANSYS提供了强大又丰富的阻尼输入，比例阻尼、材料阻尼、恒定阻尼比、振型阻尼和单元阻尼。
本文采用最常用且能满足大多数工程实际的比例阻尼，用α阻尼和β阻尼实现。
2.3 求解方法
ANSYS的谐响应分析有三种求解方法：完全法、缩减法和模态叠加法。
完全法（又称Full法）容易使用，求解精度高，允许非对称矩阵，可以定义各种类型荷载，但不能分析有预应力存在的谐响应；缩减法可以考虑预应力，但由于采用主自由度求解，结果不如完全法精确；模态叠加法的计算速度更快，可以使解按结构固有频率聚集，可以包含预应力效果，但不能施加非零位移约束。
本文根据工程实际（要求精度高，没有预应力，单元个数和自由度不算很多），采用完全法求解。
2006年用户年会论文
2.4 算例
2.4.1工程概况
本工程为七层的工业厂房，振动设备布置在楼面上，
沿X、Y方向作往复振动，设备厂家提供了正弦波形式
的简谐力荷载。
由于该工程与日方合作，为了考虑舒适
度和结构安全，根据各类条件，日本规范明确规定了该
μ的限制。
工程搂层振幅不得超过80m
2.4.2 计算分析
为了合理地考虑设备振动产生的简谐力荷载，分析
结构在稳态受迫振动下引起楼层振幅的数值计算和幅值
控制问题，我们需要应用ANSYS的谐响应分析求解该线
性结构承受正弦波动下系统的响应，利用ANSYS提供的
正弦函数方式输入实际的谐波激励，并利用后处理功能得到幅值—相位方式的输出结果。
μ的振幅限值，为了有效的控制搂层振幅，并通过计算，原有的结构方案不满足80m
满足工业建筑对结构立面空间的要求，我们采取延长横梁、设置∧形立面钢支撑的措施来增加在设备扰力方向建筑物的刚度，以减少振动影响，从而控制楼层幅值。
计算结果显示，该方法是行之有效的，采取控制措施后搂层振幅数值如表1所示：
μ
表1 不同方向谐波激励作用下楼层水平振幅()m
3结论
本文借助于有限元分析软件ANSYS对工业设备运转所产生的结构受迫振动问题进行了深入的分析，得出了以下几点结论：
（1）应用ANSYS的谐响应分析可以很好地计算和分析周期荷载作用下结构的受迫振动问题，有效的克服了常规结构设计软件在这方面的欠缺。
（2）通过ANSYS的计算表明：增大设备扰力作用方向建筑物的刚度可以有效的减少振动影响，从而限制楼层振幅。
[参考文献]
[1]谭建国.使用ANSYS 6.0进行有限元分析.北京：北京大学出版社，2002
[2]谢能刚,宋修广.多自由度结构受迫振动中的能量共振.振动与冲击，2002，21(3)。