实验四-五：结构静力分析与ANSYS模态分析
ansys先静力分析后模态分析的程序
考虑热应力的模态分析 (2007-06-18 16:49:28)标签： cae fea 模态有限元分析热应力愿与大家分享，共同进步。
当然也欢迎大家把自己的想法与我交流。
考虑预应力影响的模态分析的方法如下：1。
先进行静力分析，注意分析时打开预应力开关(PSTRES,ON)。
2。
改变分析类型，获取模态解。
(再用一次PSTRES,ON)3。
特别注意：a.静力分析中和随后的模态分析中的集中质量选项(LUMPM)必须一致。
b.进行模态分析时，应保证静力分析的保存的.emat和.esav文件存在。
c.步骤1也可以是瞬态分析，但应当在需要的时间保存.emat和.esave文件。
下面是自己做的一个小例子。
两端固结的梁，长10m，截面为0.1m*0.1m,材质为钢材。
对比降温90度前后的模态分析解。
!考虑温度预应力的模态分析FINI/CLEAR,NOSTART/prep7k,1,0,0,0k,2,10,0,0l,1,2et,1,beam4MP,EX,1,200e9MP,NUXY,1,0.3mp,alpx,1,0.000012MP,dens,1,7800R,1,0.01,8.3E-6,8.3E-6,0.1,0.1, , //定义常系数LESIZE,ALL, , ,10, , , , ,1 //定义线上的单元数LMESH,ALL //划分线生成线单元/SOLU //进入求解器单元ANTYPE,STATIC //定义分析类型PSTRES,ON //是否计入预应力lumpm,offNSEL,S,LOC,X,0D,all,all //施加约束ALLSEL,ALL //选择所有实体NSEL,S,LOC,X,10D,ALL,UYD,all,allesel,allacel,,-9.8, //定义结构线性加速度BFE,all,TEMP,1,+70, , ,ALLSEL,ALLSOLVESAVEFINI/SOLUANTYPE,MODAL //选择分析类型MODOPT,LANB,10 //模态分析选项EQSLV,SPARMXPAND,0, , ,0lumpm,offPSTRES,1MODOPT,LANB,10,0,500, ,OFF //模态分析选项和模态分析方法NSEL,S,LOC,X,0D, all,allALLSEL,ALLNSEL,S,LOC,X,10 //节点的选择D, all,allALLSEL,ALL //选择所有实体SOLVESAVE/POST1SET,LIST!不考虑温度预应力FINI/CLEAR,NOSTART/prep7k,1,0,0,0k,2,10,0,0l,1,2et,1,beam4MP,EX,1,200e9MP,NUXY,1,0.3mp,alpx,1,0.000012MP,dens,1,7800R,1,0.01,8.3E-6,8.3E-6,0.1,0.1, , //定义常系数LESIZE,ALL, , ,10, , , , ,1 //定义线上的单元数LMESH,ALL //划分线生成线单元/SOLU //进入求解器单元ANTYPE,STATIC //定义分析类型PSTRES,ON //是否计入预应力lumpm,offNSEL,S,LOC,X,0D,all,all //施加约束ALLSEL,ALL //选择所有实体NSEL,S,LOC,X,10D,ALL,UYD,all,allesel,allacel,,-9.8, //定义结构线性加速度!BFE,all,TEMP,1, +70, , ,ALLSEL,ALLSOLVESAVEFINI/SOLU //进入求解器单元ANTYPE,MODAL //分析类型MODOPT,LANB,10 //模态分析选项EQSLV,SPARMXPAND,0, , ,0lumpm,off // Use the element-dependent default mass matrix formulation (default). PSTRES,1 //是否计入预应力MODOPT,LANB,10,0,500, ,OFF //模态分析选项和模态分析方法NSEL,S,LOC,X,0D, all,all //施加约束ALLSEL,ALL //选择所有实体NSEL,S,LOC,X,10 //节点的选择D, all,all //施加约束ALLSEL,ALL //选择所有实体SOLVESAVE/POST1 //进入通用后处理器SET,LIST不考虑预应力的结果考虑预应力的结果SET TIME/FREQ SET TIME/FREQ1 5.1946 1 10.4462 5.1946 2 10.4463 14.320 3 22.8334 14.320 4 22.8335 28.088 5 38.4496 28.088 6 38.4497 46.493 7 57.9838 46.493 8 57.9839 69.639 9 81.85210 69.639 10 81.852。
ANSYS-模态分析 介绍
模态分析总论
• 运动学基本方程: }+ [C]{u }+ [K ]{u} = {F(t )} [M ]{ u • 假定自由振动并忽略阻尼:
}+ [K ]{u} = {0} [M ]{ u
2
Training Manual
DYNAMICS 11.0
• 假定谐波形式响应 (u = U sin( ωt ) )
其它分析选项
• 集中质量矩阵：
– –
Training Manual
DYNAMICS 11.0
主要用于细长梁或薄壳，或者波传播问题； 对 PowerDynamics 法，自动选择集中质量矩阵。 用于计算具有预应力结构的模态（以后讨论）。 阻尼仅在选用阻尼模态提取法时使用； 可以使用阻尼比α阻尼和β阻尼； 对BEAM4 和 PIPE16 单元，允许使用陀螺阻尼。
Training Manual
第二章 模态分析
模态分析总论
Training Manual
DYNAMICS 11.0
• 模态分析用来确定结构的振动特性的一种技术:
– 固有频率 – 振型 – 模态参与因子（结构振型在给定方向的参与程度)
• 是其他动力学分析的起点和基础.
模态分析总论
• 模态分析工程应用
DYNAMICS 11.0
子空间法
Training Manual
DYNAMICS 11.0
• 子空间法 ：比较适合于提取类似中型到大型 模型的较少的振型 （<40）
– 需要相对较少的内存； – 实体单元和壳单元应当具有较好的单元形状，要对 任何关于单元形状的警告信息予以注意； – 在具有刚体振型时可能会出现收敛问题； – 建议在具有约束方程时不要用此方法。
ansys实验报告
ansys实验报告ANSYS实验报告一、引言ANSYS是一款广泛应用于工程领域的有限元分析软件，它能够模拟和分析各种结构和物理现象。
本实验旨在通过使用ANSYS软件，对一个具体的工程问题进行模拟和分析，以探究其性能和行为。
二、实验目的本次实验的主要目的是通过ANSYS软件对一个简单的悬臂梁进行分析，研究其在不同加载条件下的应力和变形情况，并进一步了解悬臂梁的力学行为。
三、实验步骤1. 准备工作：安装并启动ANSYS软件，并导入悬臂梁的几何模型。
2. 材料定义：选择适当的材料，并设置其力学性质，如弹性模量和泊松比。
3. 约束条件：定义悬臂梁的边界条件，包括支撑点和加载点。
4. 加载条件：施加适当的力或压力到加载点，模拟实际工程中的加载情况。
5. 分析模型：选择适当的分析方法，如静力学分析或模态分析，对悬臂梁进行计算。
6. 结果分析：根据计算结果，分析悬臂梁在不同加载条件下的应力和变形情况，并进行比较和讨论。
四、实验结果经过计算和分析，我们得到了悬臂梁在不同加载条件下的应力和变形情况。
在静力学分析中，我们观察到加载点附近的应力集中现象，并且应力随着加载的增加而增大。
在模态分析中，我们研究了悬臂梁的固有频率和振型，并发现了一些共振现象。
五、讨论与分析根据实验结果，我们可以得出一些结论和讨论。
首先，悬臂梁在加载点附近容易发生应力集中，这可能导致结构的破坏和失效。
因此，在实际工程中，我们需要采取适当的措施来减轻应力集中的影响，如增加结构的刚度或改变加载方式。
其次，悬臂梁的固有频率和振型对结构的稳定性和动态响应有重要影响。
通过模态分析，我们可以确定悬臂梁的主要振动模态，并根据需要进行结构优化。
六、结论通过本次实验，我们成功地使用ANSYS软件对一个悬臂梁进行了模拟和分析。
通过对悬臂梁的应力和变形情况的研究，我们深入了解了悬臂梁的力学行为，并得出了一些有价值的结论和讨论。
在实际工程中，这些研究结果可以为设计和优化结构提供参考和指导。
ANSYS结构分析教程篇
ANSYS结构分析基础篇一、总体介绍进行有限元分析的基本流程：1.分析前的思考1)采用哪种分析静态,模态,动态...2)模型是零件还是装配件零件可以form a part形成装配件,有时为了划分六面体网格采用零件,但零件间需定义bond接触3)单元类型选择线单元,面单元还是实体单元4)是否可以简化模型如镜像对称,轴对称2.预处理1)建立模型2)定义材料3)划分网格4)施加载荷及边界条件3.求解4.后处理1)查看结果位移,应力,应变,支反力2)根据标准规范评估结构的可靠性3)优化结构设计高阶篇：一、结构的离散化将结构或弹性体人为地划分成由有限个单元,并通过有限个节点相互连接的离散系统;这一步要解决以下几个方面的问题:1、选择一个适当的参考系,既要考虑到工程设计习惯,又要照顾到建立模型的方便;2、根据结构的特点,选择不同类型的单元;对复合结构可能同时用到多种类型的单元,此时还需要考虑不同类型单元的连接处理等问题;3、根据计算分析的精度、周期及费用等方面的要求,合理确定单元的尺寸和阶次;4、根据工程需要,确定分析类型和计算工况;要考虑参数区间及确定最危险工况等问题;5、根据结构的实际支撑情况及受载状态,确定各工况的边界约束和有效计算载荷;二、选择位移插值函数1、位移插值函数的要求在有限元法中通常选择多项式函数作为单元位移插值函数,并利用节点处的位移连续性条件,将位移插值函数整理成以下形函数矩阵与单元节点位移向量的乘积形式;位移插值函数需要满足相容协调条件,采用多项式形式的位移插值函数,这一条件始终可以满足;但近年来有人提出了一些新的位移插值函数,如：三角函数、样条函数及双曲函数等,此时需要检查是否满足相容条件;2、位移插值函数的收敛性完备性要求：1 位移插值函数必须包含常应变状态;2位移插值函数必须包含刚体位移;3、复杂单元形函数的构造对于高阶复杂单元,利用节点处的位移连续性条件求解形函数,实际上是不可行的;因此在实际应用中更多的情况下是利用形函数的性质来构造形函数;形函数的性质：1相关节点处的值为 1,不相关节点处的值为 0;2形函数之和恒等于 1;这里我们称为的相关节点, 为的相关节点,其它点均为不相关节点;三、单元分析目的：计算单元弹性应变能和外力虚功;使用最小势能原理,需要计算结构势能,由弹性应变能和外力虚功两部分构成;结构已经被离散,弹性应变能可以由单元弹性应变能叠加得到,外力虚功中的体力、面力都是分布在单元上的,也可以采用叠加计算;2、计算单元外力功从前面推导可以看出：单元弹性应变能可计算的部分只有单元刚度矩阵,单元外力虚功可计算的部分只有单元等效体力载荷向量和等效面力载荷向量;在实际分析时并不需要进行上述推导,只需要将假定的位移插值函数代入本节推导得出的单元刚度矩阵、等效体力载荷向量和等效面力载荷向量的计算公式即可;所以我们说有限元分析的第三步是计算单元刚度矩阵、等效体力载荷向量和等效面力载荷向量;几点说明：1单元刚度矩阵具有正定性、奇异性和对称性三各重要特性;所谓正定性指所有对角线元素都是正数,其物理意义是位移方向与载荷方向一致；奇异性是说单元刚度矩阵不满秩是奇异矩阵,其物理意义是单元含有刚体位移；对称性是说单元刚度矩阵是对称矩阵,程序设计时可以充分利用;2按照本节公式计算的单元等效体力载荷向量和等效面力载荷向量称为一致载荷向量;实际分析时有时也采用静力学原理计算单元等效体力载荷向量和等效面力载荷向量,实际应用表明在大多数情况下,这样做可以简化计算,同时又基本上不影响分析结果;二、预处理总述1、实体分析可是3D或2D,3D分析采用的高阶单元SOLID186或SOLID187划分的四面体TET 或六面体HEX单元,2D分析采用的高阶单元的三角形TRI或四边形QUA单元,2D分析时需要在创建项目时在GEOMETRY的分析类型项选择2D,实体分析得每个节点结构上只有3个自由度,如下图所示2、面体分析几何上是2D但离散元是3D,通常面体厚度给予赋值;面体网格划分采用壳单元,具有6个自由度;3、线体几何上是1D,离散元是3D,截面形状可通过line body进行设置,线体网格划分采用梁单元,具有6个自由度;4、同个part下的所有body共享相交边界,网格划分时共用交界上的节点,不需要设置接触;5、NameSelection的使用技巧,在model模块下,可点击右键insert NameSelection,一般Nameselection的选择方法可用几何选取,直接在模型上鼠标点选;另一种实用的选取方法为Worksheet,可以添加多种条件进行筛选,模型划分网格后,可以精确到对每个单元的选取;三、网格划分1、relevance选项控制网格的精度,值在-100到100间,越小越粗糙,越大越精密;relevance center 控制relevance中间点的精度,element size控制整个模型的最大单元尺寸;2、网格的高级尺寸控制a)接近度和曲度结合控制b)曲度c)邻近度d)固定尺寸曲度对于一些含曲线特征的几何体,可以控制其划分网格的精密度邻近度可以控制某个区域两个邻近的几何特征间的网格划分密度2、网格的高级选项形状检测：标准力学-线性分析、模态和热分析进阶力学-大变形分析、材料的非线性分析3、局部网格划分控制Method 选择Automatic 首先若能SWEEP则选用sweep划分HEX网格,否则选用patchconforming划分TET网格;四面体TET网格划分有两种方法：patchconforming和patch independent;对于不能通过sweep得到六面体的几何体可以选用Hex dominant或者Multizone划分方法4、尺寸控制Sizing可以通过element size单元最大尺寸、Number of divisions每个边的单元数量、Sphere of influence控制影响区,可设置影响半径来调节网格划分尺寸;Contact sizing可设置接触面的尺寸;5、其他设置element refinement可设置选择几何体的网格密度加密倍数；mapped face meshing 可设置映射面生成结构化网格；可通过side、corner、end点的定义来设置映射策略;inflation control设置膨胀层,主要用于流体分析的边界层划分;pinch 可以移出一些不必要的小的几何特征,划分网格时可以去掉一些小的凸起部分;划分网格前有个小圆台采用pinch划分网格后没有凸台Master选择蓝色线,Slave选择红色线,tolerance的值要比凸台的高度大;6、虚拟拓扑的应用虚拟拓扑有助于优化几何模型,可以合并面,分割面或边来提高网格划分质量;虚拟拓扑可以自动控制虚拟拓扑合并面虚拟拓扑分割边虚拟拓扑设置：behavior可以设置拓扑搜寻深度;7、子模型的应用当原几何模型较大,网格数量有限,为了对模型局部进行更精确的计算分析,可以采用子模型;子模型的一般创建方法：先对整体模型项目A进行分析计算,然后copy原项目得到项目B,对项目B中几何进行切割细化网格,将项目A的solution栏拖到Setup栏,最好在B项目求解设置下的submodeling 插入边界条件,子模型的切割边界应远离高应力区;四、静力学分析线弹性静力分析假设：a)各向同性线弹性材料b)小变形理论c)无时间、无阻尼效应1、point mass,质量点可以通过坐标或选择几何面、线、点加载在几何体上,质量点只受Acceleration,Standard earth gravity,Rotational velocity影响;2、求解设置可设置求解步数,定义每步的终止时间,静力分析中的time只是一个跟踪量求解器选择：自动,直接求解Direct,迭代求解Iterative弱弹簧的使用：为了满足静止约束,程序可自动添加弱弹簧,可以在结果中查看弱弹簧的反力,应该是一个很小的值,并不影响结构的应力分析;惯性释放：当物体受力不平衡产生加速度时,利用惯性释放可以产生一个惯性力进行静力分析,惯性释放只能用于线性结构分析;惯性释放下的应力：静力平衡下的应力3、施加载荷加速度、角速度、压力、力,静水压力模拟水压轴承力Bearing Load,施加在整个圆柱面上;remote force定义力的作用点螺栓预紧力Bolt Pretension施加在圆柱面上,可以定义预紧力或伸长量;Thermal condition,计算热应力,需要设置reference temperature4、施加约束Fix support 约束点、线、面的所有自由度;Displacement 位移约束Elastic Support 无摩擦的弹性支持面Frictionless Support,约束面的法向运动,作用在平面上等同于对称边界条件作用在圆柱面上约束径向运动cylindrical support 只作用在圆柱面上,可以设轴向,径向,切向三个自由度compression only support 基于罚函数方法对目标面建立一个刚性接触面simply supported 作用于点或边,面体或线体,约束所有平动除了转动自由度Fixed rotation 约束转动,放开平动nodal load and support 必须通过name selection 来选取nodetools-Solve process settings可以设置求解用的计算机CPU数五、接触基本设置接触是一种高度非线性特征,接触一般通过接触对描述,包括接触面contact和目标面target,程序一共有5种接触方式,其主要特征如下：Bonded 和 no separation 都是线性接触,bonded使两个接触面固定在一起,无间隙不能相对滑动而no separation 允许有较小的滑动,其他接触都是非线性;contact 接触行为behavior分为对称和非对称两种行为;接触面的处理interface treatment：adjust to touch程序自动取消两个接触面的间隙; add offset 可以设置偏移量,正值使两个接触面靠近可以模拟过盈配合,负值使两个接触面远离;Pinball region 可以设置判断接触区域的大小,当两个面都进入pinball region时程序则判定为发生接触;mesh connections建立网格连接connection worksheet表格查看连接信息joint 定义约束副,共有九种约束形式来约束body-body 或者body-ground;定义joint时需要定义reference和mobile regions,几何窗口左边显示的自由度,其中灰色的是被约束的,彩色的是自由的joint configure可以定义约束的初始状态Set定义初设状态,revert恢复原始状态;对于旋转面或圆柱面的约束类型,可以定义扭转刚度和扭转阻尼;大多数joints都可以通过stops来定义他的运动区域spring and beam：spring可以通过弹簧来连接body,可以定义初始值和弹簧刚度,beam可以定义材料和圆形截面半径;六、remote边界条件1、Remote boundary conditions provide a means to apply a condition whose center of action is not located where the condition is scoped , “remotely”.Remote 边界条件包括 point mass,springs,joints,remote displacement,remote force and moment loads;所有的remote边界条件都是采用MPC约束方程进行计算,几何行为可以设置为rigid,deformable and coupled,remote计算更耗时;设置remote边界一般先定义remote point,可以直接选择几何特征或给定坐标定义,也可以在定义remote边界条件时通过右键“promote remote point”定义;2、behavior controlrigid,deformable and coupled3、pinball control 可以通过pinball大小来定义约束方程的数量4、constraint equations 可以多个remote point间的相互约束关系;七、MultiStep的设置应用1、对于多步分析中的每一步,软件都作为一个独立的分析过程,载荷约束都可以单独设置;对于某些载荷或约束可以通过右键激活或抑制该步当查看计算结果选择两个载荷步之间的时间节点时,如0与1步的,则程序通过线性插值的方式得到的计算结果;2、Solution Combination结果组合Solution Combination可以通过不同的计算环境共享几何网格进行组合Solution Combination也可以通过同一计算环境的不同载荷步进行组合八、模态分析自由振动其中K-刚度矩阵和M-质量矩阵是常量,忽略阻尼C和外力F,应用线弹性材料和小变形理论,结构可以是约束的或非约束的,φ为模态坐标是个相对量;1.结构载荷和热载荷步,非线性接触不适用于模态分析,但可以施加约束或预应力;2.可以定义求解阶数和频率范围;3.由于并没有外部激励,模态变形只是一个相对量,并且是一个质量归一化的量;4.拉伸预应力将会增大自然频率,而压缩预应力将会降低自然频率;九、稳态热分析1.不考虑瞬态影响,K和Q可以是常量也可以是温度的函数,可以施加固定温度的边界条件;壳单元不考虑厚度方向的温度变化,线单元不考虑截面上的温度变化;接触中热传递：如果接触是bonded或no separation,热传递将会发生在pinball区域内的表面热接触通过以下公式进行传热：TCC默认被设为一个较大的数值用来模拟完美传热,同样可以人为设置较低的数值来模拟热阻;2.边界条件heat flow 热流量j/s,可应用于点、线、面heat flux 热通量j/m2/s,只能应用于面2D时可用于线internal heat generation 热源j/m3/s 只能用于实体perfectly insulated 绝热,默认应用于所有未设置边界条件的地方temperature 恒定温度,应用于点、线、面、实体convection 对流只能应用于面,其中h-对流传热系数,Tam-环境温度,用户可以自己设置;radiation 热辐射其中σ-玻尔兹曼常数,程序自动给定；ε-发射率,用户输入;F-form factor角系数,当correlation设为To ambient-F=1,即所有的辐射能都与周围环境进行交换当correlation设为 surface to surface ,辐射能只参与面面之间的交换,这时你可以设置Enclosure每个辐射面应该设置相同的enclosure number和Enclosure type可设为open 或perfect,如果计算报错可将其设为open;十、结果处理1.编辑legendPlane可以通过鼠标左键拖曳生产剖切面,也可以通过局部坐标系的XY平面生产剖切面 Tool 可以通过Geometry selection查看选择几何特征的计算结果,也可以先定义一个局部坐标系,再通过coordinate system查看具体某点局部坐标系的原点的计算结果;chart and Table可以对多个计算结果进行图表分析,Alert可以设置报警值,如强度极限;Geometry可以添加path和surface,path可以通过局部坐标系,边,点来定义,surface可以通过局部坐标系定义;查看edge的结果可以通过鼠标右键Convert to path result转换成基于path的计算结果,把X轴设为S即可绘制关于位置的图表;另外利用path结果可以得到应力线性化用于应力评判;error可以通过高的能量差异区来鉴别几何网格的合理性;可以通过Convergence来判断网格是否足够8.应力奇点,结构分析时由于几何模型、载荷施加等因素常常会导致应力奇点,影响计算结果的准确性,我们通过审查收敛结果来避免应力奇点;如果应力奇异区并不是我们感兴趣的区域,我们可以只对感兴趣区域的计算结果定义收敛控制,如下图所示;ANSYS结构动态分析篇一、简介动态分析包括以下模块：模态分析,谐响应分析,随机振动分析,响应谱分析及瞬态分析;动态分析中结构的惯性、阻尼都扮演着重要角色;自由振动：结构的自然频率和振型激励振动：曲柄轴和其他的旋转机械地震冲击载荷：地震工况,爆炸随机振动：火箭发射,道路交通时间载荷：汽车碰撞,汽锤、水锤等以上每种情况都可以选择相应的动态模块进行分析;1、模态分析模态分析是用来确定结构的振动特性,如自然频率和振型,通常也是进行其他动态分析的先决条件;如汽车的固有频率应发动机频率,叶片在预应力下的振动特性;2、谐响应分析谐响应分析常用来分析结构在持续的简谐载荷下的响应,如转动机械的响应;3、响应谱分析响应谱分析通常用来分析建筑结构在地震工况下的响应;4、随机振动分析宇宙空间站、航天飞机等一般都要进行随机振动分析,以便能承受一段时间内不同频率下的随机载荷;5、瞬态分析动态分析各模块的特点如下：基本方程如下：其中只有瞬态分析允许非线性,包括几何非线性、接触非线性、材料非线性;二、阻尼概述阻尼定义：阻尼是导致振动不断减弱甚至停止的一种能量耗散机制;阻尼一般与材料性质,运动速度,振动频率有关;阻尼分为以下类型：粘性阻尼-缓冲器、减震器材料/固体/滞后阻尼-内摩擦库伦或干摩擦阻尼-滑动摩擦数值阻尼-人工阻尼1、瞬态分析和阻尼模态分析中结构阻尼矩阵C的完整表达式如下：α和β阻尼用来确定瑞利阻尼对于大多数结构来说,α阻尼可以忽略,这时因此对于给定的β,低频率阻尼小,高频率阻尼大;而对于给定的α,低频率阻尼大,高频率阻尼小;α和β阻尼可以通过定义材料时输入：也可以通过全局阻尼输入：2、在谐响应分析中的材料/固体/滞后阻尼全函数的谐响应分析和模态叠加法分析中的结构阻尼矩阵C的完整表达式为：同样,α,β,g可以通过定义材料输入也可以通过求解设置输入：3、模态叠加法分析模态叠加法中的阻尼控制在谐响应分析、瞬态分析、响应谱分析及随机振动分析中都支持以下表达式：4、数值阻尼数值阻尼并不是真实的阻尼,是人工抑制由高频结构产生的数值噪声;默认值为用来过滤掉虚假的高频模态;使用较小的值来过滤掉对最终结果影响较小的非物理响应;注意：数值阻尼只适用于瞬态分析;三、模态分析应用模态分析用来分析结构的振动特性自然频率和振型,是大多数动态分析得基础;假设和限制：结构是线性的M和K是常量.线性无阻尼的自由振动方程：假设{u}为简谐运动,则有因此求解行列式的特征值和特征向量;注意,{φ}为振型反应结构振幅的比例关系,可对质量矩阵进行正则化2、参与因子与有效质量参与因子：,其中{D}是笛卡尔坐标系中各个坐标轴单位位移响应;测量各个模态在各个方向运动的总质量,较大的值意味着该模态在该方向容易被激励;有效质量：理论上,各个方向的有效质量的总和应该等于结构的总质量,但取决于模态展开的数量;3、模态展开方法接触：由于模态分析时线性分析,只允许Bonded和No separation,其他接触程序视为无接触;4、阻尼模态分析特征值是复杂的,特征值的虚数部分表示自然频率,而实数部分衡量系统的稳定性,正值不稳定,负值稳定;模态展开方法：四、谐响应分析应用输入条件：简谐变化的载荷力,压力和位移,多个载荷应具有同样得频率,力和位移可以是同相或异相;假设和限制：结构具有固定的或与频率相关的刚度,阻尼,质量,不允许非线性；所有的载荷位移按相同频率做简谐变化;当施加的载荷的频率接近结构的自然频率时,发生共振；增加阻尼降低响应的振幅；阻尼较小的变化都会导致共振区响应的大幅变化；谐响应的运动方程如下：求解方法有两种：1、全函数法,直接求解矩阵方程;该方法求解准确,但速度慢于MSUP且耗资源,支持几乎所有的载荷和边界条件,其中加速度、轴承载荷、力矩相角只能为0;2、模态叠加法MUSP,对方程进行坐标变换{u}={φ}{y},将{M}和{K}变换成对角矩阵进行解耦,再求解n个解耦的方程{y},其中{C}必须是是对称矩阵,此方法需先进行模态分析;模态叠加法是一种近似求解,准确度取决了模态的展开阶数,一般比FULL法快;基本设置：cluster results-include residual vector-在模态叠加分析中,当施加的载荷激励高阶模态时,动态响应将会很粗糙;因此采用residual vector方法,除了采用模态的特征向量,还利用附件的模态转换向量来计算高阶频率;五、响应谱分析响应谱分析主要用来替代时程分析来确定结构对时间变化载荷的响应：如地震载荷,风载,海浪载荷,活塞载荷,火箭发动机振动等;对于多自由度长时程的分析往往通过响应谱分析来近似快速的求解最大响应;1、响应谱响应谱一般是单自由度系统在给定时程内的最大响应,该响应可以是位移,速度和加速度;多个不同频率相同阻尼的单自由度振荡器K,C,M就可以绘制响应谱,其中阻尼已经包含在响应谱中,也可以给定其他的阻尼绘制相应的响应谱;位移,速度,加速度响应谱之间是可以相互转换的,转换公式如下：2、分析类型响应谱分析分为单点响应谱SPRS分析和多点响应谱分析MPRS.SPRS-已知激励方向和频率的响应谱作用在所有的支撑点上,通常用来分析建筑结构的地震载荷;参与因子γ是对给定自然频率结构响应的量度,表征每个模态对特定方向的响应贡献多少;对于每个特征频率ω,谱值S都可以通过对数插值从响应谱中得到,但超过响应谱频率不会进行插值,而是取最近点的谱值;模态系数A,定义为放大系数来乘以特征向量来给出每个模态的实际位移,计算公式如下;响应R,计算公式如下如果系统有多个模态,那么应该对各个模态下的响应R进行叠加组合响应谱分析计算最大的位移和应力响应,它不能准确计算实际响应,因此有以下3种叠加方法SRSS,CQC和ROSE;SRSS:以下情况,SRSS法不再适用：1)考虑近间距自然频率的模态2)考虑部分或全刚度响应的模态3)包含未展开的高阶频率4、如果各阶模态频率有足够的间距,可以使用SRSS法叠加;评判各阶模态是否是近距频率,对于不同的阻尼比有不同的评判准则;对于阻尼比ζ≤2%,如果fi<fj,且fj≤,则是近距频率；对于阻尼比ζ＞2%,如果fi<fj,且fj≤1+5ζfi,则是近距频率;对于近距频率模态,可选用CQC或ROSE进行叠加,其中纠正系数0≤ε≤1,ε=0,不纠正；ε=1,全纠正；0<ε<1,部分纠正;CQC和ROSE计算公式中ε是基于模态的频率和阻尼计算得到;CQC计算公式如下ROSE计算公式如下5、响应谱中有两个特征频率fsp峰值频率和fzpa0周期加速度区域低频区<fsp,不考虑模态纠正除非有近距频率,可用SRSS,CQC或ROSE;中频区在fsp和fzpa之间,由周期区向刚性区转变,模态包含周期部分和刚性部分,通常用系数α将响应分为周期部分和刚性部分;α=0,周期；α=1,刚性；0<α<1,部分周期部分刚性;高频区>fzpa,刚性区,模态需要完全纠正;计算α有两种方法：Lindley-Yow和Gupta;Lindley-Yow法：α=αSa, α=ZPA/Sa,ZPA-0周期的加速度,Sa第i阶频率的加速度;当Sa<ZPA,α=0；Sa=ZPA, α=1；Sa>ZPA,随着Sa的减小α增大;Gupta法：α=αf,Lindley-Yow法中刚性响应影响所有的模态其对应的频率响应Sa>ZPA,但不应该用于其模态频率f<fsp；Gupta法中刚性响应影响所有的模态只有其频率f>f1=fsp,因此Gupta法适用大部分情况,应优先选用;6、刚性响应计算首先如前面描述的单独进行各个模态的响应计算,当打开刚性响应影响Rigid Response Effect时,这些模态响应R就不再是进行直接组合,而是分为周期Rp和刚性部分Rr;刚性响应系数α可选择Gupta或Lindley-Yow法计算;周期部分和刚性部分响应计算如下：然后分别进行组合叠加,对于周期部分响应Rp可用SRSS,CQC或ROSE方法进行叠加,如果含有近距频率模态时需要纠正不能使用SRSS法;刚性部分响应Rr进行代数和叠加即可最后将周期部分响应和刚性部分响应进行组合得到总的响应Rt7、缺省质量响应进行模态分析时,我们不可能展开所有模态来考虑结构100%的质量,因此我们关心的模态中所有质量占总质量的百分比即为有效质量比率,但展开的最高模态频率因远大于响应谱的fzpa,才能得到较为准确的分析结果;有时需要展开的模态阶数太多,我们可以通过模态分析计算缺省的质量将其进行额外的响应分析Missing Mass Response,这样就不必展开的模态频率要远大于fzpa;当f>fzpa,加速度响应是刚性的,因此可以进行静态的加速度分析;1)首先可以计算频率大于fzpa总的惯性力FT2)计算各个模态的惯性力3)计算各模态惯性力的合力。
ANSYS入门——模态分析步骤与实例详解
ANSYS入门——模态分析步骤与实例详解模态分析是ANSYS中的一项重要功能，它用于分析结构的模态特性，如固有频率、模态形态、振型等。
下面将详细介绍ANSYS中模态分析的步骤与实例。
1.准备工作：在进行模态分析前，首先需要完成模型的几何建模、模型的网格划分、边界条件的设定和材料属性的定义等准备工作。
2.设置分析类型：在ANSYS中，可以使用分析类型工具条或命令行指令设置分析类型。
对于模态分析，可以选择"Modal"。
选中“Modal”选项后，会弹出新窗口，用于设置分析的参数。
可以设置计算的模态数目、输出结果的范围、频率的单位等。
3.定义约束条件：在模态分析中，需要定义结构的约束条件，以模拟实际情况。
常见的约束条件有固定支撑、自由边界、对称几何等。
可以使用ANSYS中的约束条件工具条或命令行指令进行定义。
4.定义激励条件：在模态分析中，可以定义激励条件，以模拟结构在特定频率下的振动情况。
常见的激励条件有振动源、压力载荷、重力载荷等。
可以使用ANSYS中的激励条件工具条或命令行指令进行定义。
5.执行分析：完成上述设置后，点击分析工具条中的“运行”按钮，开始执行模态分析。
ANSYS会根据所设定的参数进行计算，并输出相应的结果。
6.结果展示与分析：模态分析完成后，可以查看分析结果并进行进一步的分析。
ANSYS会输出各模态下的固有频率、模态振型、模态质量、模态参与度等信息。
接下来，我们以一个简单的悬臂梁的模态分析为例进行详解。
1.准备工作：在ANSYS中绘制悬臂梁的几何模型，并进行网格划分。
设定材料属性、加载条件和边界条件。
2.设置分析类型：在ANSYS主界面上选择“Workbench”，然后点击“Ana lysis Systems”工具条中的“Modal”选项。
3.定义约束条件：设置悬臂端点的约束条件为固定支撑。
可以使用ANSYS中的“Fixed Support”工具进行设置。
4.定义激励条件：在此示例中，我们只进行自由振动分析，不设置激励条件。
ANSYS结构分析指南结构线性静力分析
ANSYS结构分析指南第二章结构线性静力分析2.1 静力分析的定义静力分析计算在固定不变载荷作用下结构的响应，它不考虑惯性和阻尼影响--如结构受随时间变化载荷作用的情况。
可是，静力分析可以计算那些固定不变的惯性载荷对结构的影响(如重力和离心力)，以及那些可以近似为等价静力作用的随时间变化载荷(如通常在许多建筑规范中所定义的等价静力风载和地震载荷)的作用。
静力分析用于计算由那些不包括惯性和阻尼效应的载荷作用于结构或部件上引起的位移、应力、应变和力。
固定不变的载荷和响应是一种假定，即假定载荷和结构响应随时间的变化非常缓慢。
静力分析所施加的载荷包括：外部施加的作用力和压力稳态的惯性力(如重力和离心力)强迫位移温度载荷(对于温度应变)能流(对于核能膨胀)关于载荷，还可参见§2.3.4。
2.2 线性静力分析与非线性静力分析静力分析既可以是线性的也可以是非线性的。
非线性静力分析包括所有类型的非线性：大变形、塑性、蠕变、应力刚化、接触(间隙)单元、超弹性单元等。
本章主要讨论线性静力分析。
对非线性静力分析只作简单介绍，其详细论述见《ANSYS Structural Analysis Guide》§8。
2.3 静力分析的求解步骤2.3.1 建模首先用户应指定作业名和分析标题，然后通过PREP7 前处理程序定义单元类型、实常数、材料特性、模型的几何元素。
这些步骤是大多数分析类型共同的，并已在《ANSYS Basic Analysis Guide》§1.2 论述。
有关建模的进一步论述，见《ANSYS Modeling and Meshing Guide》。
2.3.1.1 注意事项在进行静力分析时，要注意如下内容：1、可以采用线性或非线性结构单元。
2、材料特性可以是线性或非线性，各向同性或正交各向异性，常数或与温度相关的：必须按某种形式定义刚度(如弹性模量EX，超弹性系数等)。
对于惯性载荷(如重力等)，必须定义质量计算所需的数据，如密度DENS。
ANSYS结构静力分析
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ANSYS非线形分析指南
基本过程
力矩、位移、转动或这些项目的任意组合上。另外，每一个项目 可 以有不同的收敛容限值。 对多自由度问题，你同样也有收敛准则的选择问题。
当你确定你的收敛准则时，记住以力为基础的收敛提供了收敛的绝对量度，而以位移 为基础的收敛仅提供了表观收敛的相对量度。因此，你应当如果需要总是使用以力为基础 （或以力矩为基础的）收敛容限。如果需要可以增加以位移为基础（或以转动为基础的）收 敛检查，但是通常不单独使用它们。
图 1─1 非线性结构行为的普通例子
非线性行为的原因 引起结构非线性的原因很多，它可以被分成三种主要类型：
状态变化（包括接触） 许多普通结构的表现出一种与状态相关的非线性行为,例如，一根只能拉伸的电缆可能
是松散的,也可能是绷紧的。轴承套可能是接触的,也可能是不接触的, 冻土可能是冻结的,也 可能是融化的。这些系统的刚度由于系统状态的改变在不同的值之间突然变化。状态改变也 许和载荷直接有关（如在电缆情况中）， 也可能由某种外部原因引起（如在冻土中的紊乱 热力学条件）。ANSYS 程序中单元的激活与杀死选项用来给这种状态的变化建模。
如果你预料你的结构的行为将从线性到非线性变 化，你也许想要在系统响应的非线性 部分期间变化时间步长。在这样一种情况，你可以激活自动时间分步以 便随需要调整时间 步长，获得精度和代价之间的良好平衡。同样地，如果你不确信你的问题将成功地收敛，你 也许想要使用自动时间分步来激活 ANSYS 程序的二分特点。
无论何时只要平衡迭代收敛失败二分法将把时间步长分成两半然后从最后收敛的子步自动重启动如果已二分的时间步再次收敛失败二分法将再次分割时间步长然后重启动持续这一过程直到获得收敛或到达最小时间步长由你指定
实验四-五：结构静力分析与ANSYS模态分析
3.设置材料属性:MainMenu>Ｐreprocｅssor＞materｉａl proｐｓ> matｅrial mｏdelｓ,弹出一个对话框，在materialｍodels avaiablｅ下面的对话框中双击打开ｓtruｃｔuｒal>linｅaｒ>ｅｌastic>isoｔropic又弹出linｅarｉsoｔropicproｐｅrｔiesｆorｍateｒiａｌNumbeｒ １对话框,在ＥX后面输入1.9E１1,在ＰＲXＹ后面输入栏中输入0.3,在双击deｎsity,在DENS后面输入2.33e3，单击OＫ,然后单击ｍateｒial>exｉt,完成材料属性的设置。如图4-2１．
图４-14
6.施加约束：MaiｎＭenｕ>sｏｌuｔion>defｉne loａds>aｐｐly＞sｔrｕcturaｌ>ｄisplacｅｍｅnt>onareas.拾取圆的周围面，如图:然后单击OK．又出来一个对话框,选择AＬL DOF.单击OＫ。如图4－15.
图4-1５
7.施加载荷：ＭａinＭenu>ｓolution>defｉnelｏads>apｐlｙ>ｓtructural>pressure>ｏｎAreas．出现拾取框,拾取图形上垂直与Ｚ轴并且是穿过坐标（0，0,１３.8８7)的面，然后单击ＯK。出现一个对话框，在ｖalｕeloａｄｐresValuｓ后面输入1000０0，单击OK。如图4－16.
图4-1９
２..设置单元类型:MaｉnＭｅｎu>Preprocessor>eｌemｅｎt tyｐｅ>aｄd／edit／ｄeｌｅte,弹出一个对话框,点击add,显示libｒaryｏfｅlemｅｎｔtype对话框如图:在ｌｉbrarｙof element type下拉列表框中选择stｒuctｕｒal sｏlide项，在其右侧下拉表框中选择brick 8node 45选项，单击OK.在点击close.如图4－20.
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圆形薄膜2
1.先建立一个圆形薄膜：Main Menu>Preprocessor>modeling>Create>volumes>solid cylinder.弹出以个对话框如图，输入数据如图4-10，单击OK.
图4-10
2.设置单元类型：Main Menu>Preprocessor>element type>add/edit/delete,弹出一个对话框，点击add,显示library of element type对话框如图：在library of element type下拉列表框中选择structural solide项，在其右侧下拉表框中选择brick 8node 45选项，单击OK.在点击close.如图4-11.
图4-8
11.显示节点应力云图：Main Menu>generalpostproc>plot results>contour plot>nodal solu，出现如图对话框：在contour nodal solution data对话框中选择item to be contoured> nodal solution>stress>von mises stress,然后单击OK。生成应力云图如图4-9.
图4-2
3.设置材料属性：Main Menu>Preprocessor>material props> material models,弹出一个对话框，在material models avaiable下面的对话框中双击打开structural>linear>elastic>isotropic，又弹出linear isotropic properties for material Number 1对话框，在EX后面输入1.9E11，在PRXY后面输入栏中输入0.3，在双击density,在DENS后面输入2.33e3,单击OK。然后单击material>exit,完成材料属性的设置。如图4. 先建立一个圆形薄膜：Main Menu>Preprocessor>modeling>Create>volumes>solid cylinder.弹出以个对话框如图，输入数据如图4-1，单击OK.
图4-1
2.设置单元类型：Main Menu>Preprocessor>element type>add/edit/delete,弹出一个对话框，点击add,显示library of element type对话框如图：在library of element type下拉列表框中选择structural solide项，在其右侧下拉表框中选择brick 8node 45选项，单击OK.在点击close.如图4-2.
图4-7
8.求解：Main Menu>solution>solve>curentls LS一个信息提示框和对话框，浏览完毕后单击,单击对话框上的OK按钮，开始求解运算，当出现一个solution is done的信息提示框时，单击close按钮，完成求解运算。
9.保存分析结果:utility menu> as.弹出一个对话框，输入plate-resu,.单击OK按钮。
图4-3
4.设置单元尺寸：Main Menu>Preprocessor>meshing>meshtool,弹出一个对话框，单击Global中的SET按钮，弹出Global element sizes对话框，输入size=5e-006,然后单击OK。如图4-4.
图4-4
5..采用自由式网格化生成单元：Main Menu>Preprocessor>meshing>meshtool弹出一个对话框，选择Shape后面的Tet,Free,.然后单击Mesh..在拾取图形，在单击OK。如图4-5.
图4-5
6.施加约束：Main Menu>solution>define loads>apply>structural>displacement>on areas.拾取圆的周围面，如图：然后单击OK.又出来一个对话框，选择ALL DOF.单击OK。如图4-6.
图4-6
7.施加载荷：Main Menu>solution>define loads>apply>structural>pressure>on Areas.出现拾取框，拾取图形上垂直与Z轴并且是穿过坐标（0，0，13.887）的面如图：然后单击OK。出现一个对话框，在value load presValus后面输入100000，单击OK。如图4-7.
10.显示节点位移云图：Main Menu>generalpostproc>plot results>contour plot>nodal solu,出现如图对话框：在contour nodal solution data对话框中选择item to be contoured>nodal solution>dof solution>displacement vector sum.然后单击OK。生成位移云图如图4-8.
注：
特别注意：本周六没课，本五周23号，8:00--12:00有课
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实验
一、实验目的
1、掌握静力学分析
2、验证理论分析结果
3、对不同形状膜的分析结果进行对比
二、实验器材
能够安装ANSYS软件，内存在512MHz以上，硬盘有5G空间的计算机
三、实验说明
（一）基本思路
1、建模与网格化
2、静力学分析
3、对结果进行分析和比较
（二）问题描述：
由于许多压力传感器的工作原理是将受压力作用而变形的薄膜硅片中的应变转换成所需形式的电输出信号，所以我们要研究比较一下用什么样形状的膜来作为压力传感器的受力面比较好。我们比较的膜形状有三种，分别是圆形.正方形.长方形。在比较的过程中，三种形状膜的面积.，厚度和承受的压力是都是相等的。设置参数具体为：F=0.1MPa, EX=1.9e11,PRXY=0.3,DENS=2.33e3.单元尺寸为5e-006。为了选择合适的网格化类型，首先我们拿圆的结构进行一下比较，最后选择比较接近理论计算的网格化类型，通过比较，我们知道映射网格化类型比较优越，所以后面的两种类型膜结构选择了映射网格化。