有限元分析基础教程－ANSYS算例 曾攀
【ANSYS算例】7.2(2) 汽车悬挂系统的振动模态分析(命令流) 针对【ANSYS算例】7.2(1)的GUI操作，提供完整的命令流。 解答：给出的命令流如下。
!%%%% [ANSYS算例]7_2(2) %%%%% begin %%%%% /PREP7 !进入前处理 ANTYPE,MODAL !设定为模态分析
MP,EX,1,4E9 !定义1号材料的弹性模量
MP,DENS,1,0 !定义1号材料的密度，设置为零，则材料对振动不起作用 MP,PRXY,1,0.3 !设定1号材料的泊松比 ET,1,BEAM3 ! 选取单元类型1(梁) ET,2,COMBIN14,,,2 ! 选取单元类型2(弹簧)
ET,3,MASS21,,,3 ! 选取单元类型3(质量块), 设置KEYOPT(3)=3 R,1,2400 ! 设定实常数No.1，前悬架支撑的弹簧系数k1 = 2400
R,2,10,10,10 ! 设定实常数No.2，梁单元所需要的参数(这里可以设定为一个任意值) R,3,100,1600 ! 设定实常数No.3，MASS=100, IZZ=1600，当KEYOPT(3)=3时 R,4,10,10,10 ! 设定实常数No.4，梁参数(任意)
R,5,2600 ! 设定实常数No.5，后悬架支撑的弹簧系数k2= 2600 N,1 ! 生成节点1 N,2,,1 ! 生成节点2 N,3,4.5,1 ! 生成节点3 N,4,10,1 ! 生成节点4 N,5,10 ! 生成节点5 TYPE,2 ! 设定弹簧单元
E,1,2 ! 生成前悬架支撑(弹簧单元) MAT,1 ! 设定为材料No.1
TYPE,1 ! 设定单元No.1，即梁单元 REAL,2 ! 设定实常数No.2 E,2,3 ! 生成前车体(梁单元) TYPE,3 ! 设定质量块单元 REAL,3 ! 设定实常数No.3 E,3 ! 生成质量块单元 TYPE,1 ! 设定梁单元 REAL,4 ! 设定实常数No.4 E,3,4 ! 生成后车体(梁单元) TYPE,2 ! 设定弹簧单元 REAL,5 ! 设定实常数No.5
E,4,5 ! 生成后悬架支撑(弹簧单元)
D,1,UX,,,5,4,UY ! 对节点1以及节点5施加UX以及UY固定的位移约束 D,3,UX ! 对节点3施加UX固定的位移约束 FINISH !结束前处理 /SOLU !进入求解模块
MODOPT,LANB,5,0.001,100 !设定LANB方法求解，可求5阶，频率范围0.001至100 SOLVE !求解
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*GET,FREQ1,MODE,1,FREQ !提取第1阶模态共振频率，并赋值给参数FREQ1 *GET,FREQ2,MODE,2,FREQ !提取第2阶模态共振频率，并赋值给参数FREQ2 *STATUS !列出所有参数的内容 !%%%% [ANSYS算例]7_2(2) %%%%% end %%%%%
【ANSYS算例】7.3(1) 带有张拉的绳索的振动模态分析(GUI)
一条每单位长度质量为ρ的悬索两端固定，由于受拉具有初始应变ε0，试确定此时悬索的应力σ以及所受的拉力F，并计算带有张拉的悬索的前三阶自由振动频率
fi,i=1,2,3；
对该系统进行模态分析。模型中的各项参数如表7-3所示，为与文献结果进行比较，这里采用了英制单位。
表7-3 带有张拉的绳索模型的参数
材料参数
几何参数
载荷
初始应变ε0=0.00543228
弹性模量E = 30 x 106 psi 密度ρ = 0.00073 lb-sec2/in4
绳索长度l= 100 in 绳索截面积A = 0.00306796 in2
解答：计算模型如图7-3所示。
图7-3带有张拉的绳索的计算模型
这里选取足够数量的单元以确保能够充分体现动态分析的特征；首先进行静力分析，采用3D的单向杆单元(Tension-only or Compression-only Spar Elements：LINK10)。
建模的要点：
X定义分析类型，选取单元、实常数和材料参数；
Y依据算例定义节点和单元，设置输出选项和位移约束； p采用初应变来施加张力，
q为了在后续的模态分析中考虑预紧的初始张力，需在静力分析与模态分析过程中，同时确保预应力效应打开< PSTRES,ON > r求解预应力引起的应力状态； s提取计算结果，进行模态分析；
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t用命令<*GET >提取结果，对于一些线型单元(杆、梁、板)，需要采用单元列表< ETABLE >来提取应力。
最后将计算结果与参考文献所给出的解析结果进行比较，见表7-4。
表7-4 ANSYS模型与文献的解析结果的比较
工况 静态
结果的物理量及单位 Reference 7.3(1)的结果 ANSYS结果
F, lb Stress, psi
模态
f1 , Hz f2 , Hz f3 , Hz
500. 162,974. 74.708 149.42 224.12
500. 162,974. 75.094 151.29 229.68
两种结果之比
1.000 1.000 1.005 1.012 1.025
Reference 7.3(1)：. Thomson W T. Vibration Theory and Applications, 2nd Printing, NJ: Prentice-Hall, Inc , 1965, 264
给出的基于图形界面(GUI)的交互式操作(step by step)过程如下。
(1) 进入ANSYS（设定工作目录和工作文件）
程序 → ANSYS → ANSYS Interactive → Working directory（设置工作目录）→ Initial jobname（设置工作文件名 String）: String →Run → OK (2) 设置计算类型
ANSYS Main Menu：Preferences… → Structural → OK (3)定义单元类型
ANSYS Main Menu：Preprocessor → Element Type → Add/Edit/Delete... → Add…→ Link : 3D Bilinear 10 →Ok（返回到Element Types窗口）→选择Type 1 LINK10 单击Options…→K3：Tension only → OK → Close (4) 定义实常数
ANSYS Main Menu: Preprocessor → Real Constants…→ Add/Edit/Delete... →Add…→ 选择 Type 1 LINK10 → OK → Real Constants Set No. : 1（第1号实常数）, AREA: 306796E-8 (绳索截面积), ISTRN: 543248E-8 → Ok → Close (关闭 Real Constants 窗口) (5) 定义材料参数
ANSYS Main Menu: Preprocessor → Material Props → Material Models →Structural → Linear →Elastic → Isotropic：EX: 30e6 →Note：确定→ OK，Density (定义材料密度) → 输入DENS:73e-5, →OK →关闭材料定义窗口 (6) 构造悬索模型 生成节点
ANSYS Main Menu：Preprocessor → Modeling → Create → Nodes → In Active CS → Node number：1，X，Y，Z Location in active CS：0，0，0 Apply → Node number：14，X，Y，Z Location in active CS：100，0，0 → OK
ANSYS Main Menu：Preprocessor → Modeling → Create → Nodes → Fill between Nds 点击节点1、14 → OK → OK 生成元素
ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling → Create → Elements → Auto Numbered → Thru
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Nodes → 点击1、2号节点，生成第一个单元
ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling → Copy → Elements → Auto Numbered → 选择第一个元素 → OK → Total number of copies: 13 → OK (7) 模型加约束
ANSYS Main Menu: Solution → Define Loads →Apply → Structural→ Displacement On Nodes →Pick All → OK → Lab2: All DOF(全约束) → OK (8) 求解预应力引起的应力状态
ANSYS Main Menu: Solution → Analysis Type → New Analysis → Static→OK
ANSYS Main Menu: Solution → Analysis Type → Sol’n controls 在 Basic 标签下选中 Calculate prestress effects → OK
ANSYS Main Menu：Solution → Solve → Current LS→ OK→ Yes (9) 存储应力计算数据
ANSYS Main Menu：General Postproc → Element Table → Define Table → Add… → Lab: STRS, Results data item: By sequence number, 右侧框中选择 LS，下面框中输入 LS，1 → OK → Close ANSYS Utility Menu:Parameters → Get Scalar Data →分别选择Result data, Elem table data →OK→Name of parameter to be defined: STRSS ; Element number N: 13 → OK
ANSYS Main Menu: TimeHist Postpro→Define Variables →Add → 选择Reaction forces →List of items: 1 →Ok →Item,Comp Data item: Struct force FX → OK →close ANSYS Main Menu: TimeHist Postpro→Store Data
ANSYS Utility Menu: Parameters → Get Scalar Data →分别选择Result data, Time-hist var’s →OK→Name of parameter to be defined: FORCE ; Variable number N: 2, Data to be retrieved: Maximum val Vmax → OK
(10)模态分析计算
ANSYS Main Menu: Solution → Analysis Type → New Analysis → Modal → OK → Close(warning) ANSYS Main Menu: Solution → Analysis Type → Analysis Options →[MODOPT] Block Lanczos, No. of modes to extract: 3 Expand mode shapes: Yes, No. of modes to expand:3 [PSTRES]: Yes→ OK → OK ANSYS Main Menu: Solution → Define Loads →delete →Structural→ Displacement → On Nodes → 选择2至13节点→ OK →选择UX→ OK删除从2号节点到13号节点上的UX约束
ANSYS Main Menu: Solution → Define Loads →delete →Structural→ Displacement → On Nodes → 选择2至13节点→ OK →选择UY→ OK删除从2号节点到13号节点上的UY约束 ANSYS Main Menu：Solution → Solve → Current LS → OK→ Yes (11) 存储模态计算数据并显示全过程计算结果
ANSYS Utility Menu: Parameters → Get Scalar Data →分别选择Result data, Modal results →OK→Name of parameter to be defined: FREQ1 ; Variable number N: 1 ,Data to be retrieved: Frequency FREQ → OK
ANSYS Utility Menu: Parameters → Get Scalar Data →分别选择Result data, Modal results →OK→Name of parameter to be defined: FREQ2 ; Variable number N: 2 ,Data to be retrieved: Frequency FREQ → OK
ANSYS Utility Menu: Parameters → Get Scalar Data →分别选择Result data, Modal results →OK→Name of parameter to be defined: FREQ3 ; Variable number N: 3 ,Data to be retrieved: Frequency FREQ → OK
ANSYS Utility Menu：List →Status →Parameters →All Parameters (12) 退出系统
ANSYS Utility Menu：File → Exit → Save Everything → OK
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【ANSYS算例】7.3(2) 带有张拉的绳索的振动模态分析(命令流) 针对【ANSYS算例】7.3(1)的GUI操作，提供完整的命令流。 解答：给出的命令流如下。
!%%%% [ANSYS算例]7_3(2) %%%%% begin %%%%% /PREP7 !进入前处理
ANTYPE,STATIC !设置分析类型为静力结构分析
PSTRES,ON !用于后面的模态分析中考虑预应力(该开关不影响静力分析) ET,1,LINK10 !选取单元类型1(单向杆单元) KEYOPT,1,3,0 !设置仅承受拉应力，KEYOPT(3)=0
R,1,306796E-8,543248E-8 !设置实常数，包括绳索截面积(306796E-8)，初始应变(543248E-8) MP,EX,1,30E6 !定义材料的弹性模量(1号材料) MP,DENS,1,73E-5 !定义材料的密度(1号材料) N,1 ! 定义第1号节点 N,14,100 ! 定义第14号节点
FILL ! 均分填满第2号至第13号节点 E,1,2 !由节点1及节点2生成单元 EGEN,13,1,1 !依序复制生成13个单元 D,ALL,ALL ! 对所有节点施加固定约束 FINISH ! 前处理结束
/SOLU ! 进入求解模块，求解预应力引起的应力状态 SOLVE ! 求解
FINISH ! 退出求解模块 /POST1 ! 进入一般的后处理
ETABLE,STRS,LS,1 !针对LINK10单元,建立单元列表STRS,通过LS及特征号1来获得单元的轴向应力 *GET,STRSS,ELEM,13,ETAB,STRS !针对单元列表STRS, 提取13号单元的应力 FINISH ! 后处理结束
/POST26 ! 进入时间历程后处理，处理支反力
RFORCE,2,1,F,X !将1号节点上的x方向支反力提取，并存储到2号变量中 STORE ! 存储
*GET,FORCE,VARI,2,EXTREM,VMAX !将2号变量的最大值赋给参数FORCE /SOLU ! 再次进入求解模块，模态分析 ANTYPE,MODAL ! 模态分析
MODOPT,SUBSP,3 ! 选择子空间迭代法，求3阶模态 MXPAND,3 ! 设定3阶模态扩展
PSTRES,ON ! 用于在模态分析中考虑预应力(还需在前面的静力分析中也同时打开) DDELE,2,UX,13 ! 删除从2号节点到13号节点上的UX约束 DDELE,2,UY,13 !删除从2号节点到13号节点上的UY约束 SOLVE !求解
*GET,FREQ1,MODE,1,FREQ ! 提取第1阶模态共振频率，并赋值给参数FREQ1 *GET,FREQ2,MODE,2,FREQ ! 提取第2阶模态共振频率，并赋值给参数FREQ2 *GET,FREQ3,MODE,3,FREQ ! 提取第3阶模态共振频率，并赋值给参数FREQ3 *STATUS !列出所有参数的实际内容 !%%%% [ANSYS算例]7_3(2) %%%%% end %%%%%
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