有限元分析基础教程(ANSYS算例)(曾攀)

由天下分享时间：2024/8/30 21:37:55 加入收藏我要投稿点赞

有限元分析基础教程－ANSYS算例曾攀

【ANSYS算例】7.4(1) 机翼模型的振动模态分析(GUI)

一个简化的飞机机翼模型如图7-4所示，该机翼沿延翼方向为等厚度。有关的几何尺寸见图7-4，机翼材料的常数为：弹性模量E=0.26GPa，泊松比μ=0.3，密度

ρ=886kg/m3；对该结构进行振动模态的分析。

(a) 飞机机翼模型 (b) 翼形的几何坐标点

图7-4 振动模态分析计算模型示意图

解答：这里体单元SOLID45进行建模，并计算机翼模型的振动模态。

建模的要点：

X首先根据机翼横截面的关键点，采用连接直线以及样条函数< BSPLIN >进行连接以形成一个由封闭线围成的面；

Y在生成的面上采用自由网格划分生成面单元(PLANE42)；

p设置体单元SOLID45，采用< VEXT>进行z方向的多段扩展；

q设置模态分析< ANTYPE,2>，采用Lanczos方法进行求解< MODOPT,LANB > r在后处理中，通过调出相关阶次的模态，；

s显示变形后的结构图并进行动态演示。

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)：Modal→Run (2) 设置计算类型

ANSYS Main Menu：Preferences…→ Structural → OK

(3) 选择单元类型

ANSYS Main Menu：Preprocessor → Element Type → Add/Edit/Delete →Add…→ Structural solid：Quad 4node 42 → Apply →solid → Brick 8node 45→OK →Close (4) 定义材料参数

ANSYS Main Menu：Preprocessor → Material Props →Material Models → Structural →Linear → Elastic →Isotropic:EX:0.26E9(弹性模量),PRXY:0.3(泊松比) → OK → Density:886 → OK → Material → Exit (5) 生成几何模型

ANSYS Main Menu：Preprocessor →Modeling → Create → Keypoints → In Active CS → X,Y,Z location:0,0,0→ Apply →X,Y,Z location:0.05,0,0→ Apply →X,Y,Z location:0.0575,0.005,0 →

有限元分析基础教程－ANSYS算例曾攀

Apply →X,Y,Z location:0.0475,0.0125,0 → Apply →X,Y,Z location:0.025,0.00625,0 →OK

ANSYS Main Menu：Preprocessor →Modeling → Create → Lines → Lines → Straight Line →依次选择关键点1, 2, 5, 1 →OK

ANSYS Main Menu：Preprocessor →Modeling → Create → Lines → Splines → With Options → Spline thru KPs → 依次选择关键点2, 3, 4, 5 → OK → 输入以下数据:XV1:-0.025,YV1:0,ZV1:0 → 输入以下数据:XV6:-0.025, YV6:-0.00625, ZV6:0 → OK

ANSYS Main Menu：Preprocessor → Modeling → Create → Areas → Arbitrary → By Lines →选择所有3条线→ OK (6) 网格划分

ANSYS Main Menu：Preprocessor → Meshing → Mesh Tool → global → Set → Element edge length:0.00625 → OK → Mesh → Pick All → Close → Close(点击关闭Mesh Tool工具栏)

ANSYS Main Menu：Preprocessor → Modeling → Operate → Extrude → Elem Ext Opts → Element type number:2 SOLID45 → The No. of element divisions:10 → OK

ANSYS Main Menu：Preprocessor → Modeling → Operate → Extrude → Areas → By XYZ Offset → Pick All → Offsets for extrusion in the Z direction:0,0,0.25 → OK → Close (7) 模型施加载荷

ANSYS Utility Menu：Select → Entities → Elements → By Attributes → Elem type num → The element type number:1→ Unselect → Apply (8) 模型施加约束

ANSYS Utility Menu：Select → Entities → Nodes → By Location → Z coordinates →The Z coordinate location:0→ From Full → Apply

ANSYS Main Menu → Preprocessor → Loads → Define Loads → Apply → Structural → Displacement → On Nodes → Pick All → All DOF → OK → By Num/Pick → Select All → 点击Cancel(关闭窗口) (9) 分析计算

ANSYS Main Menu：Solution → Analysis Type → New Analysis → Modal → OK

ANSYS Main Menu：Solution → Analysis Type → Analysis Options → 点击Block Lanczos → No. of modes to extract: 5 → No. of modes to expand: 5 → OK → OK

ANSYS Main Menu：Solution → Solve → Current LS → File → Close → OK → Yes → Yes → Close(Solution is done!). (10) 结果显示

ANSYS Main Menu：General Postproc → Results Summary → Close(各阶模态的频率见表7-5)。 ANSYS Main Menu：General Postproc → Read Results → First Set

ANSYS Utility Menu：Plot Ctrls → Animate → Mode Shape → OK → 在Animation

Controller中做相应设置(这里不详细说明)，然后关闭当前窗口 → Close

ANSYS Main Menu：General Postproc → Read Results → Next Set

ANSYS Utility Menu：Plot Ctrls → Animate → Mode Shape → OK(各阶模态见图7-5)。

(11) 退出系统

ANSYS Utility Menu：File → Exit… → Save Everything → OK

表7-5 机翼模型的各阶模态频率

有限元分析基础教程－ANSYS算例曾攀

阶次（SET）

1 2 3 4 5 频率Hz

14.541 64.509 91.655 137.93 261.76

(a) 第1阶振动模态 (b) 第2阶振动模态

图7-5 机翼模型的各阶振动模态

【ANSYS算例】7.4(2) 机翼模型的振动模态分析(命令流) 针对【ANSYS算例】7.4(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_4(2) %%%%% begin %%%%% /PREP7 ! 进入前处理

ET,1,PLANE42 !选取单元类型1(平面单元) ET,2,SOLID45 !选取单元类型2(空间单元) MP,EX,1,0.26e9 !定义材料的弹性模量(1号材料) MP,DENS,1,886 !定义材料的密度(1号材料) MP,PRXY,1,0.3 !定义材料的泊松比(1号材料) K, ,,,, !生成几何点1，坐标(0,0,0) K, ,0.05,,, !生成几何点2，坐标(0.05,0,0) K, ,0.0575,0.005,, !生成几何点3，坐标(0.0575,0.005,0) K, ,0.0475,0.0125,, !生成几何点4，坐标(0.0475,0.0125,0) K, ,0.025,0.00625,, !生成几何点5，坐标(0.025,0.00625,0) LSTR,1,2 !连接点1和2生成直线1 LSTR,5,1 !连接点5和1生成直线2

BSPLIN,2,3,4,5,,,-0.025,0,0,-0.025,-0.00625,0, !采用B样条，连接点2,3,4,5生成曲线3

有限元分析基础教程－ANSYS算例曾攀

AL,1,2,3 !由线1,2,3围成一个面

ESIZE,0.00625 !在单元划分前，定义单元的边的尺度为0.00625 MSHAPE,0,2D !设置单元划分的类型为2D四边形(key=0) MSHKEY,0 !设置网格的自由划分(0)

AMESH,all !对所有的面进行网格划分(无设置时，则默认为采用第1号类型单元) TYPE, 2 !设置单元类型2(空间单元) EXTOPT,ESIZE,10,0, !设置体单元扩展为10段

VEXT,all,,,0,0,0.25,,,, !对所有的面进行z方向的体(包括单元)扩展，每次扩展的z方向增量为0.25 ESEL,U,TYPE,,1 !除单元类型1外，选择所有的单元(实际上就是体单元) NSEL,S,LOC,Z,0 !选择z=0的节点

D,all, , , , , ,ALL, , , , , !对所选择的节点施加全部的固定约束 NSEL,ALL !选择所有的节点 FINISH !前处理结束 /SOLU !进入求解模块 ANTYPE,2 !设置模态分析(2)

MODOPT,LANB,5 !设定LANB方法,提取5阶模态 MXPAND,5, , ,0 !设定模态扩展数为5

MODOPT,LANB,5,0,0, ,OFF !设定LANB方法,计算5阶模态 SOLVE !求解

FINISH !退出求解模块 /POST1 !进入一般的后处理 /VIEW, 1 ,1,1,1 !设置视角 /ANG, 1 /REP,FAST

SET,FIRST !调出第1阶的模态结果 SET,NEXT !调出下一阶的模态结果

SET,NEXT !调出下一阶的模态结果(实际上，这时为第3阶模态) PLDI, , !显示变形后的结构图

ANMODE,10,0.5, ,0 !进行动画显示，设置10帧，每帧显示0.5秒 !%%%% [ANSYS算例]7_4(2) %%%%% end %%%%%

【ANSYS算例】8.2(1) 2D矩形板的稳态热对流的自适应分析(GUI)

一个2D矩形区域的稳态热对流见图8-2，模型的参数见表8-1，由于在AB边上的外界温度为T0=1000C，而在BC边上的外界温度为Ta=00C，则在它们的交点处(即B点)，会出现一个奇异区，在BE区间将有温度的高梯度的跨越，因此，要求采用自适应网格划分进行多次分析，最后得到一个满足计算精度要求的温度计算结果。

表8-1 2D矩形区域的稳态热对流计算模型的参数

材料性能

热传导系数k = 52.0 W/m-°C 热对流系数h = 750.0 W/m2-°C

几何参数 a = 1.0 m b = 0.6 m d = 0.2 m

边界条件 To = 100°C Ta = 0°C

有限元分析基础教程－ANSYS算例曾攀

解答：采用2D的计算模型，使用传热计算的平面单元2-D Thermal Solid Elements (PLANE55)，采用自适应ADAPT命令来进行网格划分(不多于10次划分)，控制的传热能量模数的计算精度为5%( thermal energy norm)。

建模要点：

X首先定义分析类型，对于稳态传热分析，设置< ANTYPE,STATIC >，并选取热分析单元，输入材料的热传导系数；

Y建立对应几何关键点，注意给出需要关注的高梯度区域的E点，连点成线，再连线成面； p定义热边界条件，包括给定边界温度，边界的对流系数

q设定自适应网格划分，不多于10次划分，或精度误差在5%以内 r在后处理中，用命令<*GET >来提取相应位置的计算分析结果。

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8-2。

(a)问题描述 (b)有限元分析的几何点、线、面模型

图8-2 2D矩形区域的稳态热对流

表8-2 ANSYS模型与文献解析结果的比较

T, °C，在 E点

Reference 8.2(1)的结果 ANSYS计算结果

两种结果之比

18.3 18.2 0.995 Reference 8.2(1)：NAFEMS, The Standard NAFEMS Benchmarks, Rev. No. TSNB, National Engineering Laboratory, E. Kilbride, Glasgow, UK, 1989, Test No. T4.

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:

thermalRectangle（设置工作文件名）：→ heat → Run → OK

(2) 设置计算类型

ANSYS Main Menu：Preferences… → Thermal→ OK (3)定义单元类型

ANSYS Main Menu：Preprocessor → Element Type → Add/Edit/Delete... → Add…→ Thermal Solid: Quad 4node 55→ OK（返回到Element Types窗口）→ Close (4) 定义材料参数