如何提高旋转轮盘模态分析效率？

本例中对旋转轮盘进行离心载荷引起的预应力模态分析，轮盘转速为1000r/min，材料为钢，如图7-29所示。

图7-29 旋转轮盘

操作步骤

1.启动ANSYS 14.5

双击桌面上的“Mechanical APDL Product Launcher”图标，弹出“ANSYS配置”窗口，在“Simulation Environment”选择“ANSYS”，在“license”选择“ANSYS Multiphysics”，然后指定合适的工作目录，单击“Run”按钮，进入ANSYS用户界面。

2.指定工程名和分析标题

1）选择“Utility Menu＞File＞Change Jobname”命令，弹出“Change Jobname”对话框，修改工程名称为“pulley”，如图7-30所示。单击“OK”按钮完成修改。

图7-30 “Change Jobname”对话框

2）选择“Utility Menu＞File＞Change Title”命令，弹出“Change Title”对话框，修改标题为“Modal analysis of pulley”，如图7-31所示。单击“OK”按钮完成修改。

图7-31 “Change Title”对话框

3）选择“Utility Menu＞Plot＞Replot”命令，指定的标题“Modal analysis of pulley”显示在窗口的左下方。

3.指定分析类型

选择“Main Menu＞Preference”命令，弹出“Preferences for GUI Filtering”对话框，勾选“Structural”选项，如图7-32所示。单击“OK”按钮确认。

图7-32 “Preferences for GUI Filtering”对话框

4.定义单位

在ANSYS软件的主界面命令输入窗口中，输入“/UNIT，SI”，如图7-33所示。然后单击“Enter”键确认。

图7-33 输入单位命令

5.定义单元类型

1）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Element Type＞Add/Edit/Delete”命令，弹出“Element Types”对话框，如图7-34所示。

2）单击“Add…”按钮，弹出“Library of Element Types”对话框，在左边的列表中选择“Solid”选项，即选择实体单元类型，然后在右边列表中选择“Quad 4 node 182”单元，如图7-35所示。单击“Library of Element Types”对话框“OK”按钮，返回“Element Types”对话框。

图7-34 “Element Types”对话框

图7-35 “Library of Element Types”对话框

3）单击“Add…”按钮，弹出“Library of Element Types”对话框，在左边的列表中选择“Solid”选项，即选择实体单元类型，然后在右边列表中选择“Brick 8node 185”单元，如图7-36所示。单击“Library of Element Types”对话框“OK”按钮，返回“Element Types”对话框。

图7-36 “Library of Element Types”对话框

4）单击“Close”按钮，关闭“Element Types”对话框，结束单元类型的添加。

6.定义材料属性

1）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Materials Props＞Material Models”命令，弹出“Define Material Model Behavior”对话框，如图7-37所示。

图7-37 “Define Material Model Behavior”对话框

2）在右侧列表中选择“Structural＞Linear＞Elastic＞Isotropic”，弹出“Linear Isotropic Properties for Material Number 1”对话框，在“EX”文本框中输入2.1e11，在“PRXY”文本框中输入0.3，如图7-38所示。单击“OK”按钮返回。

图7-38 “Linear Isotropic Properties for Material Number 1”对话框

3）在右侧列表中选择“Density”，弹出“Density for Material Number1”对话框，在“DENS”文本框中输入密度为7850，如图7-39所示。单击“OK”按钮确认。

图7-39 “Density for Material Number1”对话框

4）在“Define Material Model Behavior”对话框中选择“Material＞Exit”命令，退出材料属性窗口，完成材料模型属性的定义。

7.建立分析模型

1）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Keypoints＞In Active CS”命令，弹出“Create Keypoints in Active Coordinate System”对话框，输入关键点号为1和坐标值（0，0.014，0），单击“OK”按钮，以当前活动坐标系（系统默认为笛卡儿坐标系）定义一个关键点，如图7-40所示。

图7-40 在活动坐标系中定义关键点1

2）重复上述步骤分别创建关键点坐标为（0.045，0.014）、（0.045，0.0325）、（0.027，0.0325）、（0.027，0.05）、（0.042，0.05）、（0.042，0.0685）、（0，0.0685）、（0，0.05）、（0.015，0.05）、（0.015，0.0225）、（0，0.0225）。

3）选择“Utility Menu＞PlotCtrls＞Numbering”命令，弹出“Plot Numbering Controls”对话框，勾选“Keypoint numbers”选项，单击“OK”按钮，如图7-41所示。此时显示所创建的关键点，如图7-42所示。

4）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Lines＞Straight Line”命令，弹出“Create Straight Line”对话框，在图形区选择关键点1和2，或直接输入两点编号“1，2”绘制直线L1，然后单击“OK”按钮创建直线，如图7-43所示。

5）重复上述步骤分别创建线，即分别连接关键点2和3，3和4，4和5，5和6，6和7，7和8，8和9，9和10，10和11，11和12，12和1，如图7-44所示。

6）选择“Utility Menu＞PlotCtrls＞Numbering”命令，弹出“Plot Numbering Controls”对话框，勾选“Line numbers”选项，单击“OK”按钮，如图7-44所示。

图7-41 “Plot Numbering Controls”对话框

图7-42 绘制的关键点

图7-43 创建直线

图7-44 绘制的线

7）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Areas＞Arbitrary＞By Lines”命令，弹出“Create Area By Lines”对话框，选择“Loop”单选按钮，选择任意一条直线，系统自动选择所有线，成一个封闭区域），然后单击“OK”按钮创建面，如图7-45所示。

图7-45 通过边界线定义面

8.划分网格

1）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Meshing＞MeshTool”命令，弹出“MeshTool”对话框，勾选“Smart Size”选项，并将智能网格划分水平调整为5，选择网格划分器类型为“Free”（自由网格），单击“Mesh”按钮，弹出“Mesh Areas”对话框，单击“Pick All”按钮，系统自动完成网格划分，如图7-46所示。

图7-46 网格划分

2）单击“Mesh Tool”对话框中的“Close”按钮关闭网格划分工具。

3）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Keypoints＞In Active CS”命令，弹出“Create Keypoints in Active Coordinate System”对话框，输入关键点号为13和坐标值（0，0，0），单击“OK”按钮，以当前活动坐标系（系统默认为笛卡儿坐标系）定义一个关键点，如图7-47所示。

图7-47 在活动坐标系中定义关键点1

4）重复上述步骤，创建关键点14，坐标为（0.01，0）。(www.xing528.com)

5）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Operate＞Extrude＞Elem Ext Opts”命令，弹出“Element Extrusion Options”对话框，在“Element type number”选中“2 SOLID185”，在“No.Elem divs”文本框中输入18，勾选“Clear area（s）after ext”为yes，单击“OK”按钮完成设置，如图7-48所示。

图7-48 设置单元拉伸选项

6）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Operate＞Extrude＞Areas＞About Axis”命令，弹出“Sweep Areas about Axis”对话框，选择绘制好二维网格的面，单击“OK”按钮，然后从图形区选择作为定义关键轴的点13和14，单击“OK”按钮完成，如图7-49所示。

图7-49 选择面

7）系统弹出“Sweep Areas about Axis”对话框，在“ARC length in degrees”文本框中设为360，“No.of volume segments”文本框设为4（一周内创建体的数据），如图7-50所示。单击“OK”按钮，完成拉伸网格划分，如图7-51所示。

图7-50 “Sweep Areas about Axis”对话框

图7-51 创建拉伸网格

9.施加边界条件和载荷

1）选择“Utility Menu＞PlotCtrls＞Pan Zoom Rotate”命令，弹出“Pan-Zoom-Rotate”对话框，单击“Right”按钮，将图形窗口中的视图改为右视图。

2）选择“Utility Menu＞WorkPlane＞Offset WP by Increments”命令，弹出“Offset WP”对话框，拖动角度滚动条到90，单击按钮，使工作平面绕Y轴正向旋转90°，如图7-52所示。

图7-52 旋转工作平面

3）选择“Utility Menu＞WorkPlane＞Local Coordinate Systems＞Create Local CS＞At WP Origin”命令，弹出“Create Local CS at WP Origin”对话框，在“Ref number of new coord sys”文本框中输入11，在“Type of coordinate system”下拉列表中选择“Cylindrical 1”，单击“OK”按钮，创建柱坐标系，并将新坐标系定义为激活坐标系，如图7-53所示。

图7-53 “Create Local CS at WP Origin”对话框

4）选择“Main Menu＞Modeling＞Create＞Nodes＞Rotate Node CS＞To Active CS”命令，弹出“Rotate Nodes into CS”对话框，单击“Pick All”按钮选择所有节点，单击“OK”按钮，将所有节点都移到当前激活柱坐标系，如图7-54所示。

图7-54 旋转节点坐标系

5）选择“Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Structural＞Displacement＞On Nodes”命令，弹出实体选取对话框，选择“Circle”拾取方式拾取内圈所有节点，弹出“Apply U，ROT on Nodes”对话框，在“DOFs to be constrained”列表框中选择约束类型UY、UZ（盘心的节点轴向和周向固定，径向自由），在“Displacement value”文本框中输入数值0，单击“OK”按钮完成约束，如图7-55所示。

图7-55 施加自由度约束

6）选择“Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Structural＞Inertia＞Angular Veloc”命令，弹出“Apply Angular Velocity”对话框，输出在总体笛卡儿坐标系中的角速度分量值104.67（绕X轴旋转104.67rad/s），单击“OK”按钮完成施加，如图7-56所示。

图7-56 施加角速度

10.设置静力学分析类型和求解选项

1）选择“Main Menu＞Solution＞Analysis Type＞New Analysis”命令，弹出“New Analysis”对话框，选中“Static”选项，如图7-57所示。单击“OK”按钮确认。

图7-57 “New Analysis”对话框

2）选择“Main Menu＞Solution＞Unabridged Menu”命令，展开命令菜单，然后选择“Main Menu＞Solution＞Analysis Type＞Analysis Options”命令，弹出“Static or Steady-State Analysis”对话框，选择“Incl prestress effect？”为Yes（打开预应力选项），如图7-58所示。单击“OK”按钮确认。

图7-58 设置预应力选项

11.求解静力学

1）选择“Main Menu＞Solution＞Solve＞Current LS”命令，弹出图7-59所示的求解信息窗口，其中“/STATUS Command”窗口显示所要计算模型的求解信息和载荷步信息。

图7-59 求解信息窗口

2）单击“Solve Current Load Step”对话框中的“OK”按钮，程序开始求解，求解完成后弹出“Note”对话框，如图7-60所示。单击“Close”按钮关闭。

图7-60 “Note”对话框

提示：在完成静力学之后，应对静力学结果进行观察以检验是否正确，结果正确之后再进行模态分析，此处为了节省篇幅省略，请读者自行完成。

12.设置动力学分析类型和求解选项

1）选择“Main Menu＞Solution＞Analysis Type＞New Analysis”命令，弹出“New Analysis”对话框，选中“Modal”选项，如图7-61所示。单击“OK”按钮确认。

图7-61 “New Analysis”对话框

2）选择“Main Menu＞Solution＞Analysis Type＞Analysis Options”命令，弹出“Modal Analysis”对话框，在“Mode extraction method”中选中“Block Lanczos”选项，在“No.of modes to extract”文本框中输入6，在“No.of modes to expand”文本框中输入6，勾选“Incl prestress effects”为Yes，如图7-62所示。单击“OK”按钮确认。

图7-62 “Modal Analysis”对话框

3）系统弹出“Block Lanczos Method”对话框，在该对话框设置起止频率，此处保持默认值，然后单击“OK”按钮完成设置，如图7-63所示。

图7-63 “Block Lanczos Method”对话框

13.求解动力学

1）选择“Main Menu＞Solution＞Solve＞Current LS”命令，弹出图7-64所示的求解信息窗口，其中“/STATUS Command”窗口显示所要计算模型的求解信息和载荷步信息。

图7-64 求解信息窗口

2）单击“Solve Current Load Step”对话框中的“OK”按钮，程序开始求解，求解完成后弹出“Note”对话框，如图7-65所示。单击“Close”按钮关闭。

图7-65 “Note”对话框

14.后处理显示结果

1）选择“Main Menu＞General Postproc＞Results Summary”命令，弹出“SET，LIST Command”对话框，列表显示模态计算结果，如图7-66所示。从图中可见有些频率相同，这是由于轮盘结构是对称的，会出现振型和频率相同而相位不同的情况。

图7-66 “SET，LIST Command”对话框

2）选择“Main Menu＞General Postproc＞Read Results＞First Set”命令，读取旋转轮盘的第一阶模态。

3）选择“Main Menu＞General Postproc＞Plot Results＞Contour Plot＞Nodal Solu”命令，弹出“Contour Nodal Solution Data”对话框，选中“Displacement vector sum”选项，绘制第一阶振型，如图7-67所示。

图7-67 绘制第一阶振型

4）重复上述过程，可绘制其他的振型图，如图7-68所示。

图7-68 各阶振型图