有限元模态分析报告实例
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ANSYS模态分析实例
5.2ANSYS建模
该课题研究的弹性联轴器造型如下图5.2:
在ANSYS中建立模型,先通过建立如5.2所式二分之一的剖面图,通过绕中轴线旋转建立模拟模型如下图5.3
5.3单元选择和网格划分
由于模型是三给实体模型,故考虑选择三维单元,模型中没有圆弧结构,用六面体单元划分网格不会产生不规则或者畸变的单元,使分析不能进行下去,所以采用六面体单元。经比较分析,决定采用六面体八结点单元SOLID185,用自由划分的方式划分模型实体。课题主要研究对象是联轴器中橡胶元件,在自由划分的时候,中间件2网格选择最小的网格,smart size设置为1,两端铁圈的smart size设置为6,网格划分后模型如图5.4。
5.4边界约束
建立柱坐标系R-θ-Z,如5-5所示,R为径间,Z为轴向
选择联轴器两个铁圈的端面,对其面上的节点进行坐标变换,变换到如图5.5所示的柱坐标系,约束节点R,Z方向的自由度,即节点只能绕Z轴线转
5.5联轴器模态分析
模态分析用于确定设计中的结构或者机器部件振动特性(固有频率和振型),也是瞬态变动力学分析和谐响应分析和谱分析的起点。
在模态分析中要注意:ANSYS模态分析是线性分析,任何非线性因素都会被忽略。因此在设置中间件2的材料属性时,选用elastic材料。
5.5.1联轴器材料的设置
材料参数设置如下表5-1:
表5.1材料参数设置
表5.1材料参数设置
铁圈1 中间件2 铁圈3 泊松比0.3 0.4997 0.3 弹性模量Mpa 2E5 1.274E3 2E5
密度kg/m 7900 1000 7900
5.5.2联轴器振动特性的有限元计算结果及说明
求解方法选择Damped方法,频率计算结果如表5-2,振型结果为图5.6:
表5.2固有频率
SET TEME/FREQ LOAO STEP SUBSTEP CUMULATIVE
1 40.199 1 1 1
1 73.63
2 1 2 2
3 132.42 1 3 3
4 197.34 1 4 4
(l)一阶振型
频率为40.199Hz,振型表现为大铁圈和中间件顺时针旋转(从小铁圈观察),小铁圈逆时针旋转。
(2)二阶振型
频率为73.632Hz, 振型表现为大铁圈,中间件和小铁圈同时顺时针旋转(从小铁圈观察)。
(3)三阶振型
频率为132.42Hz,振型表现为大铁圈和小铁圈同时逆时针旋转(从小铁圈看),中间件顺时针旋转,由上图我们可以发现,在这个频率下是联轴器最容易发生断裂。
(4)四阶振型
频率为197.34Hz,振型表现为大铁圈,中间件和小铁圈同时逆时针旋转(从小铁圈观察)。
5.6 联轴器瞬态动力学分析
为了简化计算方法和节省计算用时,首先对联轴器的模型进行简化。因为铁圈上的螺孔的存在会大大的影响计算的复杂程度和时间,但对计算结果的影响却微乎其微,所以决定建模时省略螺孔。简化后的模型网格划分后如下图5.7:
由于橡胶的特殊机械性能,在进行计算机模拟时,必需把非线性因素考虑进去。
5.6.1 非线性分析的基本信息
ANSYS程序应用NR(牛顿-拉斐逊)法来求解非线性问题.在这种方法中,载荷分成一系列的载荷增量.载荷增量施加在几个载荷步.图5.8说明了非线性分析中的完全牛顿-拉斐逊迭代求法,共有2个载荷增量。
在每次求解前,NR方法估算出残差矢量,这个矢量回复力(对应于单元应力的载荷)和所加载和的差值,程序然后使用不平衡载荷进行线性求解,且检查收敛性.如果不满足收敛准则,重新估算非平衡载荷,修改刚度矩阵,获得新的解答.持续这种迭代过程直到问题收敛。
ANSYS程序提供了一系列命令来增强问题的收敛性,如线性搜索,目动载荷步,二分等,可被激活来加强问题的收敛性,如果得不到收敛,那么程序试图用一个较小的载荷增量来继续计算。
非线性求解被分成三个操作级别:载荷步,子步和平衡迭代.
(1)顶层级别由在一定“时间”范围内用户明确定义的载荷步组成.假定载荷在载荷步内线性地变化。
(2)在每一个载荷步内,为了逐步加载,可以控制程序来多次求解(子步或者时间步)。
(3)在每一子步内,程序将进行一系列的平衡迭代以获得收敛的解。
下图5.9说明了一段用于非线性分析的典型的载荷历史。
5.6.2非线性材料的模拟
材料非线性包括塑性,超弹性,蠕变等,非线性应力应变关系是非线性结构行业的普通原因,如图5.10:
橡胶是高度非线性的弹性体,应力应变关系较为复杂,在本课题中采用工程中广泛采用Mooent-Rivlin2参数模型进行橡胶材料的模拟,参数包括C10和C01。
5.6.2.1Mooey-Rivlin常数测量的理论基础
超弹性材料是指具有应变能函数的一类材料数,对应变分量的导数决定了对应的应力量。应变能函数W为应变或变形张量的纯量函数,W对应变分量的导数决定了对应的应力量,即:
式中S ij——第二类Piola-Kirchhoff应力张量的分量
W——单位未变形体积的应变能函数
E ij——Green应变张量的分量
C ij——变形张量的分量
式(5-1)为超弹性材料的本构关系,可以看出,建立本构关系就是要建立应变能函数的表达式。Mooney-Rivlin模型是1940看由Mooeny提出,后由Rivlin发展的。其中一般形式为
式中C rs——材料常数
I1,I2——Cauchy变形张量的不变量
超弹性不可压缩材料的本构方程可表示为:
式中σij——Cauchy(真实)应力张量的分量
P——静水压力
δij——Korneker算符
下面假设取变形的主方向为坐标轴方向,则Cauchy变形张量用矩阵形式表示为:
式中λ1——i方向的主伸长比
式中εi——i方向工程应变主值
所以C ij的不变量表示为