ANSYS谐响应分析实例-振动电机轴分析

AnsysWorkBench11.0振动电机轴谐响应分析
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1．谐响应分析简介
任何持续的周期载荷将在结构系统中产生持续的周期响应（谐响应）。

谐响应分析是
用于确定线性结构在承受随时间按正弦（简谐）规律变化的载荷时的稳态响应的一种技术。

分析的目的是计算出结构在几种频率下的响应并得到一些响应值（通常是位移）对频率的曲
线。

从这些曲线上可以找到“峰值”响应，并进一步观察峰值频率对应的应力。

该技术只
计算结构的稳态受迫振动，而不考虑发生在激励开始时的瞬态振动。

（见图1）。

谐响应分析
使设计人员能预测结构的持续动力特性，从而使设计人员能够验证其设计能否成功地克服共
振、疲劳，及其它受迫振动引起的有害效果。

谐响应分析是一种线性分析。

任何非线性特性，如塑性和接触（间隙）单元，即使定义了也将被忽略。

分析中可以包含非对称系统矩阵，如分析在流体─结构相互作用中问题。

谐响应分析也可以分析有预应力结构，如小提琴的弦（假定简谐应力比预加的拉伸应力小得多）。

谐响应分析的定义与应用介绍：
/ArticleContent.asp?ID=785
2. 工程背景
在长距离振动输送机、概率振动筛等变载荷振动机械中，由于载荷的变化幅度较大，且多为冲击或交变载荷，
使得作为动力源与振动源的振动电机寿命大为缩短，
其中振动电机阶梯轴的弹塑性变形又会中速振动电机的失效，
故研究振动电机轴的谐响应，
进而合理设计
其尺寸与结构，是角决振动电机在此类场合过早失效的主要途径之一。

现以某型振动电机阶梯轴为分对象，振动电机属于将动帮源与振动源合为一体的电动施转式激振源，在振动电机轴两端分别装有两个偏心块，工作时电机轴还动两偏心块作顺转
无能无力产生周期性激振力
t sin F F 1ω=，其中为施加载荷，由些电机轴受到偏心块施加
的变载荷冲击，极易产生变形和疲劳损坏，
更严重者，当激振力的频率与阶梯轴的固有频率
相等时，就会发生共振，造成电机严重破坏，故对电机进行谐应力分析很必要。

1F 3.分析关键
1.谐响应分析的载荷描述方式
概据定义，谐响应分析假定所施加的所有载荷随时间简谐（正弦）规律变化。

指定一个完整的简谐载荷需要输入
3条信息：amplitude （幅值），phase angle （相位角）和
forcing
frequency range （强制频率范围）。

Amplitude （幅值）指载荷的最大值。

phase angle （相位角）指载荷滞后（或领先）于
参考时间的量度。

在复平面上，相位角是以实轴为起始的角度，
当同是要定义多个相互间存
在相位差的简谐载荷时，必须分别指定相位角。

forcing frequency range （强制频率范围）指简谐载荷（以周/单位时间为单位）的频率范围。

谐响应分析不能计算频率不同的多个强制载荷同时作用时的响应。

这种情形的寮例是
两个具有不同转速的机器同时运转时的情形。

2.载荷类型
谐响应分析中可施加的载荷，除惯性载荷外，可以在实体模型（由关键点、线、面组
成）上定义载荷。

在分析过程中，可以施加、删除载荷。

AnsysWorkBench11.0谐响应支持的载荷类型有：加速度载荷，压力载荷，力载荷，轴承和，力矩，位移载荷，远端力载荷，
线压力载荷。

AnsysWorkBench11.0中的结构谐响应分析是线性的，在分析中忽略系统阻尼对其自身
振动特性的影响，而且，任何所施加的力载荷在谐响应分析中都不考虑。

4.分析步骤
1导入几何模型
导入DesignModeler以有其他CAD软件创建的几何模型“axis.x_t”
选择Geometry>From File
在弹出菜单中，选中教程附件的包含的桥壳几何模型文件一axis.x_t，并打开。

2添加材料信息
轴采用45号钢，材料参数为弹性模量
Pa ，泊松比0.3，密度7800.
11102×3
kg/m 3设定接触选项本例无需此步设置
4设定网格划分参数并进行网格划分
选择“Mesh ”，单击右键，激活网格类型命令Method 。

在“Method ”的属性菜单中，选择整个电机阶梯轴实体，并指定网格类型为空间六面体点
优（Hex Dominant Method ）。

选择“Mesh”，单击右键，激活网格尺寸命令“Sizing”。

在“Sizing”属性菜单中，选择整个水下航行器实体，并指定网格尺寸为5mm。

5选择分析类型
选择谐响应分析Harmonic Response。

设定扫描频率范围和频率点步长，输入“Analysis Setings”的属性栏中，Range Minimum=0Hz，Range Maximun=1000Hz，Solution Intervals=100。

6施加载荷以及约束
对两端面进行刚性约束，在总体坐标系中，使该处表面所有的自由度为零，即
、、，在距轴端30mm 处表面为压力边界条件，承受径向载荷
0U x =0U y =0U z =t sin F F 1ω=。

本教程中
，1575N F 1=Hz 10000～=ω。

施加位移约束
选择Supports>Fixed Support 桥壳模型中选择两端端面。

施加载荷约束
选择Loads>Remote Force
选择参考受力面，并指定受力点的坐标位置，X=225mm，载荷类型为Components，方向沿Y轴负方向，大小为1575N。

类似地可以施加对称的载荷，选择参考受力面，并指定受力点的坐标位置，X=-225mm，载荷类型为Components，方向沿Y轴负方向，大小为1575N
7设定求解（结果）参数，即设定要求解何种问题，哪些物理量
观察Y方向最大位移响应。

8求解
单击Solve求解，
9观察求解结果
观察计算得到的最大位移频响函数曲线，计算不同频率点的位移和应力值，Hz
753f =单击Solve 求解，增加Frequency Respose
增加Total Deformation
增加Equivalent(von-Mises) 计算得到的等效应力分布。