第10章 结构动力学分析

10.2.2 问题分析
此问题属于结构动力学分析中的模态分析问题。 此问题属于结构动力学分析中的模态分析问题。机翼 横截面由直线和样条曲线构成，且沿长度方向轮廓一致， 横截面由直线和样条曲线构成，且沿长度方向轮廓一致，根 据机翼模型的结构特点，可选择PLANE42和SOLID45单元 据机翼模型的结构特点，可选择 和 单元 进行求解。 进行求解。假设机翼被固定到飞机上的一端所有的自由度都 被约束，且机翼的形状和材料属性是各向同性的， 被约束，且机翼的形状和材料属性是各向同性的，可以首先 生成机翼的二维横截面划分平面网格， 生成机翼的二维横截面划分平面网格，然后将平面单元转换 生成空间单元， 生成空间单元，从而将二维的带网格的横截面拉伸成带网格 的三维机翼体。 的三维机翼体。
10.3.2 问题分析
该问题属于有预紧力的谐响应分析问题， 该问题属于有预紧力的谐响应分析问题，用于确定弹击 的位移响应， 力F2的位移响应，选择合适的单元数目以便充分地描述弦的 动力学特性。取弹击力的频率范围为0～ 动力学特性。取弹击力的频率范围为 ～2000Hz，频率间隔 ， 为2000/8=250Hz，以观察弦在前几阶固有频率处的响应。可 ，以观察弦在前几阶固有频率处的响应。 绘制出位移响应对频率的关系曲线。 用POST26绘制出位移响应对频率的关系曲线。 绘制出位移响应对频率的关系曲线
10.4.3 求解过程和分析结果
1．建立工作文件名和工作标题 ． 2．确定分析范畴 ． 3．定义单元类型 ． 4．定义实常数 ． 5．定义材料参数 ． 6．创建模型 ． 7．划分网格 ． 8．施加约束条件 ． 9．求模态分析解 ． 10．求谱分析解 ． 11．扩展模态 ． 12．合并模态 ． 13．结果后处理 ．
10.4.1 问题描述
图所示为一个简支梁结构，在两端支撑处作垂直运动， 图所示为一个简支梁结构，在两端支撑处作垂直运动， 其运动基于地震位移响应谱，试确定节点的位移、 其运动基于地震位移响应谱，试确定节点的位移、反作用力 和单元求解。 和单元求解。
10.4.2 问题分析
根据结构的几何特点，选用 单元类型， 根据结构的几何特点，选用BEAM3单元类型，可以用 单元类型 坐标生成节点，采用直接法构成有限元模型， 坐标生成节点，采用直接法构成有限元模型，模态的求解可 以采用缩减法。求解结束后，列表显示结构的振动频率， 以采用缩减法。求解结束后，列表显示结构的振动频率，绘 出振型图。 出振型图。
10.2.3 求解过程和分析结果
包括建立工作文件名和工作标题、创建实体模型、 包括建立工作文件名和工作标题、创建实体模型、定义 单元类型、定义单元类型、定义几何常数、定义材料属性、 单元类型、定义单元类型、定义几何常数、定义材料属性、 划分网格、加载求解、查看求解结果等过程。 划分网格、加载求解、查看求解结果等过程。 1．建立工作文件名和工作标题 ． 2．确定分析范畴 ． 3． 3．建立几何模型 4．定义单元类型 ． 5．定义材料属性 ． 6．划分网格 ． 7．定义分析类型和选项 ． 8．释放截面Plane42单元 ．释放截面 单元 9．加载求解 ． 10．查看结果 ．
10.5
瞬态动力学分析
瞬态动力学分析， 瞬态动力学分析，是用于确定承受任意的随时间变化 载荷的结构动力学响应分析方法。 载荷的结构动力学响应分析方法。瞬态分析可以用来确定结 构在稳态载荷、瞬态载荷和简谐载荷任意组合作用下位移、 构在稳态载荷、瞬态载荷和简谐载荷任意组合作用下位移、 应力及应变随时间变化的规律。 力、应力及应变随时间变化的规律。其最大的特点是要考虑 惯性力和阻尼作用的影响， 惯性力和阻尼作用的影响，本节将以一根钢性梁支撑着一个 集中质量为m的质量块的简化模型为例 的质量块的简化模型为例， 集中质量为 的质量块的简化模型为例，介绍瞬态动力学分 析过程。 析过程。
10.4
响应谱分析
响应谱代表单自由度系统对一个时间－ 响应谱代表单自由度系统对一个时间－历程载荷函数 的响应，它是一个响应与频率的关系曲线， 的响应，它是一个响应与频率的关系曲线，其中响应可以是 位移、速度、加速度、力等。 位移、速度、加速度、力等。谱分析是一种将模态分析的结 果与一个已知的响应谱联系起来计算模型的位移和应力的分 析技术。谱分析主要用于时间－历程分析， 析技术。谱分析主要用于时间－历程分析，以确定结构对随 机载荷或随时间变化载荷的动力响应情况。 机载荷或随时间变化载荷的动力响应情况。谱分析包括响应 谱分析、动力设计分析方法和随机振动分析三大类型。 谱分析、动力设计分析方法和随机振动分析三大类型。本节 将以一个简支梁结构为例介绍响应谱的分析过程。 将以一个简支梁结构为例介绍响应谱的分析过程。
10.1.4 谱分析
所谓谱，就是谱值与频率的关系曲线， 所谓谱，就是谱值与频率的关系曲线，它表达了时间 历程载荷的强度和频率。 历程载荷的强度和频率。谱分析是一种将模态分析的结果与 一个已知的谱联系起来计算模型的位移和应力的分析技术。 一个已知的谱联系起来计算模型的位移和应力的分析技术。 谱分析主要用于时间－历程分析， 谱分析主要用于时间－历程分析，以确定结构对随机载荷或 随时间变化载荷（如地震、海洋波浪、风载、 随时间变化载荷（如地震、海洋波浪、风载、喷气发动机推 火箭发动机振动等）的动力响应情况。 力、火箭发动机振动等）的动力响应情况。 1．建模 ． 2．获得模态解 ． 3．获得谱分析解 ． 4．扩展模态 ． 5．合并模态 ． 6．结果后处理 ．
10.3.3 求解过程和分析结果
1．建立工作文件名和工作标题 ． 2．定义分析类型 ． 3．定义单元类型 ． 4．定义实常数 ． 5．定义材料参数 ． 6．创建几何模型及划分网格 ． 7．施加约束和载荷 ． 8．求静力学分析解 ． 9．求模态分析解 ． 10．求谐响应分析解 ． 11．查看结果 ．
10.1.1 模态分析
在结构动力学分析中，模态分析理论是基础。 在结构动力学分析中，模态分析理论是基础。模态分 析是研究结构动力特性一种近代方法， 析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工 程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性， 程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每 一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。 一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。模态分 析主要用于确定结构或机器部件的振动特性（ 析主要用于确定结构或机器部件的振动特性（即固有频率和 振型）， ），固有频率和振型是承受动力载荷结构设计中的重要 振型），固有频率和振型是承受动力载荷结构设计中的重要 参数。 参数。 1．建立模型 ． 2．加载求解 ． 3．扩展模态 ． 4．模态后处理 ．
10.1.2 谐响应分析
采用Full法进行谐响应分析由以下三步：建模、加载并 法进行谐响应分析由以下三步：建模、 采用 法进行谐响应分析由以下三步 求解、观察计算结果。 求解、观察计算结果。 1．建模 ． 2．加载并求解 ． 3．观察计算结果 ．
10.1.3 瞬态动力学分析
下面以Full法为例介绍瞬态动力学分析的一般步骤，其 法为例介绍瞬态动力学分析的一般步骤， 下面以 法为例介绍瞬态动力学分析的一般步骤 分析步骤与其他分析相类似，包括建模、 分析步骤与其他分析相类似，包括建模、加载求解和结果后 处理三步。 处理三步。 1．建模 ． 2．加载求解 ． 3．结果后处理 ．
10.1
结构动力学分析基本过程
将结构离散化的方法包括： 将结构离散化的方法包括： 集聚质量法： 集聚质量法：把结构的分布质量集聚于一系列离散的 质点，而把结构本身看作是仅具有弹性性能的无质量系统。 质点，而把结构本身看作是仅具有弹性性能的无质量系统。 由于仅质点才产生惯性力， 由于仅质点才产生惯性力，故离散系统的运动方程只以质点 的位移和转动作为自由度。 的位移和转动作为自由度。对于大部分质量集中在若干离散 点上的结构，此方法特别有效。 点上的结构，此方法特别有效。 广义位移法： 广义位移法：假定结构在振动时的位形可用一系列事 先规定的容许位移函数f 之和来表示， 先规定的容许位移函数 i之和来表示，它们必须满足支承处 的约束条件以及结构内部位移的连续性条件。 的约束条件以及结构内部位移的连续性条件。 有限元法：可以看作是分区的广义位移法， 有限元法：可以看作是分区的广义位移法，做法是先 把结构划分成适当数量的单元， 把结构划分成适当数量的单元，然后对每一单元施行广义位 移法。 移法。
10.3.1 问题描述
一个长度L为 一个长度 为710mm、直径 为0.254mm且形状均匀的 、直径d为 且形状均匀的 吉他弦，在施加拉力F 后绷紧在两个刚性支点之间， 吉他弦，在施加拉力 1后绷紧在两个刚性支点之间，用于调 音阶的E音符 长度处（ 出C音阶的 音符，如图所示。在弦长约 长度处（即距离 音阶的 音符，如图所示。在弦长约1/4长度处 固定支点端的距离c为 固定支点端的距离 为165mm）以力 2弹击该弦，试求出弦 ）以力F 弹击该弦， 的一阶固有频率f 的一阶固有频率 1，并验证只有弹击力的频率为弦的奇数阶 固有频率时才会产生共振谐响应。已知条件如下： 固有频率时才会产生共振谐响应。已知条件如下： 力的大小： 力的大小：F1=84N，F2=1N； ， ； 材料属性：弹性模量，密度； 材料属性：弹性模量，密度； 弹击力的频率范围：0～2000HZ。 弹击力的频率范围： ～ 。
10.2.1 问题描述
如图10.9所示，为一个飞机机翼模型的结构示意图。机 所示，为一个飞机机翼模型的结构示意图。 如图 所示 翼沿长度方向轮廓一致，其横截面由直线和样条曲线构成。 翼沿长度方向轮廓一致，其横截面由直线和样条曲线构成。 机翼的一端固定在机体上，另一端悬空， 机翼的一端固定在机体上，另一端悬空，试对该机翼进行模 态分析并显示机翼的模态自由度。 态分析并显示机翼的模态自由度。机翼的结构尺寸如图中所 其材料为低密度聚乙烯，杨氏模量为，泊松比为0.3， 示，其材料为低密度聚乙烯，杨氏模量为，泊松比为 ， 密度为8.3E-5 lbf-sec2/in4。 密度为
10.2 模态分析实例
模态分析是研究结构动力特性一种近代方法， 模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统 辨别方法在工程振动领域中的应用。 辨别方法在工程振动领域中的应用。模态分析主要用于确定 结构或机器部件的振动特性（即固有频率和振型）， ），使用有 结构或机器部件的振动特性（即固有频率和振型），使用有 限元法进行模态分析的过程包括模型建立、加载求解、 限元法进行模态分析的过程包括模型建立、加载求解、扩展 模态、模态后处理等四个部分。 模态、模态后处理等四个部分。本节将以一个飞机机翼模型 为例，介绍模态分析的过程。 为例，介绍模态分析的过程。
10.3 谐响应分析
谐响应分析用于确定线性结构在承受随时间按正弦（ 谐响应分析用于确定线性结构在承受随时间按正弦（简 规律变化的载荷时的稳态响应。 谐）规律变化的载荷时的稳态响应。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对频率的曲线。 在几种频率下的响应并得到一些响应值对频率的曲线。从曲线 上可以找到“峰值”响应，并分析峰值频率对应的应力。 上可以找到“峰值”响应，并分析峰值频率对应的应力。本节 将以吉他弦为例介绍谐响应分析的过程。 将以吉他弦为例介绍谐响应分析的过程。
第10章 10章
结构动力学分析
ຫໍສະໝຸດ Baidu
结构动力学分析是ANSYS 分析软件的一个重要组成部 结构动力学分析是 分，结构动力分析最终目的在于确定动力载荷作用下结构的 内力、位移等量值随时间的变化规律， 内力、位移等量值随时间的变化规律，从而找出其最大值以 作为设计或验算的依据。 作为设计或验算的依据。结构动力学同结构静力学的区别在 于要考虑结构因振动而产生的惯性力（ 达朗伯原理） 振动而产生的惯性力 于要考虑结构因振动而产生的惯性力（见达朗伯原理）和阻 尼力，而同刚体动力学 刚体动力学之间的区别在于要考虑结构因变形而 尼力，而同刚体动力学之间的区别在于要考虑结构因变形而 产生的弹性力。本章将介绍运用ANSYS 软件对各种动力学 产生的弹性力。本章将介绍运用 的实际问题进行分析的步骤、技巧与方法。 的实际问题进行分析的步骤、技巧与方法。