《有限元基础教程》_【ANSYS算例】7.2及7.2汽车悬挂系统的振动模态分析(GUI)及命令流

【ANSYS算例】7.2(1)汽车悬挂系统的振动模态分析(GUI)一个简单的汽车系统如图7-2所示，若将其处理成平面系统，可以由车身(梁)、承重。前后支撑组成0汽车悬架振动系统可以简化成由以下两个主要运动组成：运动体系在垂直方向的线性运动以及车身质量块的旋转运动，对该系统进行模态分析。模型中的各项参数如表7-1所示，为与文献结果进行比较，这里采用了英制单位。表7-1汽车悬架振动模型的参数材料参数几何参数弹性模量E=4×109psf加速度g=32.2ft/sc2质心的前距离1l=4.5ft车身重量W=3220lb车身质量m=W/g=100lb.sc2/ft质心的后距离2l=5.5ft前悬架支撑弹簧系数k1=2400lb/ft后悬架支撑弹簧系数k2=2600lb/ft质量分布的回转半径r=4ft解答计算模型如图7-2(b)所示。(a)问题描述(b)有限元分析模型图7-2汽车悬架振动系统模型这里将车身简化为梁，仅起到连接作用，这里设定不考虑梁的质量对振动性能的影响，因此需将密度设定为零即可，但在建模时需要输入梁的各种参数(包括材料以及几何参数)。实际上，可以将车身梁的弹性效果通过质量块的垂直运动及旋转运动来等效，质量块的转动惯性矩为2zzImr=?，r取为4ft，经计算为21600lbscftzzI。可以看出所采用的平面简化模型仅有两个自由度(梁单元由于取密度为零，将仅起连接作用)。采用2D的计算模型，使用梁单元2-DElasticBeamElements(BEAM3)来等效车身，使用弹簧单元Spring-DamperElements(COMBIN14)来等效车体的前后悬架支撑，使用质量块单元StructuralMassElement(MASS21)来等效车身质量。建模的要点：⑴首先定义分析类型并选取3种单元，输入实常数；⑵建立对应几何模型，并赋予各单元类型对应各参数值；⑶在后处理中，用命令*GET来提取其计算分析结果(频率)。⑷通过命令*GET来提取模态的频率值。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7-2。表7-2ANSYS简化模型与文献的简化模型解析结果的比较模态频率及单位Reference7.2(1)的结果ANSYS结果两种结果之比f1Hz1.09811.09811.000f2Hz1.44061.44061.000Reference7.2(1)：ThomsonWT.VibrationTheoryandApplications.2ndPrinting.NJ:Prentice-Hall,Inc.,1965,181给出的基于图形界面的交互式操作(stepbystep)过程如下。(1)进入ANSYS（设定工作目录和工作文件）程序→ANSYS→ANSYSInteractive→Workingdirectory（设置工作目录）→Initialjobname:Vehicle（设置工作文件名）：→Run→OK(2)设置计算类型ANSYSMainMenu：Preferences…→Structural→OK(3)定义单元类型ANSYSMainMenu：Preprocessor→ElementType→Add/Edit/Delete...→Add…→Beam:2delastic3→Apply（返回到LibraryofElement窗口）→Combination:Spring-damper14→Apply（返回到LibraryofElement窗口）→StructuralMass:3Dmass21→OK（返回到ElementTypes窗口）→选择Type2COMBIN14单击Options…→K3设定为2-Dlongitudinal→OK（返回到ElementTypes窗口）→选择Type3MASS21单击Options…→K3设定为2-Dwrotinert→OK→Close(4)定义实常数ANSYSMainMenu:Preprocessor→RealConstants…→Add/Edit/Delete...→Add…→选择Type2COMBIN14→OK→RealConstantsSetNo.:1（第1号实常数）,K:2400(前悬架支撑的弹簧系数k1=2400)→Ok(返回Realconstants窗口)→Add…→选择Type1BEAM3→OK→RealConstantsSetNo.:2（第2号实常数）AREA:10,IZZ:10,HEIGHT:10(梁单元参数，可以为任意值)→OK→Add…→选择Type3MASS21→OK→RealConstantsSetNo.:3（第3号实常数）,MASS:100，IZZ:1600(质点的实常数)→OK→Add…→选择Type1BEAM3→OK→RealConstantsSetNo.:4（第4号实常数）AREA:10,IZZ:10,HEIGHT:10(梁单元参数，可以为任意值)→OK→Add…→选择Type2COMBIN14→OK→RealConstantsSetNo.:5（第5号实常数）,K:2600(后悬架支撑的弹簧系数k2=2600)→Close(关闭RealConstants窗口)(5)定义材料参数ANSYSMainMenu:Preprocessor→MaterialProps→MaterialModels→Structural→Elastic→Linear→Isotropic→inputEX:4E9,PRXY:0.3(定义泊松比及弹性模量)→OK，Density(定义材料密度)→DENS:0,→OK→关闭材料定义窗口(6)构造车体模型生成节点ANSYSMainMenu：Preprocessor→Modeling→Create→Nodes→InActiveCS→Nodenumber：1，X，Y，ZLocationinactiveCS：0，0，0Apply→同样输入其余4个节点坐标（最左端为起始点，坐标分别为（0，1，0）、（4.5，1，0）、（10，1，0）、（10，0，0）→OK生成元素并分配材料类型、实常数ANSYSMainMenu:Preprocessor→Modeling→Create→Elements→ElemAttributes→Type2COMBIN14→OKANSYSMainMenu:Preprocessor→Modeling→Create→Elements→AutoNumbered→ThruNodes→点击1，2号节点，生成第1个单元→OKANSYSMainMenu:Preprocessor→Modeling→Create→Elements→ElemAttributes→MAT,1，TYPE,1Beam3，REAL,2→OKANSYSMainMenu:Preprocessor→Modeling→Create→Elements→AutoNumbered→ThruNodes→点击2，3号节点，生成第2个单元ANSYSMainMenu:Preprocessor→Modeling→Create→Elements→ElemAttributes→Type3MASS21REAL,3→OKANSYSMainMenu:Preprocessor→Modeling→Create→Elements→AutoNumbered→ThruNodes→点击3号节点，生成第3个单元ANSYSMainMenu:Preprocessor→Modeling→Create→Elements→ElemAttributes→Type1BEAM3REAL,4→OKANSYSMainMenu:Preprocessor→Modeling→Create→Elements→AutoNumbered→ThruNodes→点击3，4号节点，生成第4个单元ANSYSMainMenu:Preprocessor→Modeling→Create→Elements→ElemAttributes→Type2COMBIN14REAL,5→OKANSYSMainMenu:Preprocessor→Modeling→Create→Elements→AutoNumbered→ThruNodes→点击4，5号节点，生成第5个单元(7)模型加约束ANSYSMainMenu:Solution→DefineLoads→Apply→-Structural→Displacement→OnNodes→选取1，5号节点→OK→选择Lab2:UX，UY(施加X、Y方向的位移约束)→Apply→选取3号节点→OK→选择Lab2:UX(施加X方向的位移约束)→OK(8)计算分析ANSYSMainMenu:Solution→AnalysisType→NewAnalysis→Modal→OKANSYSMainMenu:Solution→AnalysisOptions→[MODOPT]BlockLanczos,No.ofmodestoextract:5Expandmodeshapes:Yes,Numberofmodestoexpand:0→OK→弹出BlockLanczosMethod窗口中：StartFreq：0.001，EndFreq：100→OKANSYSMainMenu：Solution→Solve→CurrentLS→OK(9)计算结果ANSYSMainMenu：GeneralPostproc→ListResults→Detailedsummary（读取模态频率）(10)退出系统ANSYSUtilityMenu：File→Exit→SaveEverything→OK【ANSYS算例】7.2(2)汽车悬挂系统的振动模态分析(命令流)针对【ANSYS算例】7.2(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]7.2(2)%%%%%begin%%%%%/PREP7!进入前处理ANTYPE,MODAL!设定为模态分析MP,EX,1,4E9!定义1号材料的弹性模量MP,DENS,1,0!定义1号材料的密度，设置为零，则材料对振动不起作用MP,PRXY,1,0.3!设定1号材料的泊松比ET,1,BEAM3!选取单元类型1(梁)ET,2,COMBIN14,,,2!选取单元类型2(弹簧)ET,3,MASS21,,,3!选取单元类型3(质量块),设置KEYOPT(3)=3R,1,2400!设定实常数No.1，前悬架支撑的弹簧系数k1=2400R,2,10,10,10!设定实常数No.2，梁单元所需要的参数(这里可以设定为一个任意值)R,3,100,1600!设定实常数No.3，MASS=100,IZZ=1600，当KEYOPT(3)=3时R,4,10,10,10!设定实常数No.4，梁参数(任意)R,5,2600!设定实常数No.5，后悬架支撑的弹簧系数k2=2600N,1!生成节点1N,2,,1!生成节点2N,3,4.5,1!生成节点3N,4,10,1!生成节点4N,5,10!生成节点5TYPE,2!设定弹簧单元E,1,2!生成前悬架支撑(弹簧单元)MAT,1!设定为材料No.1TYPE,1!设定单元No.1，即梁单元REAL,2!设定实常数No.2E,2,3!生成前车体(梁单元)TYPE,3!设定质量块单元REAL,3!设定实常数No.3E,3!生成质量块单元TYPE,1!设定梁单元REAL,4!设定实常数No.4E,3,4!生成后车体(梁单元)TYPE,2!设定弹簧单元REAL,5!设定实常数No.5E,4,5!生成后悬架支撑(弹簧单元)D,1,UX,,,5,4,UY!对节点1以及节点5施加UX以及UY固定的位移约束D,3,UX!对节点3施加UX固定的位移约束FINISH!结束前处理/SOLU!进入求解模块MODOPT,LANB,5,0.001,100!设定LANB方法求解，可求5阶，频率范围0.001~100SOLVE!求解*GET,FREQ1,MODE,1,FREQ!提取第1阶模态共振频率，并