【摘 要】有限元分析方法是工程和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析中必不可少的數(shù)值計(jì)算工具,ANSYS是美國(guó)ANSYS公司研制的大型通用有限元分析軟件,在有限元分析軟件排名中一直名列前茅。簡(jiǎn)單介紹ANSYS有限元分析方法和其中動(dòng)力學(xué)分析的概念。重點(diǎn)講述了模態(tài)分析的有限元模型,施加載荷,查看分析結(jié)果的過程,最后通過實(shí)例來總結(jié)研究結(jié)果。 

【關(guān)鍵詞】 ANSYS;有限元分析方法;模態(tài)分析;建模;模態(tài)結(jié)果 
  一、有限元分析方法的概念 
  有限元法(FEM,F(xiàn)inite Element Method)就是把物理結(jié)構(gòu)分割成有限個(gè)區(qū)域,這些區(qū)域成為單元。每個(gè)單元通過節(jié)點(diǎn)相連接。對(duì)每個(gè)單元建立作用力方程,所有單元的方程組成整個(gè)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)方程,求解該系統(tǒng)方程,得到結(jié)構(gòu)的近似解。有限元的基本構(gòu)成為:節(jié)點(diǎn)(node)、單元(element)、自由度(DPF)。 
  二、ANSYS的功能 
  ANSYS是一個(gè)通用的有限元分析軟件,它具有多種多樣的分析能力,從簡(jiǎn)單的線性靜態(tài)分析道復(fù)雜的非線性動(dòng)態(tài)分析。而且ANSYS還具有產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)、估計(jì)分析等附加功能。ANSYS軟件主要包括三個(gè)部分:前處理模塊,分析計(jì)算模塊和后處理模塊。ANSYS提供了對(duì)各種物理場(chǎng)量的分析功能,主要包括:結(jié)構(gòu)分析、熱分析、磁場(chǎng)分析、聲學(xué)分析、壓電分析等。 
  三、ANSYS的結(jié)構(gòu)分析 
  結(jié)構(gòu)分析包括結(jié)構(gòu)靜力、動(dòng)力、穩(wěn)定性及線性分析。結(jié)構(gòu)靜力分析用來分析求解外載荷引起的位移、應(yīng)變和反力。結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析用來求解隨時(shí)間變化的載荷對(duì)結(jié)構(gòu)或部件的影響。ANSYS可進(jìn)行的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析類型包括:瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析及隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析。 
  四、模態(tài)分析 
 。1)模態(tài)分析簡(jiǎn)介。模態(tài)分析可以確定一個(gè)結(jié)構(gòu)或機(jī)構(gòu)的固有頻率和振型。同時(shí)也可以作為其他更詳細(xì)的動(dòng)態(tài)分析的起點(diǎn),例如瞬時(shí)動(dòng)態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析和譜分析等。模態(tài)分析是用來確定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性的一種技術(shù),這些振動(dòng)包括:固有頻率、振型,振型參與系數(shù)等。振動(dòng)現(xiàn)象是機(jī)械及建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)經(jīng)常遇到的問題之一,振動(dòng)會(huì)造成結(jié)構(gòu)的共振或結(jié)構(gòu)疲勞而破壞。了解結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率及振型,避免外力頻率和結(jié)構(gòu)的固有頻率相同或接近,可以防止共振現(xiàn)象。模態(tài)分析術(shù)語線性分析,即在模態(tài)分析中只有線性行為是有效的。如果再分析中制定了非線性單元,在計(jì)算終將被忽略并視為線性處理?梢詫(duì)預(yù)應(yīng)力的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析。(2)ANSYS七種模態(tài)提取方法。在ANSYS中模態(tài)提取方法有七種:Block Lanczos(分塊Lanczos法)、Subspace(子空間迭代法)、Powerdynamics(快速動(dòng)力法)、Reduced(縮減法)、Unsymmetric(非對(duì)稱法)、Damped(阻尼法)、QR Damped(QR阻尼法)。 
  五、實(shí)例:模型飛機(jī)機(jī)翼的模態(tài)分析 
  對(duì)一個(gè)飛機(jī)機(jī)翼進(jìn)行模態(tài)分析。機(jī)翼沿長(zhǎng)度方向的輪廓是一致的,橫截面由直線和樣條曲線定義。機(jī)翼的一端固定在機(jī)體上,另一端懸空。建模及加載過程略去,由圖1顯示計(jì)算結(jié)果,得出機(jī)翼在載荷作用下在五個(gè)模態(tài)下的變形圖,截取其中兩個(gè)模態(tài)的變形圖示意如下。 
  通過實(shí)例分析總結(jié),模態(tài)分析的主要步驟為:建模、選擇分析類型和分析選項(xiàng)、施加邊界條件并求解、評(píng)價(jià)結(jié)果。并且典型的模態(tài)分析中唯一有效的載荷就是零位移約束,通過實(shí)例理解掌握模態(tài)分析的原理,對(duì)于以后機(jī)械和建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析是很有益處的。 
  參考文獻(xiàn) 
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  [3]王國(guó)強(qiáng).實(shí)用工程數(shù)值模擬技術(shù)及其在ANSYS上的實(shí)踐[M].西北工業(yè)大學(xué)出版社,1999