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1、精选优质文档-倾情为你奉上3. 含裂纹弹性梁的振动模态分析3.1 引言实际机械结构中常作用有动载荷，它与静载荷的区别在于动载荷是与时间有关的载荷，如车辆启动、制动和惯性力的作用。动载荷作用下，结构上相应的位移、应力和应变不仅随空间位置变化，而且随时间变化。动力学主要解决的问题有两个方面：寻求结构的固有频率和主振动，从而了解结构的振动特性，以便更好地利用和减少振动；分析结构的动力学响应特性，以计算结构振动时的动力学响应和动位移的大小和其变化规律。模态分析一般用于确定结构的振动特性，即结构的固有频率和振型。本章旨在通过对裂纹梁进行模态分析，寻求梁的固有频率和主振型，因梁中存在损伤，从而得到的固有频
2、率在损伤处存在差异，从而识别出裂纹的位置。本章分析了裂纹的长度、深度、位置和方向对固有频率的影响。3.2 含裂纹梁的模态分析过程3.2.1读入模型文件 定义工作名。选择菜单Utility Menu File Change Job name，弹出如图3-1所示的对话框，在“/FILNAM”文本框中输入“The graduation design”，将“New log and error files”后面的复选框选中，使其处于“Yes”状态，单击“OK”按钮，关闭对话框。图3-1 定义工作名对话框 定义工作标题。选择菜单Utility Menu File Change Tile，弹出如图3-2所示
3、的对话框，在“/FILNAM”文本框中输入“beam”，单击“OK”按钮，关闭对话框。图3-2 定义工作标题对话框 重新显示。选择菜单Utility Menu Plot Re plot，上面所定义的工作标题在图形输出窗口中显示出来。 设置优选项。选择菜单Utility Menu Preferences，弹出“Preferences for GUI Filtering”对话框，选中“Structural”复选框，如图3-3所示，单击“OK”按钮，关闭对话框。图3-3 优选项设置对话框 读入模型文件。先把第二章建立的含裂纹梁的模型the graduation design.db复制到工作目录下，选
4、择菜单Utility Menu File Resume from，弹出“Resume Database”对话框，选中the graduation design.db选项，单击“OK”按钮，将在图形输出窗口中显示建立好的模型，如图3-4所示。图3-4 裂纹梁模型图3.2.2 划分网格定义单元类型。选择菜单Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete ,弹出“Element Type”对话框，单击“Add”按钮，弹出如图3-5所示“Library of Element Types”对话框。在该对话框中左侧列表中选择中“Structural”
5、选项，及其下的“Solid”选项，在右侧列表中选择“Brick 20node 95”选项，单击“OK”按钮，此时“Element Types”对话框变成如图3-6所示，再单击“Close”按钮，关闭对话框。图3-5 单元类型列表框图3-6 选择单元类型对话框 定义材料属性。选择菜单Main Menu Preprocessor Material Props Material Models，弹出“Define Material Model Behavior”对话框，在右侧的列表中连续双击“Structural Linear Elastic Isotropic”选项，弹出如图3-7所示的“Linea
6、r Isotropic Properties for Material Number 1”对话框，在该对话框中“EX”后面的输入框中输入“2e11”，在“PRXY”后面的输入框中输入“0.3”，单击“OK”按钮。在右侧列表中双击“Density”选项，弹出如图3-8所示的“Density for Material Number 1”对话框，在该对话框中“DENS”后面的输入框中输入“7.85e3”，单击“OK”按钮，此时，“Define Material Model Behavior”对话框变成如图3-9所示，然后单击“Close”按钮关闭对话框。 图3-7 定义材料属性对话框 图3-8 定义
7、密度对话框图3-9 材料属性结果对话框 划分网格。选择菜单Main Menu Preprocessor Meshing Mesh Tool，弹出“Mesh Tool”对话框，如图3-10所示。单击“Size Controls”区域中“Global”后的“Set”按钮，弹出“Global Element Sizes”对话框，在该对话框中“Element edge length”后面的输入框中输入“0.05”，如图3-11所示，单击“OK”按钮关闭对话框。单击“Mesh”按钮，弹出一个拾取对话框，单击“Pick All”按钮，生成的结果如图3-12所示。 图3-10 网格划分工具对话框 图3-11
8、 定义单元大小对话 图3-12 生成的网格图 保存模型。单击工具条上的“SAVE_DB”按钮，模型以前面所定义的工作名保存在工作目录中。 另存模型。选择菜单Utility Menu File Save as，弹出“Save DataBase”对话框，在“Save DataBase to”下面的文本框中输入“1.db”，单击“OK”按钮，关闭对话框，模型被另存在工作目录中。3.2.3模态分析 给梁模型施加约束。选择菜单Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Displacement On Areas，弹出拾取对话框，拾取沿Z轴方向且离原点
9、最远的那个面，单击“OK”按钮，弹出如图3-13所示对话框，在列表中选择“All DOF”选项，单击“OK”按钮，关闭对话框。 图3-13 约束对话框 图3-14 定义分析类型对话框 定义分析类型。选择菜单Main Menu Solution Analysis Type New Analysis，弹出如图3-14所示的对话框，选择“Type of Analysis”为“Modal”，单击“OK”按钮，关闭对话框。 定义分析选项。选择菜单Main Menu Solution Analysis Type Analysis Options，弹出如图3-15所示的“Modal Analysis”对话框
10、，在“No. of modes to extract”文本框中输入“20”，单击“OK”按钮，弹出“Block Lanczos Method”对话框，单击“OK”按钮，接受其默认设置。图3-15 定义分析选项对话框 设置输出控制选项 1。选择菜单Main Menu Solution Load Step Opts Output Ctrls Solu Printout，弹出“Solution Printout Controls”对话框，在“Item for printout control”栏中选择“All items”选项，在“Print frequency”栏中选择“Every substep
11、”选项，如图3-16所示，单击“OK”按钮，关闭对话框。 图3-16 输出控制对话框1 图3-17 输出控制对话框2 设置输出控制选项 2。选择菜单Main Menu Solution Load Step Opts Output Ctrls DB/Results File，弹出“Controls for Database and Results File Writing”对话框，在“Item to be controlled”栏中选择“All items”选项，在“File Writing frequency”栏中选择“Every substep”选项，如图3-17所示，单击“OK”按钮，关闭
12、对话框。 保存模型。单击工具条上的“SAVE_DB”按钮，模型以前面所定义的工作名保存在工作目录中。 另存模型。选择菜单Utility Menu File Save as，弹出“Save DataBase”对话框，在“Save DataBase to”下面的文本框中输入“2.db”，单击“OK”按钮，关闭对话框，模型被另存在工作目录中。 求解。选择菜单Main Menu Solution Solve Current LS，通过“/STATUS Command”对话框查看前面定义的信息，无误后关闭该对话框，并单击“Solve Current Load Step”对话框的“OK”按钮，当出现“So
13、lution is done!”提示时，求解结束。 回到起始层。选择菜单 Main Menu Finish。3.2.4 扩展模态 打开扩展开关。选择菜单Main Menu Solution Analysis Type ExpansionPass，弹出“Expansion Pass”对话框，设置如图3-18所示，单击“OK”按钮确认。 图3-18 扩展开关对话框 图3-19 扩展选项对话框 设置扩展选项。选择菜单Main Menu Solution Load Step Opts Expansion Pass Single Expand Expand Modes ，弹出“Expansion Pas
14、s”对话框，设置如图3-19所示，单击“OK”按钮，关闭对话框。 保存模型。单击工具条上的“SAVE_DB”按钮，模型以前面所定义的工作名保存在工作目录中。 另存模型。选择菜单Utility Menu File Save as，弹出“Save DataBase”对话框，在“Save DataBase to”下面的文本框中输入“3.db”，单击“OK”按钮，关闭对话框，模型被另存在工作目录中。 求解。选择菜单Main Menu Solution Solve Current LS，通过“/STATUS Command”对话框查看前面定义的信息，无误后关闭该对话框，并单击“Solve Current
15、 Load Step”对话框的“OK”按钮，当出现“Solution is done!”提示时，求解结束，即可查看结果。3.2.5 结果分析 列表显示固有频率。选择菜单Main Menu General Post proc Results Summary，弹出如图3-20所示的对话框，列表显示了模型的前20阶频率，单击“Close”按钮关闭对话框。图3-20 固有频率 读取模态的计算结果。选择菜单Main Menu General Post proc Read Results By Set Number，弹出“Read Results by Data Set Number”对话框，在“Data
16、 Set Number”后输入“1”，如图3-21所示，读取第一阶模态，单击“OK”按钮，关闭对话框。图3-21 读取第一阶模态 查看变形。选择菜单Main Menu General Post proc Plot Results Deformed Shape，弹出“Plot Deformed Shape”对话框，设置如图3-22所示，单击“OK”按钮，显示变形后的几何形状和未变形的轮廓，如图3-23所示。图3-22 变形控制对话框图3-23 一阶模态振型图 读取YOZ平面的第二阶模态计算结果。选择菜单Main Menu General Post proc Read Results Next S
17、et，第二阶模态被读入，此时并非YOZ平面的第二阶模态，选择菜单Main Menu General Post proc Read Results Next Set，直到读取YOZ平面的第二阶模态。 查看变形。选择菜单Main Menu General Post proc Plot Results Deformed Shape，弹出“Plot Deformed Shape”对话框，单击“OK”按钮，显示变形后的几何形状和未变形的轮廓，如图3-24所示。图3-24 二阶模态振型图 读取YOZ平面的第三阶模态计算结果。选择菜单Main Menu General Post proc Read Resu
18、lts Next Set，直到读取YOZ平面的第三阶模态。 查看变形。选择菜单Main Menu General Post proc Plot Results Deformed Shape，弹出“Plot Deformed Shape”对话框，单击“OK”按钮，显示变形后的几何形状和未变形的轮廓，如图3-25所示。图3-25 三阶模态振型图 读取YOZ平面的第四阶模态计算结果。选择菜单Main Menu General Postproc Read Results Next Set，直到读取YOZ平面的第四阶模态。 查看变形。选择菜单Main Menu General Post proc Plo
19、t Results Deformed Shape，弹出“Plot Deformed Shape”对话框，单击“OK”按钮，显示变形后的几何形状和未变形的轮廓，如图3-26所示。图3-26 四阶模态振型图 读取YOZ平面的第五阶模态计算结果。选择菜单Main Menu General Post proc Read Results Next Set，直到读取YOZ平面的第五阶模态。(11) 查看变形。选择菜单Main Menu General Post proc Plot Results Deformed Shape，弹出“Plot Deformed Shape”对话框，单击“OK”按钮，显示变形
20、后的几何形状和未变形的轮廓，如图3-27所示。图3-27 五阶模态振型图(12) 保存模型。单击工具条上的“SAVE_DB”按钮，模型以前面所定义的工作名保存在工作目录中。(13) 退出ANSYS。选择菜单Utility Menu File Exit，在弹出的“Exit from ANSYS”对话框中选中“Quit-No Save!”选项，单击“OK”按钮，关闭对话框并退出ANSYS。3.3裂纹变化对在弹性梁模态的影响为更好的对梁中的裂纹进行识别及定位，分析了不同裂纹下梁的固有频率的变化，及在模态分析中振型的变化。本文分析了裂纹的四种因素可能对梁的固有频率的影响：（1）裂纹的长度；（2）裂纹的
21、深度；（3）裂纹的位置；（4）裂纹的方向。通过对不同裂纹下梁的固有频率的变化规律，得出梁的损伤识别方法。 a. 第一阶振型 b. 第二阶振型 c. 第三阶振型 d. 第四阶振型e. 第五阶振型图3-28五阶模态振型图3.3.1 裂纹的长度对梁模态的影响本文设置了五种不同的裂纹长度，通过对其进行模态分析，得到每种裂纹长度下其在YOZ面内的前五阶振型及前20阶固有频率。L=0时（即梁没有损伤），分析结果见上。（1） L=0.002时各阶固有频率变化图3-28 L=0.002时梁的固有频率(2) L=0.005时各阶固有频率变化（3）L=0.010时各阶固有频率变化（4）L=0.015时各阶固有频率变化（5）L=0.020时各阶固有频率变化裂纹长度L=0.020的情形在3.2中已经分析过，这里就不再重复说明了。3.3.2 裂纹的深度对梁固有频率的影响本文设置了五种不同的裂纹深度，通过对其进行模态分析，得到每种裂纹长度下其在YOZ面内的前五阶固有频率及振型。3.3.3 裂纹的位置对梁的固有频率的影响本文设置了五种不同的裂纹位置，通过对其进行模态分析，得到每种裂纹长度下其在YOZ面内的前五阶固有频率及振型。3.3.4 裂纹的角度对梁的固有频率的影响本文设置了五种不同的裂纹角度，通过对其进行模态分析，得到每种裂纹长度下其在YOZ面内的前五阶固有频率及振型。3.4本章小结专心-专注-专业