ANSYS循环对称结构模态分析实例-简化齿轮的模态分析.docx

循环对称结构模态分析实例－简化齿轮的模态分析

一、问题描述
该实例是对一个简化的齿轮模型的模态分析。齿轮在几何形状上具有循环对称的特征，因此在对其做模态分析时可以采用循环对称结构模态分析的方法。要求确定齿轮的低阶固有频率。已知的几何数据参见分析过程中的定义，材料特性数据如下：
杨氏模量=2×108　N/m2泊松比=0.3密度=7.8×10-6　N/m3

二、GUI方式分析过程
第1 步：指定分析标题
1.选取菜单途径Utility　Menu>File>Change　Title
2.输入文字“Modal　analysis　of　a　Gear”，然后单击OK。

第2 步：定义单元类型
1.选取菜单途径Main　Menu>Preprocessor>Element　Type>Add/Edit/Delete。Element　Types对话框将出现。
2.单击Add。Library　of　Element　Types对话框将出现。
3.在左边的滚动框中单击“Structural　Shell”。
4.在右边的滚动框中单击“Elastic　4node　63”。
5.单击Apply。
6.在左边的滚动框中单击“Structural　Solid”。
7.在右边的滚动框中单击“Brick　8node　45”。
8.单击OK。
9.单击Element　Types对话框中的Close按钮。

第3 步：指定材料性能
1.选取菜单途径Main　Menu>Preprocessor>Material　Props>-Constant-Isotropic。Isotropic　Material　Properties对话框将出现。
2.在OK上单击以指定材料号为1。第二个对话框将出现。
3.输入EX为2E8。
4.输入DENS为7.8e-6。
5.输入NUXY为0.3。
6.单击OK。

第4 步：定义建模所需的参数
1.选取菜单途径Utility　Menu>Parameters>Scalar　Parameters。
2.在Scalar　Parameters对话框中Selection区输入以下参数定义等式，每个等式输完后要击回车键或单击Accept表示确认：
r1=30r2=r1+10r3=r1+30
r4=r1+50r5=r1+70
h2=6h1=h2+2h3=h2+2
ang=15ang1=3ang2=6
3.单击Close关闭对话框。

第5 步：建立齿轮模型
1.选取菜单途径Main　Menu>Preprocessor>-Modeling-Creat>Keypoints>In　Active　CS。Creat　Keypoints　in　Active　Coordinate　System对话框将出现。
2.输入Keypoint　number（关键点号）为1，X,Y,Z位置分别为r1,0,0。可用TAB键在输入区之间移动。
3.单击Apply。
4.对下面的关键点及X，Y，Z位置重复这一过程：
关键点2：r4,0,0
关键点3：r4,0,h3
关键点4：r3,0,h3
关键点5：r3,0,h2
关键点6：r2,0,h2
关键点7：r2,0,h1
关键点8：r1,0,h1
输入完最后一个关键点后，单击OK。
5.选取菜单途径Utility　Menu>PlotCtrls>Pan,Zoom,Rotate。
6.在出现的Pan,Zoom,Rotate对话框中单击Iso。
7.选取菜单途径Main　Menu>Preprocessor>-Modeling-Creat>-Areas-Arbitrary>Through　KPs。拾取菜单将会出现。
8.在图形窗口中依次选取关键点1,2,3,4,5,6,7,8，单击OK关闭对话框。
9.选取菜单途径Main　Menu>Preprocessor>-Modeling-Creat>Keypoints>In　Active　CS。Creat　Keypoints　in　Active　Coordinate　System对话框将出现。
10.输入Keypoint　number为10，X,Y,Z位置分别为0,0,0。
11.单击Apply。
12.输入Keypoint　number为11，X,Y,Z位置分别为0,0,1。
13.单击OK关闭对话框。
14.选取菜单途径Utility　Menu>PlotCtrls>Window　Controls>Window　Options。
15.在Window　Options对话框中的Location　of　triad处选At　bottom　left，然后单击OK关闭对话框。
16.选取菜单途径Main　Menu>Preprocessor>Operate>Extrude/Sweep>-Areas-About　Axis。拾取菜单将会出现。
17.在图形窗口中选中刚刚生成的面，在拾取对话框中单击OK。
18.在图形窗口中选中节点10、11，在拾取对话框中单击OK。
19.在出现的对话框的Arc　length　in　degrees处输入ang，单击OK关闭对话框。
20.选取菜单途径Utility　Menu>Workplane>Change　Active　CS　to>Global　Cylindrical。
21.选取菜单途径Main　Menu>Preprocessor>-Modeling-Creat>Keypoints>In　Active　CS。Creat　Keypoints　in　Active　Coordinate　System对话框将出现。
22.输入Keypoint　number为50，X,Y,Z位置分别为r5,ang2,0。
23.单击Apply。对下面的关键点及X，Y，Z位置重复这一过程：
关键点51：r5,ang-ang2,0
关键点52：(r4+r3)/2,ang-ang1,0
关键点53：(r3+r4)/2,ang,ang1
输入完最后一个关键点后，单击OK。
24.选取菜单选项Main　Menu>Preprocessor>Numbering　Ctrls>Set　Start　Number。
25.在Starting　Number　Specifications对话框中的For　areas处输入20，单击OK关闭对话框。
26.选取菜单途径Main　Menu>Preprocessor>-Modeling-Creat>-Areas-Arbitrary>Through　KPs。拾取菜单将会出现。
27.在图形窗口中依次选取关键点50,51,52,53，单击OK关闭对话框。
28.选取菜单途径Utility　Menu>PlotCtrls>Numbering。
29.在出现的对话框中将Keypoint　number和Area　number打开。单击OK关闭对话框。
30.选取菜单途径Main　Menu>　Preprocessor>　-Modeling-Operate>　Extrude/　Sweep>　-Areas-Along　Lines。拾取菜单将会出现。
31.在图形窗口中选中刚刚生成的20号面，在拾取菜单中单击OK。
32.选中由12和13号关键点组成的线，在拾取菜单中单击OK。在图形窗口中将会生成一个直齿形体。
33.选取菜单途径Main　Menu>Preprocessor>-Modeling-Operate>-Boolean-Add>Volumes。拾取菜单将会出现。
34.单击Pick　All。
35.选取菜单途径Utility　Menu>Select>Entities。
36.在Select　Entities对话框中的最上面的下拉列表中选择Areas，在另外一个下拉列表中选择By　Location；坐标分量选X　Coordinates；Min,Max处输入r3,r5。单击Apply。
37.将坐标分量改为Z　Coordiantes；Min,Max处输入改为h3；选取方式改为Reselect。单击OK。
38.选取菜单途径Main　Menu>Preprocessor>-Modeling-Operate>-Boolean-Add>Areas。拾取菜单将会出现。
39.单击Pick　All。
40.选取菜单途径Utility　Menu>Select>Entities。
41.在Select　Entities对话框中的最上面的下拉列表中选择Areas，在另外一个下拉列表中选择By　Location；坐标分量选Z　Coordinates；清除在Min,Max处的输入；选取方式为From　Full。单击OK。
42.选取菜单途径Main　Menu>Preprocessor>-Modeling-Operate>-Boolean-Add>Areas。拾取菜单将会出现。
43.单击Pick　All。
44.选取菜单途径Utility　Menu>Select>Everything。
45.单击工具条上的SAVE_DB保存数据库。

第6 步：划分网格
1.选取菜单途径Main　Menu>Preprocessor>MeshingTool。
2.在MeshTool菜单中先打开Smart　Size控制，再将其下的滚动条移到4的位置。单击Close关闭对话框。
3.选取菜单途径Utility　Menu>Select>Entities。
4.在Select　Entities对话框中的最上面的下拉列表中选择Areas，在另外一个下拉列表中选择By　Location；坐标分量选Y　Coordinates；清除在Min,Max处的输入；选取方式为From　Full。单击OK。
5.选取菜单途径Main　Menu>Preprocessor>-Meshing-Mesh>-Areas-Free。拾取菜单将会出现。
6.单击Pick　All。
7.选取菜单途径Main　Menu>Preprocessor>Copy>-Nodes-Copy。拾取菜单将会出现。
8.单击Pick　All。
9.在出现的对话框中的Y-offset　in　active　CS处输入ang，Node　number　increment处输入100。单击OK关闭对话框。
10.选取菜单途径Main　Menu>Preprocessor>Copy>Areas。拾取菜单将会出现。
11.单击Pick　All。
12.在出现的对话框中的Y-offset　in　active　CS处输入ang。单击OK关闭对话框。
13.选取菜单途径Utility　Menu>Select>Everything。
14.选取菜单途径Main　Menu>Preprocessor>Numbering　Ctrls>Merge　Items。
15.在出现的对话框中的下拉列表中选取Keypoints，并在Range　of　coincidence处输入0.01。单击Apply。关闭可能会出现的警告对话框。
16.将下拉列表的选项改为Nodes，单击OK关闭对话框。
17.选取菜单途径Main　Menu>Preprocessor>-Attributes-Define>Default　Attribs。
18.在对话框中选Element　type　number为2。单击OK关闭对话框。
19.选取菜单途径Main　Menu>Preprocessor>MeshingTool。
20.在MeshTool对话框中选Shape为Tet，选Mesher为Free。单击Mesh。拾取菜单将会出现。
21.单击Pick　All。在网格划分完成后关闭警告对话框。
22.单击Close关闭MeshTool对话框。
23.选取菜单途径Main　Menu>Preprocessor>-Meshing-Clear>Area。拾取菜单将会出现。
24.单击Pick　All。关闭可能出现的警告对话框。

第7 步：生成侧面组件
1.选取菜单途径Utility　Menu>Select>Entities。
2.在Select　Entities对话框中的最上面的下拉列表中选择Nodes，在另外一个下拉列表中选择By　Location；坐标分量选Y　Coordinates；清除在Min,Max处的输入。单击OK。
3.选取菜单途径Utility　Menu>Select>Comp/Assembly>Create　Component。
4.在Component　name处输入low。单击OK。
5.选取菜单途径Main　Menu>Preprocessor>Move/Modify>-Rotate　Node　CS-To　Active　CS。拾取菜单将会出现。
6.单击Pick　All。
7.选取菜单途径Utility　Menu>Select>Entities。
8.在Select　Entities对话框中的最上面的下拉列表中选择Nodes，在另外一个下拉列表中选择By　Location；坐标分量选Y　Coordinates；在Min,Max处输入ang。单击OK。
9.选取菜单途径Utility　Menu>Select>Comp/Assembly>Create　Component。
10.在Component　name处输入high。单击OK。
11.选取菜单途径Main　Menu>Preprocessor>Move/Modify>-Rotate　Node　CS-To　Active　CS。拾取菜单将会出现。
12.单击Pick　All。
13.选取菜单途径Utility　Menu>Select>Everything。
14.单击工具条上的SAVE_DB保存数据库。

第8 步：生成重叠扇区，加约束
1.选取菜单途径Main　Menu>Preprocessor>Cyclic　Sector。
2.单击OK。
3.选取菜单途径Utility　Menu>Select>Entities。
4.在Select　Entities对话框中的最上面的下拉列表中选择Nodes，在另外一个下拉列表中选择By　Location；坐标分量选X　Coordinates；在Min,Max处输入r1。单击OK。
5.选取菜单途径Main　Menu　>　Preprocessor　>　Loads　>　-Loads-Apply　>　-Structural　-　Displacement　>　On　Nodes。拾取菜单将会出现。
6.单击Pick　All。
7.在出现的对话框的自由度（DOF）s　to　be　constrained处选择All自由度（DOF）。单击OK关闭对话框。
8.选取菜单途径Utility　Menu>Select>Everything。
9.在ANSYS　Toolbar上单击SAVE_DB。

第9 步：指定分析类型和选项、求解
1.选取菜单途径Main　Menu>Solution>-Analysis　Type-New　Analysis。　New　Analysis对话框将出现。
2.选中Modal　analysis，然后单击OK。
3.选取菜单途径Main　Menu>Solution>-Analysis　Options，Modal　Analysis对话框将出现。
4.选中分块Lanczos法模态提取法；在Number　of　modes　to　extract处输入5；在No.　of　modes　to　expand处输入5。单击OK。
5.单击OK接受缺省值。
6.在ANSYS　Toolbar上单击SAVE_DB。
7.选取菜单途径Main　Menu>Solution>Modal　Cyclic。
8.在出现的对话框中输入NDMIN和NDMAX分别为0,2；指定No.　of　sectors为24；指定LOW　Node　component　name为low；可以指定HIGH　Node　component　name为high。单击OK开始求解。
9.求解过程结束后单击Close关闭提示对话框。

第10 步：观察解得的五阶模态
1.选取菜单途径Main　Menu>General　Postproc>Results　Summary。在弹出的窗口中将会看到对应于三个节径的3×5=15阶模态。
2.用窗口的菜单选项File>Close关闭窗口。
3.选取菜单选项Utility　Menu>PlotCtrls>Style>Symmetry　Expansion>Modal　Cyclic　Symmetry。
4.在对话框中的No.　of　repetitions处输入24；No.　of　Nodal　Diameters处输入3；Sector　Angle处输入ang。
5.单击OK。在图形窗口中应该出现经扩展得到的完整齿轮有限元模型。
6.选取菜单途径Main　Menu>General　Postproc>-Read　Results-By　Set　Number。
7.在出现的对话框中的Data　set　number处填上希望观察的模态阶数，如15。单击OK。
8.选取菜单途径Utility　Menu>PlotCtrls>Animate>Deformed　Shape。
9.单击OK接受缺省设置。
10.经过一段时间的计算后，播放对话框将出现。
11.单击按钮“4”观察动画播放。可以看到齿轮在第15阶模态时的变形情况。同样可观察其它各阶模态的变形情况。
12.单击按钮“<”结束动画播放。

第11 步：退出ANSYS
1.在ANSYS　Toolbar中选QUIT。
2.选Quit-No　Save!
3.单击OK。