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结构振动分析

随着计算机技术及软硬件水平的飞速发展,人们越来越多的认识到计算机应用在产品开发过程的重要性。产品的设计向来就对CAE的计算有着很高的要求,其整体性能的优劣在某种意义上则完全取决于CAE作用的发挥。通过CAE仿真可以帮助工程师在早期设计阶段对产品的设计及制造过程中的各种问题进?#24615;?#27979;仿真,从而缩短设计周期,提高产品的性能质量,大量的节约?#24335;穡?#36194;得市场。

结构产品,尤其是电子等高科技类产品的可靠性在商业和军事上越来越凸显其重要性。20世纪90年代发展起来的可靠性强化试验技术正在逐渐成为提高机电产品,特别是电?#30828;?#21697;可靠性的主要技术手段。随着CAE技术的不断应用,产?#39134;?#35745;和分析过程?#26657;?#22312;完成常规强度分析的基础上,通常还需要根据行业规范要求进行振动分析,典型振动分析类型主要包括以下几类:

l  模态分析

l  响应分析

 谐响应

 随机响应

l  冲击分析

1、模态分析

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。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。这些模态?#38382;?#21487;以由计算或试验分析取得,这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。

模态分析是用来?#33539;?#32467;构的振动特性的一种技术,也是动力学分析类型的最基础的内容:

l  如果需要研究结构系统的振动特征,经常由自然频率(或特征值)着手。

l  Abaqus/Standard中的*FREQUENCY过程用于提取无阻尼系统的特征值:

l  特征值和模态形状描述了结构的自由振动或频率成分。

l  如果使用几何非线性,在计算特征值之前施加的预载将影响计算结果。

如果在*STEP选项中使用NLGEOM?#38382;珹baqus将计入包括预载等几何非线性效应的影响(预载对K有贡献)。

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2、响应分析

一般的振动响应分析有谐响应分析和随机响应分析。

2.1 谐响应分析

谐响应分析是?#33539;?#19968;个结构的简谐激励下的响应特性的技术。谐响应分析可以使设计人员预测到结构的持续动力特性,从而使设计人员能够验证其设计能否成功地克服共振、疲劳,及其它受迫振动引起的有害效果。谐响应分析可以计算出结构在集中频率下的响应并得到一些响应值通常是位移对频率的曲线。从这些曲线上可以找到“峰值”响应,并进一步观察峰值频?#35782;?#24212;的应力。值得注意的是,这种分析技术只计算结构的稳态受迫振动。

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ABAQUS分析步骤

?  创建一个frequency分析任务,提取模型的约束模态,提取前N阶模态,考察模型的低阶固有频率和振型。

?  接着创建一个steady-state dynamic, modal分析步,调用提取的约束模态,利用振型叠加法,计算模型分别在XYZ三个方向施加正弦激励时的动态响应。

?  观察节点、单元、整体结构的应力、位移、加速度的响应?#21462;?/span>

2.2 随机响应分析

随机振动是一种基于频率和统计上的谱分析技术。由于时间历程的不?#33539;?#24615;,不能选择瞬态分析,因此,将样?#23601;?#35745;时间历程转变为功率密谱度函数(PSD)。功率谱密度函数记录了响应的均方值随频率变化的函数关系,它代表的物理量可以是位移、速?#21462;?#21152;速度?#22303;Φ取?#19968;般是加速度功率谱密度函数。

进行随机振动分析的输入条件为结构的固有频率和振型,激励的PSD曲线;输出为任意点响应(包括位移、速度?#22270;?#36895;度)的均方值,还可绘出响应的PSD曲线。

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随机振动的功率谱密度曲线

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ABAQUS分析步骤:

?  创建一个frequency分析任务,提取模型的约束模态,提取前N阶模态,考察模型的低阶固有频率和振型。

?  利用ABAQUSRandom Response法分析在三个轴向的随机振动激励响应。

?  观察节点、单元、整体结构的应力、位移、加速度的响应?#21462;?/span>

3、冲击分析

冲击是系统受到瞬态激励,其力、位移、速度或加速度发生突然变化的现象,冲击激励函数一般不是周期的,而是时间的任意函数,冲击的持续时间极短相对与系统的固有周期来说,在这种激励作用下,系统一般只有瞬态振动响应。

ABAQUS分析步骤:

?  创建一个frequency分析任务,提取模型的约束模态,提取前N阶模态,考察模型的低阶固有频率和振型。

?  接着创建Modal Dynamic分析步,调用提取的约束模态,利用振型叠加法,计算模型在冲击方向瞬态冲击载?#19978;?#30340;应力及位移。

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瞬态冲击载荷


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