workbench随机振动实例

下面介绍对一个任意模型加载中国军用标准中振动试验标准所规定的功率密度谱来演示ANSYS WOKBENCH 14.0 机械设模块动力学分析中随机振动分析模块的基本操作过程。

1.5.1案例介绍

本案例主要参考了GJB150.16-1986：《中华人民共和国国家军用标准--军用设备环境试验方法--振动试验》。

其部分内容如下： “本标准规定了军用设备振动试验方法，是制订军用设备技术条件或产品标准等技术文件的相应部分的基础和选则依据”。

根据标准第2.3.1条规定，“作为固紧货物的设备通过陆地、海上或空中运输时都将遇到这种环境。

陆上运输环境比海上或空中更为严重，而且所有海上或空中运输的前后都将包括陆上运输，因此以陆上运输来作为基本运输环境。

陆上运输环境包括公路运输和铁路运输，而公路运输比铁路运输更为严重因此以公路运输来作为运输环境。

公路运输的环境是一种宽带振动，它是由于车体的支撑、结构与路面平度的综合作用产生的。设备的运输一般是指从制造厂到用户以及用户之间所经受的典型环境。这些运输科分为两个阶段，公路运输和野战任务运输

野战任务运输通常是由双轮拖车，2.5~10T的卡车，半拖车和（或）履带车来完成，典型举例是500KM。路面条件差，在战斗环境下将经历恶劣的路面和原始地形”。

由于野战运输环境下的功率密度谱的振动更强，故笔者选用了标准中规定了第一类设备在“基本运输环境”中第98，99页“双轮拖车环境”的功率密度谱。

本次通过使用军用标准中激励相对较强的功率密度谱进行分析，可以体现较为严格的环境从而更完整的展示结构在随机振动激励下的各种响应情况。

1.5.2启动Workbench并建立分析项目

(1) 打开ANSYS WORKBENCH 14.0， 并双击Toolbox（工具箱）→Analysis System（分析系统）→Model（模态分析），如图-1所示。 （2）单击Random Vibration（随机震动）模块，按住鼠标并将其拖动到项目管理区分析项目A6 Solution（分析）中。如图-2所示。

这样模态分析结果会作为随机振动分析的条件，两个分析数据也会互相连接共用。操作完毕后会如图-3所示。

图-1 启动模态分析 图-2 启动随机振动分析

图-3 打开分析项目 图-4 导入模型

1.5.3导入模型

（1）在项目管理区双击Model（模态分析）中的A3 Geometry （几何模型）项目进入DM模块。如图-3所示。

（2）单击DM模块菜单栏上的File（文件）→Import External Geometry File（输入外部几何模型文件），如图-4所示。然后选择合适的模型文件→单击“打开”按钮，如图-5所示。 （3）单击菜单栏上的（刷新）按钮来刷新此次操作完成对外部模型的导入。刷新模型过程可能需要等待几分钟时间。模型导入后如图-6所示。

图-5 打开模型文件 图-6 导入后的模型

（4）保存项目文件。单击菜单栏中的（保存）按钮先将此次分析项目保存，出现如图-7所示的对话框。在合适的文件夹处，我们暂时命名为“1”然后单击“保存”按钮。 注意：对于ANSYS WORKBENCH 14.0，随着分析规模的不同可能需要几百兆到几万兆的硬盘空间，保存项目文件时请尽量选择磁盘空间较大的分区。而且有限元分析过程中将会出现大量的数据交换工作。硬盘作为计算机中数据交换速度最慢的部件，有时会成为整机的瓶颈，需要尽可能高速的硬盘。

由于大部分用户的硬盘都是传统的机械硬盘，其转速一定。磁盘外圈的线速度较大从而其读写速度相对较快。常规情况下磁盘外圈的分区一般为C盘。为了减少数据交换瓶颈，笔者建议如有可能尽量将项目文件保存在C盘中。为了节约宝贵的C盘空间，完成分析后请将项目文件转移到其他分区。

如有更多投资，为了提高数据硬盘整体读写效率及可靠性，还建议使用更高转速（10000转或15000转）的硬盘以及使用基于RAID技术的一些冗余方案。 如果用户有足够的资金，笔者强烈建议使用更高速的固态硬盘。 对于SATA3.0接口最新的固态硬盘其最高读写速度普遍能比机械硬盘快2倍或以上。而部分PCI-E 4X 接口的固态甚至能快近10倍，而4K小文件的随机读写速度甚至可以快近100倍。从而带来比普通机械硬盘快几倍甚至几十倍的效率提升。对于时间紧迫的有限元分析工作来说，同样投资额下增加固态硬盘投资带来的性能提升比例会大大优于提高其他部件的性能带来的效果。

对于固态硬盘来说其不存在内外圈速度不同的问题，故可以保存在任意固态硬盘分区下。但是由于固态硬盘的本质原因，其在整盘磁盘空间接近饱和时读写速度会下降，故请尽量使其预留一定的空闲空间。

如笔者2012年春节前后进行的某核电站空调结构抗震分析，由于电脑硬盘速度较慢，在整个连续近80小时运行的分析过程中，有70多个小时都是CPU占用率5%左右而硬盘占用率接近100%。硬盘读写效率瓶颈明显，极大的影响了电脑其他部件性能的发挥。分析完成后，最终结果文件共23G。故笔者购买了某品牌容量为120G的固态硬盘，更换后笔者的Windows 7 系统硬盘部分评分从5.4分提高到了7.8分，直逼系统默认硬件最高评分7.9分。取得了良好的加速效果。

由于使用固态硬盘尽可能的消除了硬盘部分的性能瓶颈，使得计算机其他硬件性能更集中发挥，这会带来发热量增多问题，故请适当考虑加强散热。

图-7 保存项目文件 图-8 网格划分

1.5.3网格划分

（1）下面将实体模型进行离散化从而划分出有限数量的节点与单元，方便程序分析计算。回到项目管理区双击A4 Model （模型），如图-8所示。

（2）单击Outline（分析树）→Mesh（网格）。我们先使用自动划分网格查看质量后再考虑是否进行网格控制。

单击Mesh（网格）菜单栏上的图-9所示。

（刷新网格）。稍等几分钟后网格划分完毕，如

图-8 划分网格 图-9 划分后的网格

（3）查看发现网格较为粗大，我们指定网格尺寸后再此划分网格。 单击Details of “Mesh”（网格详细信息）中的Element Size（网格尺寸）输入5，单位是毫米。

如图-10所示。再次单击（刷新）按钮查看网格。

同时在图-10中的Statistice（统计）中也可以看见第一次网格划分时的节点数为31129个，单元数为16631个，也相对较少。

图-11显示了设定较小网格尺寸后的划分状况。再次查看Details of “Mesh”（网格详细信息）中的Statistice（统计）。节点数变为312169个，单元数为164609个，数量较第一次划分的网格增多了近10倍。

图-10 设定网格尺寸 图-11 第二次划分后的网格

图-12 第二次划分后的网格

1.5.4施加约束

（1）我们在四个模型底脚处设定4个固定约束来模拟设备实际固定状况。 首先查看模型空间中的坐标系，鼠标指针移动到Y轴的反向，系统会自动生成一个灰色的与Y轴方向相反的指向箭头。单击其，将模型旋转到Y轴反向来方便我们选择约束面。如图-13所示。

图-13 旋转方向 图-14 施加固定约束

（2）按住键盘上的Ctrl（控制）键同时分别单击模型4个底面。选择完毕后的目标面会变成绿色。→单击菜单栏中的Supports（支撑）→单击第一项Fixed Support（固定约束）如图-14所示。

然后回到Details of “Fixed Support”（固定约束的详细信息）单击Apply（确定）按钮。如图-15所示。

图-15 确定约束面

1.5.5求解模态

（1）单击Outline（分析树）→Model（A5）→Analysis Settings（分析设置）→在Details of “Analysis Settings”（分析设置详细信息）中的Max Modes to Find（最大模态数）中设定10。来计算本模型的前10阶固有频率以及阵型。如图-16所示。

注意：一般来说外界激励对模型的较低阶的固有频率影响较大。读者们如果有精力可以参看相关的建筑抗震设计规范（GB 50011）以及《化工设备设计全书-塔设备》等资料。其提供各种简化后的手工计算公式。由于完整的结构计算的计算量过于巨大，手工计算基本无法完成，标准中基本都是仅仅计算结构在第一阶固有频率下的响应情况。而对于有限元分析来说一般而言计算前6阶的固有频率基本可以达到一般要求，计算前10阶固有频率基本都能满足工程计算精度。故除特殊情况，不需要计算过多的固有频率。

（2）单击（求解）按钮。由于网格数量达到了16万多个，相对计算规模较大，故此求解过程需要较长时间。

求解过程中会出现ANSYS Workbench Solution Status对话框，我们也可以打开系统的任务管理器监视整个求解过程。如图-17所示。

图-16 设定模态数 图-17 正在求解

（3）求解完毕后我们可以查看分析信息。单击Outline（分析树）→Solution A6（分析）→Solution Information（求解信息），如图-18所示。

查看右边的Worksheet（数据表）。数据表最后面的Elapsed Time（共用时间）显示了模态分析所耗费的时间，共1320秒。如图-19所示。

注意：在求解过程中查看Worksheet（数据表）实时渐刷新并显示求解过程的信息以及提示各种Warming（警告）和Error（错误）。 虽然大部分时候分析都是成功的，但是依然会不时出现各种问题尤其是各种的Error（错误）的报告。当出现这种严重错误导致分析无法进行下去的时候就需要仔细查看Worksheet（数据表）中的各种提示查找出错原因并适当修改各种分析设置或是模型、网格尺寸来消除错误。

对于有限元分析来说如果不是特别针对于某些倒角，钻孔等特征进行分析，我们可以在建立分析用的模型的时候适当删除掉原始模型中尺寸较小的倒角，棱边，槽，孔等特征。这样一方面可以减少计算规模，更重要的是可以划分出较高质量的网格从而提高分析的精度。

图-18 查看分析信息 图-19 查看所费时间

1.5.6模态分析结果后处理

（1）单击Outline（分析树）→Solution A6（分析）项→单击后处理菜单栏里面的Deformation（变形）→Total（全部的）。如图-20所示。 （2）由于我们在Analysis Settings（分析设置）里面设置了Max Modes to Find（最大模态数）为10，那么我们也需要分别查看这10阶阵型的结果，所以需要连续单击10次Total（全部的）并在每一个Total（全部的）结果里面依次设定显示1到10阶阵型结果。 比如，要显示第二阶阵型则现需要在Details of “Total Deformation 2”（第二阶阵型）→Model（模态数）里设定为2。如图-21 所示。

设定完毕后单击菜单栏上的

（求解）按钮对结果进行求解。

图-20 提取结果 图-21 显示模态结果

（3）查看模型的前10阶阵型。分别单击Outline（分析树）→Solution A6（分析）→从“Total Deformation”一直到“Total Deformation 10”。如图-22到图-31所示。

图-22 一阶阵型 图-23 二阶阵型

图-24 三阶阵型 图-25 四阶阵型

图-26 五阶阵型 图-27 六阶阵型

图-28 七阶阵型 图-29 八阶阵型

图-30 九阶阵型 图-31 十阶阵型

（4）我们也可以查看Tabular Data（数据列表）来看看模型的前10阶固有频率的情况。如图-32所示。以及查看Graph（图表）来宏观上看模型固有频率的分布。如图-33所示。

图-32 频率列表 图-33 图表显示

1.5.7 随机振动分析-加载功率密度谱

（1）我们需要分别加载X、Y、Z三个方向的功率密度谱。单击Random Vibration(B5)（随机振动）→单击PSD Base Excitation（基础的功率密度谱激励）→PSD G Acceleration（功率密度谱G加速度激励）按钮。

由于我们需要施加三个方向的功率密度谱，那么需要连续单击三次PSD G Acceleration（功率密度谱G加速度激励）按钮。如图-34所示。

图-34 施加G加速度激励 图-35 选择边界条件

（2）单击Outline（分析树）→PSD G Acceleration 。在Details of “PSD G Acceleration” （功率密度谱G加速度激励的详细信息）中单击Boundary Condition（边界条件）选择All Faxed Supports（全部的固定约束）。如图-35所示。

（3）继续在Load Data（荷载数据）下找到右边的 Tabular Data（列表数据）中输入不同频率对应的功率密度谱的幅值。如图-36所示。

图-36 输入功率密度谱

（4）在前面的“案例介绍”已经说了，此功率密度谱参考了我国军用标准。现在开始查找并输入功率密度谱。参考的标准题头如图-37所示。

图-37 标准题头

翻开标准找到第98，99页。其本别为双轮拖车运输环境下竖直方向的以及水平方向的功率密度谱，如图-38，图-39所示。

图-38 竖直轴的功率密度谱

图-39 水平方向的功率密度谱

（5）在Tabular Data（数据列表）里面抄下标准中的功率密度谱。如图-40所示。

图-40 输入的功率密度谱 图-41 选择坐标轴

（6）现在设定功率密度谱的加载方向。根据模型坐标轴显示，其Y方向为竖直方向且向上为Y的正向，则竖直方向的功率密度谱可以设定成Y方向激励。如图-41所示。 （7）单击单击Outline（分析树）→PSD G Acceleration 。在Details of “PSD G Acceleration” （功率密度谱G加速度激励的详细信息）中单击Direction（方向）选择Y Axis（Y方向）。如图-42所示。

图-42 选择激励方向 图-43 查看图表

（8）设定完毕后我们也可以单击Graph（图表）查看功率密度谱。如图-43所示

（9）设定水平方向的功率密度谱。操作基本同上。不同的是要在PSD G Acceleration 2里面设定X方向，如图-44所示。

图-44 水平功率密度谱 图-45 设定方向

（10）查看水平方向的功率密度谱的Graph（图表），如图-46所示。

图-46 水平方向图表 图-47 全选功率密度谱

（11）设定Z方向的功率密度谱。操作同上。由于X方向与Z方向的功率密度谱相同，我们可以直接复制X方向的功率密度谱并粘贴到PSD G Acceleration 3里面。

首先全选PSD G Acceleration 2里面的功率密度谱→按住键盘的Ctrl+C键。如图-47所示。 （12）在PSD G Acceleration 3的Tabular Data（数据列表）里面粘贴。按键盘Ctrl+V键。完成功率密度谱的粘贴。如图-48所示。

图-48 粘贴功率密度谱 图-49 保存

1.5.8求解及结果后处理

（1）开始分析前需要保存项目文件。

单击菜单栏中的File（文件）→Save Project（保存项目文件）。如图-49所示。→单击

（求解）按钮，对模型进行求解。求解过程较为漫长，需要耐心等待。打开任务管理器，查看求解进度。如图-50所示。

图-50 查看进度 图-51 选择变形结果

（2）输出变形结果。单击Deformation（变形）→连续单击三次Directional（方向）按钮，因为我们要获得三个方向的变形结果。如图-51。

（3）选择变形的输出方向。单击击Outline（分析树）→Solution（分析）→Directional Deformation（变形的方向）在Details of “Directional Deformation”（变形方向的详细信息）中单击Orientation（方向）下拉菜单中选择X Axis（X方向）。如图-52所示。 （4）在Scale Factor（顶点系数）的下拉菜单中选择User Input（用户输入值）。如图-53所示。

（5）由于我们需要观察三个不同方向上的结果。选择变形方向以及顶点系数需要同样再次分别对Directional Deformation 2以及Directional Deformation 3操作两次。

图-52 选择方向 图-53 选择顶点系数

（6）继续选择输出后处理输出的结果。单击Deformation（变形）→Deformation Velocity（变形速度）。由于我们需要输出3个方向的Deformation Velocity（变形速度）结果，我们也需要连续单击三次Deformation Velocity（变形速度）按钮并分别设定其方向以及顶点系数方法基本与图-52，图-53相同这里不再赘述。如图-53所示以及图-54所示。

图-53 选择变形速度 图-54 选择方向

（7）单击单击Deformation（变形）→Deformation Acceleration（变形加速度）。如图-55所示。

图-55 选择变形加速度 图-56 选择等效应力

（8）单击Stress（应力）→Equivalent（等效应力）。如图-56所示。到此我们已经把所有需要输出的后处理结果选择并设定完毕。单击（求解）按钮，稍等一会。 （9）图-56到图-58为X、Y、Z三个方向的变形结果。

图-56 X方向变形 图-57 Y方向变形

图-58 Z方向变形 图-59 X方向变形速度 （10）图-59到图-61分别为X、Y、Z三个方向的振动速度结果。

图-60 Y方向变形速度 图-61 Z方向变形速度

（11）图-62到图-64分别为X、Y、Z三个方向的振动加速度结果。

图-62 X方向振动加速度 图-63 Y方向振动加速度

图-64 Z方向振动加速度 图-65 等效应力

（12）图-65为等效应力结果。

（13）通过观察结果可知由于模型固有频率较高，在较大振动的功率密度谱激励下没有出现不可容忍的变形与应力，基本可以满足要求。

1.5.9保存并退出

（1）单击File（文件）→Save Project（保存项目）→Close Mechantcal（关闭机械设计模块）。如图-66所示。

图-66 保存并关闭 图-67 查看最终项目文件

（2）回到项目管理区。查看项目A以及项目B后面都是绿色对号显示，说明分析软件部分运行正确。如图-67所示。

（3）单击File（文件）→Save（保存）→Exit（退出）。完成此次分析保存并退出ANSYS WORKBENCH 14.0程序。如图-68所示。

图-68 保存并退出