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結構振動分析

隨著計算機技術及軟硬件水平的飛速發展,人們越來越多的認識到計算機應用在產品開發過程的重要性。產品的設計向來就對CAE的計算有著很高的要求,其整體性能的優劣在某種意義上則完全取決于CAE作用的發揮。通過CAE仿真可以幫助工程師在早期設計階段對產品的設計及制造過程中的各種問題進行預測仿真,從而縮短設計周期,提高產品的性能質量,大量的節約資金,贏得市場。

結構產品,尤其是電子等高科技類產品的可靠性在商業和軍事上越來越凸顯其重要性。20世紀90年代發展起來的可靠性強化試驗技術正在逐漸成為提高機電產品,特別是電子產品可靠性的主要技術手段。隨著CAE技術的不斷應用,產品設計和分析過程中,在完成常規強度分析的基礎上,通常還需要根據行業規范要求進行振動分析,典型振動分析類型主要包括以下幾類:

l  模態分析

l  響應分析

 諧響應

 隨機響應

l  沖擊分析

1、模態分析

模態分析是研究結構動力特性一種近代方法,是系統辨別方法在工程振動領域中的應用。模態是機械結構的固有振動特性,每一個模態具有特定的固有頻率、阻尼比和模態振型。這些模態參數可以由計算或試驗分析取得,這樣一個計算或試驗分析過程稱為模態分析。

模態分析是用來確定結構的振動特性的一種技術,也是動力學分析類型的最基礎的內容:

l  如果需要研究結構系統的振動特征,經常由自然頻率(或特征值)著手。

l  Abaqus/Standard中的*FREQUENCY過程用于提取無阻尼系統的特征值:

l  特征值和模態形狀描述了結構的自由振動或頻率成分。

l  如果使用幾何非線性,在計算特征值之前施加的預載將影響計算結果。

如果在*STEP選項中使用NLGEOM參數,Abaqus將計入包括預載等幾何非線性效應的影響(預載對K有貢獻)。

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2、響應分析

一般的振動響應分析有諧響應分析和隨機響應分析。

2.1 諧響應分析

諧響應分析是確定一個結構的簡諧激勵下的響應特性的技術。諧響應分析可以使設計人員預測到結構的持續動力特性,從而使設計人員能夠驗證其設計能否成功地克服共振、疲勞,及其它受迫振動引起的有害效果。諧響應分析可以計算出結構在集中頻率下的響應并得到一些響應值通常是位移對頻率的曲線。從這些曲線上可以找到“峰值”響應,并進一步觀察峰值頻率對應的應力。值得注意的是,這種分析技術只計算結構的穩態受迫振動。

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ABAQUS分析步驟

?  創建一個frequency分析任務,提取模型的約束模態,提取前N階模態,考察模型的低階固有頻率和振型。

?  接著創建一個steady-state dynamic, modal分析步,調用提取的約束模態,利用振型疊加法,計算模型分別在XYZ三個方向施加正弦激勵時的動態響應。

?  觀察節點、單元、整體結構的應力、位移、加速度的響應等。

2.2 隨機響應分析

隨機振動是一種基于頻率和統計上的譜分析技術。由于時間歷程的不確定性,不能選擇瞬態分析,因此,將樣本統計時間歷程轉變為功率密譜度函數(PSD)。功率譜密度函數記錄了響應的均方值隨頻率變化的函數關系,它代表的物理量可以是位移、速度、加速度和力等。一般是加速度功率譜密度函數。

進行隨機振動分析的輸入條件為結構的固有頻率和振型,激勵的PSD曲線;輸出為任意點響應(包括位移、速度和加速度)的均方值,還可繪出響應的PSD曲線。

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隨機振動的功率譜密度曲線

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ABAQUS分析步驟:

?  創建一個frequency分析任務,提取模型的約束模態,提取前N階模態,考察模型的低階固有頻率和振型。

?  利用ABAQUSRandom Response法分析在三個軸向的隨機振動激勵響應。

?  觀察節點、單元、整體結構的應力、位移、加速度的響應等。

3、沖擊分析

沖擊是系統受到瞬態激勵,其力、位移、速度或加速度發生突然變化的現象,沖擊激勵函數一般不是周期的,而是時間的任意函數,沖擊的持續時間極短相對與系統的固有周期來說,在這種激勵作用下,系統一般只有瞬態振動響應。

ABAQUS分析步驟:

?  創建一個frequency分析任務,提取模型的約束模態,提取前N階模態,考察模型的低階固有頻率和振型。

?  接著創建Modal Dynamic分析步,調用提取的約束模態,利用振型疊加法,計算模型在沖擊方向瞬態沖擊載荷下的應力及位移。

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瞬態沖擊載荷


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