内容发布更新时间 : 2024/6/20 19:32:25星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

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【ANSYS算例】7.2(1) 汽车悬挂系统的振动模态分析(GUI)

一个简单的汽车系统如图7-2所示，若将其处理成平面系统，可以由车身(梁)、承重。前后支撑组成0汽车悬架振动系统可以简化成由以下两个主要运动组成：运动体系在垂直方向的线性运动以及车身质量块的旋转运动，对该系统进行模态分析。模型中的各项参数如表7-1所示，为与文献结果进行比较，这里采用了英制单位。

表7-1 汽车悬架振动模型的参数

材料参数 弹性模量E = 4 × 10 psf 加速度g = 32.2 ft/sc 车身重量W= 3 220 lb 车身质量m = W/g = 100 lb.sc/ft 前悬架支撑弹簧系数k1 = 2 400 lb/ft 后悬架支撑弹簧系数k2 = 2 600 lb/ft 229几何参数 质心的前距离l1= 4.5 ft 质心的后距离l2= 5.5ft 质量分布的回转半径r=4ft 解答 计算模型如图7-2(b)所示。

(a) 问题描述 (b)有限元分析模型

图7-2汽车悬架振动系统模型

这里将车身简化为梁，仅起到连接作用，这里设定不考虑梁的质量对振动性能的影响，因此需将密度设定为零即可，但在建模时需要输入梁的各种参数(包括材料以及几何参数)。实际上，可以将车身梁的弹性效果通过质量块的垂直运动及旋转运动来等效，质量块的转动惯性矩为Izz=m?r2，r取为4ft，经计算为

Izz?1 600 lb?sc2ft。可以看出所采用的平面

简化模型仅有两个自由度(梁单元由于取密度为零，将仅起连接作用)。

采用2D的计算模型，使用梁单元2-D Elastic Beam Elements (BEAM3)来等效车身，使用弹簧单元Spring-Damper Elements (COMBIN14)来等效车体的前后悬架支撑，使用质量块单元Structural Mass Element (MASS21)来等效车身质量。

建模的要点：

⑴首先定义分析类型并选取3种单元，输入实常数； ⑵建立对应几何模型，并赋予各单元类型对应各参数值；

⑶在后处理中，用命令<*GET >来提取其计算分析结果(频率)。 ⑷通过命令<*GET >来提取模态的频率值。

最后将计算结果与参考文献所给出的解析结果进行比较，见表7-2。

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表7-2 ANSYS简化模型与文献的简化模型解析结果的比较

模态频率及单位 f1 Hz f2 Hz Reference 7.2(1)的结果 1.098 1 1.440 6 ANSYS结果 1.098 1 1.440 6 两种结果之比 1.000 1.000 Reference7.2(1)：Thomson W T. Vibration Theory and Applications.2nd Printing. NJ: Prentice-Hall, Inc., 1965, 181

给出的基于图形界面的交互式操作(step by step)过程如下。

(1) 进入ANSYS（设定工作目录和工作文件）

程序 → ANSYS → ANSYS Interactive → Working directory（设置工作目录）→ Initial jobname: Vehicle（设置工作文件名）：→Run → OK (2) 设置计算类型

ANSYS Main Menu：Preferences… → Structural → OK (3)定义单元类型

ANSYS Main Menu：Preprocessor → Element Type → Add/Edit/Delete... → Add…→ Beam: 2d elastic 3 → Apply（返回到Library of Element窗口）→ Combination: Spring-damper 14→ Apply（返回到Library of Element窗口）→Structural Mass: 3D mass 21→OK（返回到Element Types窗口）→选择Type 2 COMBIN14 单击Options…→K3 设定为2-D longitudinal→OK（返回到Element Types窗口）→选择Type 3 MASS21 单击Options…→K3 设定为2-D w rot inert → OK → Close (4) 定义实常数

ANSYS Main Menu: Preprocessor → Real Constants…→Add/Edit/Delete... →Add…→ 选择 Type 2 COMBIN14 → OK → Real Constants Set No. : 1（第1号实常数）, K:2400(前悬架支撑的弹簧系数k1 = 2400) → Ok(返回Real constants窗口) → Add…→ 选择 Type 1 BEAM3 → OK → Real Constants Set No. : 2（第2号实常数） AREA:10, IZZ:10, HEIGHT:10(梁单元参数，可以为任意值) → OK → Add…→ 选择 Type 3 MASS21 → OK → Real Constants Set No. : 3（第3号实常数）, MASS:100，IZZ:1600(质点的实常数) → OK → Add…→选择 Type 1 BEAM3 → OK → Real Constants Set No. : 4（第4号实常数） AREA:10, IZZ:10, HEIGHT:10(梁单元参数，可以为任意值) → OK → Add…→ 选择 Type 2 COMBIN14 → OK → Real Constants Set No. : 5（第5号实常数）, K:2600(后悬架支撑的弹簧系数k2 = 2600) → Close (关闭 Real Constants 窗口) (5) 定义材料参数

ANSYS Main Menu: Preprocessor → Material Props → Material Models →Structural →Elastic→ Linear → Isotropic → input EX: 4E9, PRXY:0.3(定义泊松比及弹性模量) → OK，Density (定义材料密度) → DENS:0, →OK →关闭材料定义窗口 (6) 构造车体模型 生成节点

ANSYS Main Menu：Preprocessor → Modeling → Create → Nodes → In Active CS → Node number：1，X，Y，Z Location in active CS：0，0，0 Apply → 同样输入其余4个节点坐标（最左端为起始点，坐标分别为（0，1，0）、（4.5，1，0）、（10，1，0）、（10，0，0）→OK 生成元素并分配材料类型、实常数

ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling → Create → Elements → Elem Attributes → Type

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2 COMBIN14 → OK

ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling → Create → Elements → Auto Numbered → Thru Nodes → 点击1，2号节点，生成第1个单元→ OK

ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling → Create → Elements → Elem Attributes → MAT,1， TYPE,1 Beam3，REAL,2 → OK

ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling → Create → Elements → Auto Numbered → Thru Nodes → 点击2，3号节点，生成第2个单元

ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling → Create → Elements → Elem Attributes → Type 3 MASS21 REAL,3 → OK

ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling → Create → Elements → Auto Numbered → Thru Nodes → 点击3号节点，生成第3个单元

ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling → Create → Elements → Elem Attributes → Type 1 BEAM3 REAL,4 → OK

ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling → Create → Elements → Auto Numbered → Thru Nodes → 点击3，4号节点，生成第4个单元

ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling → Create → Elements → Elem Attributes → Type 2 COMBIN14 REAL,5 → OK

ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling → Create → Elements → Auto Numbered → Thru Nodes → 点击4，5号节点，生成第5个单元

(7) 模型加约束

ANSYS Main Menu: Solution → Define Loads →Apply →-Structural→ Displacement→On Nodes →选取1，5号节点 → OK → 选择 Lab2: UX，UY(施加X、Y方向的位移约束) → Apply→ 选取3号节点→OK→选择 Lab2: UX (施加X方向的位移约束) → OK

(8) 计算分析

ANSYS Main Menu: Solution → Analysis Type → New Analysis → Modal→OK

ANSYS Main Menu: Solution → Analysis Options →[MODOPT] Block Lanczos, No. of modes to extract: 5 Expand mode shapes: Yes, Number of modes to expand:0 → OK → 弹出 Block Lanczos Method 窗口中：Start Freq：0.001 ， End Freq：100 → OK

ANSYS Main Menu：Solution → Solve → Current LS → OK (9) 计算结果

ANSYS Main Menu：General Postproc → List Results → Detailed summary（读取模态频率） (10) 退出系统

ANSYS Utility Menu：File → Exit → Save Everything → OK

【ANSYS算例】7.2(2) 汽车悬挂系统的振动模态分析(命令流)

针对【ANSYS算例】7.2(1)的GUI操作，提供完整的命令流。 解答：给出的命令流如下。

!%%%% [ANSYS算例]7.2(2) %%%%% begin %%%%% /PREP7 !进入前处理 ANTYPE,MODAL !设定为模态分析

MP,EX,1,4E9 !定义1号材料的弹性模量

MP,DENS,1,0 !定义1号材料的密度，设置为零，则材料对振动不起作用 MP,PRXY,1,0.3 !设定1号材料的泊松比

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