新书上市：结构动力学分析方法与Workbench计算应用（评论赠书）

导读：由仿真秀优秀讲师付稣昇编著，经机械工业出版社发行的《结构动力学分析方法与ANSYS Workbench计算应用》正式上市了。即日起，至10月7日，在文章末尾留言评论，分享到朋友圈，邀请好友点赞前3名将获得此书。另外选择1个精彩评论留言，也将获得此书。欢迎读者朋友分享和支持。

《结构动力学分析方法与ANSYS Workbench计算应用》 详细讲解网络划分技术等ANSYS重要应用方法- 对于支撑结构动力学模拟计算的重点理论和软件选项等，精心选取大量工程案例，在案例中提供详细的操作步骤- 各案例提供结果云图动画，读者朋友可通过本书掌握结构动力学分析工程应用思维、仿真计算工具驾驭思维，欢迎读者朋友查看本文——结构动力学分析之Workbench重载吊臂子结构CMS法计算详解（见下文）

作者在多家知名企事业单位历任研发工程师、结构仿真计算专家等职务，曾多次应邀作为仿真研讨大会的演讲嘉宾。擅长计算机辅助分析在产品设计中的应用，精通结构强度、疲劳、复合材料、高级动力学、高级非线性、先进设计、优化设计等方面的仿真计算技术。完成大型企事业科研院所计算项目数十项、编写仿真计算解决方案数十项、培训企业人员达到千余人，涉及航空航天、船舶、石油、机械、重工、电子电器、风电等行业，技术经验较为丰富，曾帮助企业解决各种仿真分析难题。

作者也在仿真秀投稿过多篇技术文章，引发了不少结构工程师的共鸣，对设计仿真学习者帮助很大，为此我们深表感激。欢迎读者查看：

• 基于Topology Optimization的工业应用设计方法案例浅述
  

• ANSYS Mechanical多体机构运动副Jiont工具及应用概述

• 基于Tribo-X inside ANSYS滑动轴承系数计算应用（三）

• 基于Tribo-X inside ANSYS的滑动轴承混合润滑应用概述（四）

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• 热机蠕变疲劳在ANSYS Mechanical与nCode DesignLife仿真实现概述

• Mechanical联合nCode DesignLife 在实体焊缝疲劳分析中的应用

• 简易几何利用 ANSYS Multizone Meshing创建六面体网格应用案例

• ANSYS Design Exploration“Six Sigma”分析应用简述
• ANSYS Mechanical非线性接触功能基础概述，了解一下下吗？
• 子模型法在复合材料ACP分析的应用

2024年7月，由仿真秀优秀讲师付稣昇编著的第三本专著《结构动力学分析方法与ANSYS Workbench计算应用》正式上市，以下内容节选自该书，强烈推荐读者订阅和收藏。以下是正文：

一、引言

设备结构真实服役环境与受载过程严格意义大多处于承受动载荷下，满足静力学分析要求不一定能满足动力学分析要求，例如当车辆排气管固有频率与发动机固有频率相同时，尾气就可能被震散，因此动力学分析是很有必要的。动载荷与静力学常以时间变化速度进行区分，是相对结构自身动力学特性而言的：设备结构经受激励载荷频率远高于固有频率，则认为加载缓慢，可看作静载研究，如果加载频率与固有频率接近，则认为加载速度快，需要考虑动载荷作用和动力学计算特性研究。

结构动力学分析通用技术能帮助识别结构动载设计中的重要参数，改进结构设计以避免共振或使部件以特定频率进行振动，能考虑结构部件阻尼特性、结构系统惯性、机器旋转速度引起陀螺效应特性等，还能获得结构系统固有频率、认识结构不同动力载荷激励下响应特性、结构承载力学性能状态、频率与幅值响应规律等。

二、子结构法分析概述

子结构技术通过相对少的超单元主自由度去描述一组单元等效质量、刚度、阻尼矩阵。子结构技术能有效节省计算求解时长，降低存储文件规模，通常用于计算系统包含许多重复组件的几何。子结构技术避免重复计算单元矩阵，减少平衡迭代时间，使不同设计小组独立工作，共同组装系统级模型，适合大型复杂系统开展动力学分析计算，例如飞机、核电站、石油平台等，如图1所示。

图1.大型结构/系统

Mechanical子结构技术利用CMS（Component Mode Synthesis）法支持动力学计算，包括模态、谐响应分析、随机振动分析、响应谱分析，以及刚性动力学分析等。子结构技术利用【Condensed Part】功能实现，将结构几何视为向量组成的超单元，自由度远低于完整的有限元网格模型，进行相应计算并进行结果扩展。

三、CMS设计流程

CMS指系统矩阵被简化为主自由度集 合，和其他组件之间建立一系列接口，是一种子结构技术。Mechanical提供【Condensed Part】工具来作为一种生成超单元的方法，使用【Expansion Settings】扩展功能来扩展被压缩零件求解结果。CMS设计流程包括三个步骤：

1、生成子结构

Mechanical实现生成子结构工具是【Condensed Parts】。一组单元及其相关接触面被缩减到一个超单元中，该超单元由被缩减质量、刚度、阻尼矩阵组成。

2、使用子结构参与计算

使用超单元模型代表一部分结构参与计算分析。生成【Condensed Part】后，Mechanical将在模态求解或谐响应求解中自动进行子结构计算使用通道处理。

3、扩展子结构求解结果

利用超单元主自由度位移以及广义坐标与变换矩阵来计算超单元内的位移和应力。【Condensed Part】会在求解节点中创建扩展设置【Expansion Settings】工具项。子结构位移计算来自主自由度位移计算延伸扩展，【Expansion Settings】工具项主要进行子结构位移计算，默认情况下子结构计算结果（应力、加速度等）不作为求解内容进行展开。

四、重载吊臂子结构CMS法计算

1、模态分析流程

Step1.分析系统创建

启动ANSYS Workbench程序，打开分析起始文件【exam10-1_pre.wbpj】。如图2所示，拖拽分析系统【Modal】进入项目流程图，共享起始文件【Geometry】单元格，继续拖拽分析系统【Harmonic Response】进入项目流程图，共享继承【Modal】的E【ngineering Data】【Model】【Solution】单元格内容。

图2.创建分析系统

Step2.工程材料数据定义

计算材料采用默认材料结构钢【Structural Steel】【Engineering Data（B2）】单元格材料库不进行任何修改设置。

Step3.几何行为特性定义

双击单元格【Model（B4，C4）】，进入Mechanical模态分析环境。导航树【Geometry】节点下包括4个垂臂结构实体几何，2个连接体实体几何，如图3所示。

图3.几何行为特性定义

Step4.网格划分

(1) 选择【Mesh】节点，在明细栏设置单元阶次线性：【Element Order】→【Linear】（线弹性计算推荐高阶单元，此处考虑计算速度与存储采用低阶单元）。【Sizing】项设置【Resolution】为2级，转化过渡【Transition】=【Fast】，跨度中心角【Span Angle Center】=【Medium】。【Advanced】项设置采用前沿推进法：【Triangle Surface Mesher】=【Advancing Front】。

(2) 右击【Mesh】插入2次【Method】和2次【Body Sizing】，选择4条垂臂结构作为网格划分对象，修改明细栏【Method】=【Patch Conforming Method】，设置单元尺寸为35mm。再次选择2个连接体结构作为网格划分对象，修改明细栏【Method】=【Patch Conforming Method】，设置单元尺寸为40mm，如图4所示。

图4.网络划分

Step5.接触关系与运动副定义

(1) 右击【Connections】节点插入【Connection Group】，再次右击【Connection Group】插入【Joint】关节，修改连接类型【Connection Type】为【Body-Body】，关节类型选择旋转关节【Revolute】，不考虑扭转刚度与阻尼，在参考对象【Scope】中选择连接体的销轴孔（2个圆面），在运动对象【Scope】中选择垂臂结构销轴孔（1个圆面），完成一个运动关节定义，如图5所示。

图5.第一个运动关节定义

(2) 再次右击【Connection Group】插入【Joint】关节，并按照如图6所示设置完成连接体和垂臂另一个销轴孔的运动关节定义。

图6.第二个运动关节定义

(3) 同理完成其他运动关节的创建，最终完成4组8个旋转运动关节的创建。

(4) 右击导航树【Connections】节点，插入【Connection Group】，单击导航树中生成的【Contacts】节点，【Scope】项下的【Geometry】选择名为“连接体”的2个几何零件，右击【Contacts】选择【Create Automatic Connection】，进行接触对自动创建，不修改接触对类型，默认为【Bonded】，完成两个连接体法兰之间接触关系的定义，过程如图7所示。

图7.解除关系定义

(5) 同理完成4个垂臂几何与连接体（下部）几何之间的接触关系定义，默认为【Bonded】接触关系，如图8所示。

图8.垂壁与连接体接触关系定义

Step6. 约束定义

选择【Static Structural (B5)】节点，右击后选择【Insert】→【Fixed Support】，在明细栏【Geometry】选中连接体底座法兰环面，如图9所示。

图9.约束定义

Step7. 模态分析设置

【Analysis Settings】进行模态12阶提取，设置频率搜索范围为0-100Hz。

2、谐响应分析流程

Step1.模态选项定义

谐响应分析采用模态叠加法，模态环境定义采用默认设置。

Step2.谐响应分析设置

(1) 在【Analysis Settings】中设置【Options】：频率空间类型设置为线性【Linear】，频率空间范围为0-50Hz，默认采用模态叠加法，求解间隔【Solution Intervals】=10。

(2) 在【Analysis Settings】中设置阻尼控制【Damping Controls】：采用阻尼比定义，阻尼比为0.02，如图10所示。

图10.谐响应分析设置

Step3. 谐响应分析载荷定义

选择【Harmonic Response (C5)】节点，连续4次选择右键快捷菜单命令【Insert】→【Force】，插入4个集中力载荷，分别施加如图11所示的垂臂销轴孔表面，长臂施加载荷力大小为20000N，短臂施加载荷力大小为15000N，相位角为180°，两侧臂分别施加载荷力大小10000N，相位角90°，方向均垂直于地面。

图11.施加载荷力

3、定义CMS子结构流程

Step1.建立【Condensed Geometry】

(1) 单击选中导航树【Model (B4, C4)】节点，右击后选择【Insert】→【Condensed Geometry】。

(2) 选择【Condensed Geometry】节点，2次右击并选择【Insert】→【Condensed Part】，插入2个【Condensed Part】项目，如图12所示。

图12.创建【Condensed Part】

(3) 右击【Condensed Parts】项弹出快捷菜单【Detect Condensed Parts Interface】进行接口关系创建。子结构接口相关细节通过工作表视窗查验，此时呈现“？”的未定义项将再次完全定义。再次右击【Condensed Parts】项，弹出快捷菜单，选择【Generate Detect Condensed Parts】进行压缩零件创建，如图13所示。

图13.生成【Condensed Part】

Step2. 子结构扩展

子结构扩展项【Expansion Settings】在模态分析和谐响应分析中均有控制项。

点选导航树模态分析【Expansion Settings】弹出【Worksheet】，对列表中【Condensed Part 2】中计算结果【All Results】进行输出；同理完成谐响应分析扩展【Condensed Part 2】的计算结果【All Results】进行输出，即对4垂臂中原作为【Condensed Part】零件压缩的2个侧臂结构的计算结果也进行选择输出，如图14所示。

图14.模态云图

4、求解扩展及后处理

(1) 单击选中导航树【Solution (B6)】节点，右击后选择【Insert】→【Solve】完成模态求解，如图154所示，进行全部零件的第1阶和4阶模态振型提取，振型云图显示零件不包括子结构压缩零件定义的连接体下部结构。

(2) 选择【Solution (C6)】节点，右击后选择【Insert】→【Solve】完成谐响应模块求解。

(3) 选择【Solution (C6)】节点，右击后选择【Insert】→【Frequency Response】→【Stress】插入基于应力的频率响应结果，方向选择Y轴，选择长垂臂销轴孔作为响应观测面。

(4) 求解获得频率、幅值、相位相应关系如图15所示，应力响应峰值频率出现在35Hz。

图15.频率响应曲线

(5) 右击上一步生成【Frequency Response】，选择【Create Contour Result】生成应力计算项，修改应力类型为E【quivalent（von-Mises）Stress】，峰值频率应力响应结果如图16所示，云图显示零件不包括子结构压缩零件连接体下部应力。

图16.峰值频率响应结果

(6) 右击上一步生成的【Equivalent Stress】，选择【Create Results at all Sets】，获得全部频次下应力结果，过程如图17所示，图中仅给出3阶频次应力结果与最大激励响应应力结果进行参考比对，可知共振响应与非共振响应结构应力值差距数十倍。