一文搞懂Ansys Workbench瞬态动力学分析

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瞬态动力学分析（Transient Structural）用于确定承受任意随时间变化载荷的结构动力学响应，可以确定结构在稳态载荷、瞬态载荷和简谐载荷作用下位移、应变、应力及力随时间变化。Ansys Workbench 瞬态动力学分析流程，如下图所示。

Fig. 1 Ansys Workbench瞬态动力学分析流程图

行星轮系广泛应用于汽车、船舶、航空航天等领域。齿面啮合产生的应力、冲击往往造成齿轮失效，如轮齿折断、齿面磨损等，因而有必要对行星轮系进行强度校核。本文以行星轮系仿真为例，详细讲解Ansys Workbench瞬态动力学分析流程。

Fig. 2 行星齿轮传动

1 几何建模与导入

在Solidworks环境中，构建行星轮系CAD模型，保存为x_t格式。打开 Workbench，拖入Geometry，设置Units为mm。右击Geometry，选择并进入DM界面，通过Import External Geometry File导入模型，右击Attacxh1，选择Generate生成模型。

Fig. 3 几何建模与导入

2材料与单元属性

关闭DM界面，拖拉Transient Structural至Geometry上。双击Engineering Data，材料选用结构钢。双击Model，进入Mechanical界面，展开Geometry修改刚度属性Stiffness Behavior，将内齿圈、行星架设置为Rigid，将太阳轮、行星轮设置为Flexible。

Fig. 4 材料属性设置

3有限元网格划分

右击模型树Mesh，插入1个Method，划分方法设置为多区MultiZone，图形区选中太阳轮和行星轮，点击下方列表中的Apply，设置Element Size为5mm。右击Mesh，选择Generate Mesh，生成网格模型，检查网格质量Quality，如下图所示。

Fig. 5 行星轮系有限元网格划分

4连接关系的构建

1) 设置齿面接触。太阳轮与行星轮、行星轮与内齿轮均设置为无摩擦接触。接触面选择所有的主动轮啮合面，目标面选择所有的从动轮啮合面。其中，选择方法请参考：操作技巧 | Ansys Workbench快速选中点边面体。

Fig. 6 齿面接触设置

特别注意：为便于收敛，设置接触刚度系数为0.1。此外，由于模型初始间隙较大，故将Interface Treatment设置为 Adjust to Touch。

2) 创建运动副。在模型树Connections下，插入两个转动副(Revolute-Body to Ground)，一个转动副（Revolute-Body to Body）、一个固定副（Fixed-Ground to Body），然后选取相关表面，完成运动关系创建。

Fig. 7 创建转动副

5 载荷及驱动设置

模型树右击Transient，插入两个关节载荷Joint Load，设置太阳轮角速度为0.2 rad/s，设置行星架反向转矩为100N·mm。此处注意单位。

Fig. 8 设置关节角速度

6 求解设置与计算

点击Analysis Settings，设置求解时间为0.1s，设置初始子步为10，最小子步为10，最大子步为1000，开启大变形开关。如果不收敛，可以通过调试网格质量，调试接触算法，或者增加一个较短的时间步过渡加载。

Fig. 9 分析求解设置

7求解结果后处理

求解完成后，进入结果后处理，单击Equivalent Stress可以获得整个分析过程中的应力云图及曲线。也可以通过添加接触工具，查看接触压力云图等。

Fig. 10 应力云图

Ansys Workbench行星轮系瞬态动力学计算量较大，可以仿真转动两三个齿即可，为提高计算的准确性，可以将这两三个齿进行网格局部加密，以便更加接近真实解。

来源：纵横CAE

为什么结构仿真需要做模态分析？

最近在网上看到了一个很有意思的主题讨论，就是有人提问：为什么结构仿真需要做模态分析？我想问一下各位朋友们，如果要你回答，你该如何作答。我先整理几个回答，你们看看回答的是否准确，也欢迎大家在评论区补充。01回答1：简单来说就是简化结构的自由度，方便下一步的动力学分析。我们都知道，理论上，结构有无限多的自由度，而实际占主导的就是那几个低阶模态。模态分析就是为了把这些占主导的找出来，搞清楚。回答2：主要是为了防止结构在服役状态下产生共振，从而造成破坏和失效。结构具有固有频率的属性，由其几何、边界条件及材料参数确定。若服役状态下外界振动频率接近固有频率，则会产生共振现象，对结构造成破坏。模态分析就是通过计算结构的固有频率及振型，对设计的结构进行校核，以确保其在服役状态下安全。回答3：避开共振频率，满足机械耐久性能。回答4：仿真模型上的模态分析可以让我们获得结构的动力特性，同时大概了解实际结构在振动下可能出现的薄弱区域。这是一个我们熟悉的正向求解问题。模态试验是通过传感器了解实际结构的动力特性，从而猜测结构的性能状况。这是一个反向问题，即从数据求解结构信息。上面这四个回答，是不是从某些侧面也能让你能够了解到为什么要做模态分析。那么为了更全面的了解结构仿真为什么要做模态分析，我们先从概念开始。02模态分析概念模态分析是研究结构动力特性的一种近代方法，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。模态振型是物体按照某一阶固有频率振动时，物体上各个点偏离平衡位置的位移满足的比例关系，可以用一个向量来表示。模态参数包括模态频率、模态质量、模态向量、模态刚度和模态阻尼等。这些参数描述了结构在振动过程中的特性。03模态分析的类型模态分析可以分为计算模态分析和试验模态分析两种类型：计算模态分析：通过有限元计算的方法取得模态参数。这种方法通常用于预测和优化结构的振动特性。试验模态分析：通过传感器和数据采集设备获得系统的输入与输出数据，然后经过参数识别获得模态参数。这种方法更加依赖于实际测量数据，因此结果更加准确。 04模态分析的作用1、模态分析能够揭示结构的动力特性，诸如周期频率与振型等，这些特性对于评估结构在外部动力荷载下的响应至关重要。例如，若人走动的频率恰好为2.5Hz，而桥梁的固有频率也恰好与此相符，那么我们就需警惕共振现象的发生。2、模态分析为工程师提供了进行后续动力计算的基础，包括地震响应、楼板振动、爆炸影响及风振（如深圳的赛格大厦）等方面的分析。这些分析有助于工程师设计出更加坚固的结构，以抵御各种未知的荷载。 3、对于复杂结构，由多种材料和体系构成时，模态分析能够揭示其薄弱环节。通过分析局部振动，我们可以发现结构中最脆弱的部分，从而进行有针对性的加固。4、局部振动不仅可能源于结构本身的薄弱环节，还可能是工程师建模过程中的误差所致。因此，模态分析有助于工程师发现并纠正建模错误。同时，对于经验丰富的工程师而言，他们深知不同结构和物体的频率特征。通过模态分析，他们可以迅速识别出模型中的问题，如刚度输入错误、质量密度不匹配等。模态分析的意义在于了解结构的共振区域，为结构设计提供指导。它是开展其他动力学特性分析的基础，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断以及结构动力特性的优化设计提供依据。模态分析在航天航空、国防军工、船舶、汽车、土木、桥梁、机械等行业有着广泛的应用。通过以上系统的梳理，你是否对结构仿真为什么要做模态分析有了答案呢？来源：纵横CAE