ansys谐响应分析

质量-弹簧系统的谐响应分析一、实验目的1、学会分析实际工程问题的方法2、掌握谐响应分析分析方法3、学会对问题的抽象处理二、实验器材能够安装ANSYS软件，CPU2.0GHz以上，内存1G以上，硬盘5G空间的计算机三、实验说明任何持续的周期载荷将在结构系统中产生持续的周期响应（谐响应）。

谐响应分析使设计人员能预测结构的持续动力特性，从而使设计人员能够验证其设计能否成功克服共振、疲劳及其他受迫振动引起的有害结果。

谐响应分析的目的是计算出结构在几种频率下的响应，并得到一些响应值（通常是位移）对频率的曲线。

从这些曲线上可以找到“峰值”响应，并进一步观察峰值频率对应的应力。

四、实验内容和步骤（一）前处理1.定义工作名：Utility Menu > File > Change Title,在弹出Change Title的对话框，输入07060241x18,然后单击OK按钮。

2.定义单元类型：Main Menu > Preprocessor > Element Type>Add/Edit/Delete,弹出“Element Types”对话框，单击Add按钮，弹出“Library of ElementTypes ”对话框，在左边的滚动条中选择Structural及其下的 Combination，在右边的滚动条中选择 Spring-damper14 ，单击Apply按钮。

3.在左面滚动栏中选择“Structural”及其下的“Mass”，在右面的滚动栏中选中“ 3D mass 21”,单击Ok按钮。

4.单击“Element Types”对话框的Close按钮，关闭对话框。

5.定义实常数：Main Menu > Preprocessor > Real Constants >Add/Edit/Delete,弹出Real Constant对话框，单击 Add 按钮，弹出Element Type for Real Constants对话框.6.在“Element Types for Real Constants”对话框中单击选取“Type 1 COMBIN14”,单击OK按钮。

ANSYS谐响应分析ANSYS谐响应分析是一种常见的工程分析方法，适用于对结构、机械和电子系统的动态响应进行预测和优化。

在这种分析中，系统的响应将被建模为正弦或余弦函数的和，称为谐波。

通过分析系统在不同频率下的响应，可以确定系统的固有频率、振动模态和动态性能。

1.准备模型：首先，需要准备模型并进行几何建模。

这包括选择材料属性、定义边界条件和加载条件。

在谐响应分析中，通常使用静力加载来模拟系统振动的激励。

2.确定固有频率：在进行谐响应分析之前，需要确定系统的固有频率。

这可以通过进行模态分析来完成。

模态分析是一种分析方法，用于确定系统的固有频率和振型。

通过查看模态分析的结果，可以确定系统的响应频率范围。

3.设置谐振状态：在进行谐响应分析之前，需要明确要分析的振动频率范围。

这可以通过选择分析频率范围并设置振动荷载的频率来完成。

在ANSYS中，可以选择一个或多个分析频率，并设置载荷的相位和振幅。

4. 进行求解：在所有输入条件都设置好之后，可以开始运行谐响应分析。

在ANSYS中，可以使用ANSYS Mechanical或ANSYS Workbench等模块来进行求解。

系统的振动响应将在选择的频率范围内进行计算和分析。

5.结果分析：完成求解后，可以查看并分析计算结果。

ANSYS提供了丰富的后处理工具，用于可视化和分析分析结果。

可以查看系统的位移、速度、加速度和应力等响应结果，并通过其他参数来优化系统的设计。

谐响应分析在工程设计中具有重要的应用价值。

通过分析和优化系统的谐响应性能，可以改善结构的稳定性和可靠性。

例如，在建筑结构设计中，可以通过谐响应分析来确定楼层的固有频率和响应模态，从而减少振动和噪声的问题。

在机械系统设计中，可以通过谐响应分析来确定机械部件的振动模态，从而优化机械系统的可靠性和工作效率。

总之，ANSYS谐响应分析是一种重要的工程分析方法，可以用来预测和优化结构、机械和电子系统的动态响应。

谐响应分析可以通过ANSYS软件进行，通过明确振动频率范围和谐振状态，进行求解和结果分析，可以得到系统在不同频率下的振动响应和优化方案。

第7章 谐响应分析
谐响应分析主要用来确定线性结构在承受持续的周期载荷时的周期性响应（谐响应）谐响应分析能够预测结构的持续动力学特性，从而验证其设计能否成功地克服共振、疲劳及其他受迫振动引起的有害效果。

通过本章的学习，即可掌握在★ 了解谐响应分析。

7.1 谐响应分析概述
谐响应分析（Harmonic Response Analysis ）是用于确定线性结构在承受一个或多个随时间按正弦（简谐）规律变化的载荷时稳态响应的一种技术。

分析的目的是计算出结构在几种频率下的响应并得到一些响应值（通常是位移）对应频率的曲线。

从这些曲线上可以找到“峰值”响应，并进一步考察频率对应的应力。

谐响应分析技术只计算结构的稳态受迫振动。

发生在激励开始时的瞬态振动不在谐响应分析中考虑。

谐响应分析是一种线性分析。

任何非线性特性，如塑性和接触（间隙）单元，即使被定义了也将被忽略，但在分析中可以包含非对称系统矩阵，如分析流体——结构相互作用问题。

谐响应分析同样也可以分析有预应力的结构，如小提琴的弦（假定简谐应力比预加的拉伸应力小得多）。

对于谐响应分析，其运动方程为：
[][][](){}{}(){}{}()21212
M i C K i F i F ωωφφ−+++=+ 这里假设刚度矩阵[]K 、质量矩阵[]M 是定值，要求材料是线性的、使用小位移理论（不包括非线性）、阻尼为[]C 、简谐载荷为[]F 。

谐响应分析的输入条件包括：
已知幅值和频率的简谐载荷（力、压力和强迫位移）。

简谐载荷可以是具有相同频率的多种载荷，力和位移可以相同或者不相同，但是压力分布
载荷和体载荷只能指定零相位角。

ANSYSWorkbench正弦响应分析之详细版这是 ANSYS 工程实战第 42 篇文章问题描述：正弦分析选用的项目模块为谐响应分析（Harmonic Response），这里对谐响应分析的关键知识点和正弦分析具体分析步骤和方法进行了详细介绍。

1. 谐响应分析理论介绍1.1 谐响应分析的定义谐响应分析是用于确定线性结构在承受一个或多个随时间按正弦（简谐）规律变化的载荷时稳态响应的一种技术。

1.2 谐响应分析的目的谐响应分析的目的是计算出结构在几种频率下的响应并得到一些响应值对频率的曲线（如位移对频率曲线），从这些曲线上可以找到“峰值”响应，并进一步考察频率对应的应力。

1.3 谐响应分析的输入条件谐响应分析的输入条件：相同频率的多种载荷。

1.4 谐响应分析的运算求解方法谐响应分析的运算求解方法包括完全法（Full）和模态叠加法(Mode Superposition)。

完全法是一种最简单的方法，不需要先进行模态分析，但求解更耗时，对于复杂结构，8核并行运算，一般计算时间在3h以上。

模态叠加法是 Workbench 谐响应计算的默认求解方法，从模态分析中叠加模态振型。

采用模态叠加法进行谐响应分析时，首先需要自动进行一次模态分析，虽然首先进行的是模态分析，但谐响应部分的求解仍然比完全法快的多。

一般对于复杂结构，8核并行运算，谐响应部分的计算时间小于0.5h。

2. 用完全法进行正弦分析的分析步骤及设置2.1 插入响应模块完全法进行正弦分析时直接将 Analysis Systems 下的 Harmonic Response 谐响应模块拉到项目管理区中或者直接引用项目管理区中模态分析的模型（Model），如图 1 所示。

图 1 插入响应模块2.2 三维模型导入及处理在 Inventor 软件中对行波管进行建模，经过模型干涉检查合格后，将建立好的模型生成stp 格式，导入到有限元软件ANSYS Workbench 中，行波管模型如图 2 所示，包括底板、包装件、电子枪、收集极和高频等组件。

ANSYS中的模态分析与谐响应分析模态分析是分析结构的动力特性，与结构受什么样的荷载没有关系，只要给定了质量、弹性模量、泊松比等材料参数，并施加了边界约束就可以得到此状态下的各阶自振频率和振型（也称为模态）。

谐响应分析是分析结构在不同频率的简谐荷载作用下的动力响应，是与结构所受荷载相关的，只是结构所受荷载的都是简谐荷载，而且荷载频率的变化范围在谐响应分析时要给出来。

比如，在ANSYS谐响应分析中要给出这样的语句FK,3,FX,7071,7071 ！指定点荷载的实部和虚部（或者幅值和相位角）HARFRQ,0,2.5, ！指定荷载频率的变化范围，也就是说只分析结构所受频率从0到2.5HZ之间的荷载NSUBST,100, ！指定频率从0到2.5之间分100步进行计算这样，结构所受的这个点荷载的表达式实际上是F=(7071+i*7071)*exp(i*omiga*t) !式中omiga从0到2.5*2*3.1415926变化分析得到结果是各点物理量随频率变化的，但物理量的值一般为复数，包括实部的虚部，这可以从后处理LIST结点值看出来。

个人认为进行谐响应分析并不一定要先进行模态分析（也叫振型分析、振型分解等），而直接进行谐响应分析后查看结构的物理量随频率变化曲线时也会看到在结构的自振频率处响应会放大（共振）。

如果已经进行过模态分析的话，会发现谐响应分析时的共振频率和模态分析提到的自振频率是一致的。

但有些时候模态分析中得到的有些频率在谐响应分析的频响曲线里可能很不明显。

因此，只能说在谐响应分析前进行一下模态分析可以对结构的自振特性有个了解，以便验证谐响应分析结果是否合理。

另外，谐响应分析应该是频域分析方法的一个部分。

对于相地震那样的时间过程线，直接进行时域分析（ANSYS里用暂态分析）可得到结构随时间的响应。

而如果进行频域分析，就应该通过傅立叶变换把时域地震曲线变为由多个简谐荷载的叠加，然后再以此简谐荷载做为谐响应分析时的荷载进行谐响应分析，最后再对谐响应分析得到的结果进行傅立叶逆变换得到时域的结果。

Ansys模态叠加法谐响应分析模态叠加法谐响应分析hypermesh中ettypes：对于solid185单元，需设置单元选项k2=2，即采用增强应变公式方法。

这种方法可消除剪切锁定和体积锁定，虽然计算量较大，但可提高计算精度。

对于solid186单元，设置单元选项k2=1，即采用完全积分方法。

这种方法可消除沙漏模式，但应谨慎用于不可压缩材料（泊松比约为0.5）的模拟，否则可能导致体积锁定。

hypermesh中materials：一般单位采用mm,n,mpa,ton,s。

materialtype：mp；numberoftemp：1；在materialprop：ex杨氏模量，nuxy泊松比，dens密度，在c0栏中输入数值。

三维单元每个节点具备三个自由度，即为三个对应状态自由度。

因此约束的时候只需约束dof1，dof2和dof3.ansys：向ansys中导入.cdb文件以后，在菜单栏中plot――elements即可显示三维模型的单元。

谐积极响应分析师确认一个结构在未知频率的正弦（四极）载荷促进作用下的积极响应特性的技术。

输出：未知大小和频率的谐载荷（力、压力和胁迫加速度）或同一频率的多种载荷、力和加速度可以就是同相或相同相的。

表面载荷和体载荷的增益角度可以选定为零。

输出：每一个自由度上的谐位移，通常和施加的载荷不同相，也可以是其他多种导出量例如应力和应变等。

模态共振法（modalsuperpos’n）:从前面的模态分析中获得各模态，再对除以系数的各模态议和，就是三种方法中最快的，但是首先必须展开模态分析。

模态分析：1.mainmenu>preference>structural,在disciplineoptions中点选h-method。

2.mainmenu>solution>analysistype>newanalysis点选modal3.mainmenu>solution>analysistype>analysisoptions通常采用blocklanczos方法。

ANSYS培训教程：谐响应分析任何持续的周期载荷将在结构系统中产生持续的周期响应(谐响应)。

谐响应分析是用于确定线性结构在承受随时间按正弦(简谐)规律变化的载荷时稳态响应的一种技术。

分析的目的是计算出结构在几种频率下的响应并得到一些响应值(通常是位移)对频率的曲线。

从这些曲线上可以找到“峰值”响应，并进一步观察峰值频率对应的应力。

该技术只计算结构的稳态受迫振动，而不考虑发生在激励开始时的瞬态振动 (见图10.1)。

谐响应分析使设计人员能预测结构的持续动力特性，从而使设计人员能够验证其设计能否成功地克服共振、疲劳，及其它受迫振动引起地有害效果。

谐响应分析是一种线性分析。

任何非线性特性，如塑性和接触(间隙)单元，即使定义了也将被忽略。

分析中可以包含非对称系统矩阵，如分析在流体——结构相互作用中问题。

谐响应分析可以分析有预应力结构，如小提琴的弦谐响应分析的求解方法ANSYS中提供了三种谐响应分析的方法：Full (完全法)、Reduced (缩减法)、Mode Superpos’n (模态叠加法)。

下面将对三种方法的优缺点作一介绍。

1．完全法完全法是三种方法种最易使用的方法。

它采用完整的系统矩阵计算谐响应(没有矩阵缩减)。

矩阵可以是对称的或非对称的。

完全法的优点是：容易使用，因为不必关心如何选取主自由度或振型；使用完整矩阵，因此不涉及质量矩阵的近似；允许有非对称矩阵，这种矩阵在声学或轴承问题中很典型；用单一处理过程计算出所有的位移和应力。

完全法允许定义各种类型的载荷：节点力、外加的(非零)位移、单元载荷(压力和温度)。

允许在实体模型上定义载荷。

完全法的一个缺点是预应力选项不可用。

另一个缺点是当采用Frontal方程求解器时这种方法通常比其它方法都开销大。

但在采用JCG求解器或ICCG求解器时，完全法的效率很高。

2．缩减法缩减法通过采用主自由度和缩减矩阵来压缩问题的规模。

主自由度处的位移被计算出来后，解可以被扩展到初始的完整DOF集上。

ANSYS谐响应分析谐响应分析是用于确定线性结构在受正弦载荷作用时的稳态响应，目的是计算出结构在几种频率下的响应，并得到响应随频率变化的曲线。

其输入为已知大小和频率的谐波载荷（力、压力和强迫位移）；同一频率的多种载荷，可以是相同或不相同的。

其输出为每一个自由度上的谐位移，通常和施加的载荷不同；或其它多种导出量，例如应力和应变等。

谐响应分析能预测结构的持续动力特性，从而验证设计能否成功地克服共振、疲劳，以及其他受迫振动引起的不良影响。

同时，通过谐响应分析可以用来探测共振响应；可以确定一个给定的结构能否能经受住不同频率的各种正弦载荷（例如：以不同速度运行的发动机）。

谐响应分析有三种求解方法:完整法、缩减法及模态叠加法。

三种方法都有其相应的适用条件。

这里主要介绍模态叠加法。

模态叠加法是通过对模态分析得到的振型乘上因子并求和计算出结构的响应，是所有求解方法中最快的。

使用何种模态提取方法主要取决于模型大小和具体的应用场合。

模态叠加法可以使解按结构的固有频率聚集，可产生更平滑且更精确的响应曲线图，同时可以包含预应力效果。

（对于机械结构来看，预应力含义为预先使其产生应力，其好处是可以提高构造本身刚性，减少振动和弹性变形，改善受拉模块的弹性强度，提高结构的抗性。

）有预应力的谐响应分析可用缩减法和模态叠加法进行。

对于有预应力的谐响应分析，为了在模态叠加法谐响应分析中包含预应力效果，必须首先进行有预应力的模态分析。

在完成了有预应力模态分析后，就可以像一般的模态叠加法那样进行分析了。

而对于对于有预应力的模态分析，由于结构预应力会改变结构的刚性，因此预应力结构模态分析是结构设计中必须考虑的因素。

预应力模态分析步奏与常规模态分析大致相同，其差别在于:（1）先对造成预应力的外力进行静力分析；（2）在静力分析和模态求解中打开PSTRES，on命令，表示考虑了预应力效应。

模态叠加法进行谐响应分析的步骤如下：一、建模1）只能用线性的单元和材料，忽略各种非线性的性质。

例单自由系统的谐响应分析质量为1Kg，弹簧刚度k=10000n/m,阻尼系数c=63,作用在该系统上的激振力f(t)=F o sinwt,F o=2000N。

步骤：1创建单元main menu-preprocessor-element type-add/edit/delete 单元3D mass 21-apply 然后左侧选择combination,右侧选择spring-damper 142定义实常数main menu-preprocessor-real constants-add/edit/delete-add选择type1 mass21 ok-add选择type 2 combin14 ok-(k 10000),(cv1 63) ok3创建关键点main menu-preprocessor-modeling-create-keypoints-in active cs建两个点1（0，0，0），2（1，0，0）4通过关键点创建直线main menu-preprocessor-modeling-create-lines-lines-straight line5划分单元main menu-preprocessor-meshing-meshtool 在element attributes区域，选lines-set 拾取直线ok 下一个对话框，选real-2,type-2 combin14 ok 在size controls-lines-set拾取直线，ndiv-1-ok,单击mesh6创建单元main menu-preprocessor-modeling-create-elements-auto numbered-thru nodes 拾取节点27施加约束main menu-solution-define loads-apply-structural-displacement-on nodes 拾取节点1 ok-全约束-apply-拾取节点2-lab2-(uy,uz,rotx,roty,rotz) ok8定义分析单元main menu-solution-analysis type-new analysis在type of analysis-harmonic9制定激振频率范围main menu-solution-load step opts-time/frequenc-freq and substps,在harfrq文本框输入0，50。

*谐响应分析的概述*1谐响应分析的概念谐响应分析（Harmonic Response Analysis）用于确定线性结构在承受一个或多个随时间按正弦（简谐）规律变化的载荷时的稳态响应的一种技术，分析过程中只计算结构的稳态受迫振动，不考虑激振开始时的瞬态振动，谐响应分析的目的在于计算出结构在几种频率下得响应值（通常是位移）对频率的曲线,从这些曲线上可以找到“峰值”响应，并进一步考虑频率对应的应力.从而使设计人员能预测结构的持续性动力特性，验证设计是否能克服共振、疲劳以及其他受迫振动引起的有害效果.谐响应分析技术只计算结构的稳态受迫振动.发生在激励开始时的瞬态振动不在谐响应分析中考虑。

谐响应分析是一种线性分析。

任何非线性特性，如塑性和接触单元，即使定义了也被忽略，但在分析中可以包含非对称系统矩阵。

谐响应分析同样也可分析有预应力的结构。

*2谐响应分析的理论基础谐响应分析的基本运动方程为：（4—1）通用运动方程为:（4—2）简谐运动的分析方程为：(4-3）（4-4）其中：—激振力矩阵—刚度矩阵-质量矩阵-位移矩阵—载荷幅值—实部载荷—虚部载荷—载荷函数的相位角—位移幅值这里假设刚度矩阵、质量矩阵是定值，要求材料是线弹性的、使用最小位移理论(不包括非线性)、阻尼为、激振力（简谐载荷）为。

谐响应分析的输入条件包括：(1）已知幅值和频率的简谐载荷(力、压力和强迫位移）（2) 简谐载荷可以是具有多种频率的多种载荷，力和位移可以相同或者不相同，但是压力分布载荷只能指定零相位角.谐响应分析的输出结果分析包括:（1) 每个自由度的谐响应位移，通常情况下谐响应位移和施加的载荷是不相同的。

（2）应力和应变等其它导出值.*3谐响应分析的求解基本方法(1）完整法（full)-为缺省方法，是最容易的方法；—使用完整的结构矩阵，且允许非对称矩阵（例如：声学矩阵）。

-允许定义各种类型的荷载；预应力选项不可用；（2）缩减法(reduced)—使用缩减矩阵,比完整法更快；—需要选择主自由度，据主自由度得到近似的［M］矩阵和［C]矩阵。

八、谐响应分析8.1问题描述单自由度系统如图所示，质量m=1kg,弹簧刚度k=10000N/m，阻尼系数c=63，作用在系统上的激振力N t t f F F 2000,sin )(00==ω,ω为激振频率。

单自由度系统8.2求解步骤1、建立工作文件名和工作标题2、定义单元类型及实常数1）定义单元类型：Main Menu→Preprocessor→Element Type→Add/Edit /Delete。

弹出对话框，单击“Add”按钮；弹出对话框，在左侧列表中选“Structural Mass”，在右侧列表中选“3D mass 21”，单击“Apply”按钮；再在左侧列表中选“Combination”，在右侧列表中选“Spring-damper14”,单击“Ok”按钮；单击对话框的“Close”按钮。

2）定义实常数：Main Menu→Preprocessor→Real Constants→Add/Edit /Delete。

单击“Add”按钮，弹出对话框，在列表中选择“Type 1MASS21”，单击“OK”按钮，弹出对话框，在“MASSX”文本框中输入1，单击“OK”按钮；返回对话框，单击“Add”按钮，再次弹出对话框，在列表中选择“Type 2COMBIN14”，单击“OK”按钮，弹出图所示的对话框，在“K”文本框中输入10000，在“CV1”文本框中输入63，单击“OK”按钮；返回，单击“Close”按钮。

3、生成几何模型，划分网格1）创建节点：Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Nodes→In ActiveCS。

弹出对话框，在“NODE”文本框中输入1，在“X,Y,Z”文本框中分别输入0,0,0，单击“Apply”按钮；在“NODE”文本框中输入2，在“X,Y,Z”文本框中分别输入1,0,0，单击“OK”按钮。

2）设置要创建单元的属性：Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create →Elements→Elem Attributes。

第15例谐响应分析实例—单自由度系统的受迫振动本例介绍了利用ANSYS进行谐响应分析的方法、步骤和过程，并使用解析解对有限元分析结果进行了验证。

在进行谐响应分析时，要求结构上的载荷随时间呈正弦规律变化。

15.1概述15.1.1谐响应分析的定义谐响应分析主要用于确定线性结构承受随时问按正弦规律变化的载荷时的稳态响应。

谐响应分析主要采用完全法( Full)、缩减法(Reduced)和模态叠加法( Mode Superposition)。

完全法是软件的默认方法，是三种方法中最容易使用的。

它采用完整的系数矩阵计算，谐响应，不涉及质量矩阵的近似，不必关心如何选取主自由度或振型。

系数矩阵可以是对称的，也可以是不对称的。

其缺点是预应力选项不可用，有时计算量比较大。

缩减法通过采用主自由度和缩减矩阵来压缩问题的规模。

当主自由度处的位移计算出来后，解可以被扩展到初始的完整DOF集上。

该方法可以考虑预应力效果，但不能施加单i元载荷，所有载荷必须施加在用户定义的主自由度上。

模态叠加法通过对模态分析得到的振型乘以因子并求和来计算结构的响应。

对于许多问题，其计算量比前两种方法都少。

该方法可以考虑预应力效果，允许考虑阻尼，但不能施；加非零位移。

谐响应分析是线性分析，会忽略所有非线性特性。

另外还要求所有载荷必须具有相同的频率。

15.1.2谐响应分析的步骤谐响应分析包括建模、施加载荷和求解，以及查看结果等几个步骤。

(1)建模谐响应分析的建模过程与其他分析相似，包括定义单元类型、定义单元实常数、定义；，材料特性、建立几何模型和划分网格等。

但需注意的是：谐响应分析是线性分析，非线性特性被忽略；必须定义材料的弹性模量和密度。

(2)施加载荷和求解根据谐响应分析的定义，施加的所有载荷都随时间按正弦规律变化，指定一个完整的正弦载荷需要确定三个参数，即幅值（Amplitude，载荷最大值）、相位角(Phase angle)，载荷落后或超前参考时间的角度）、载荷频率范围（Forcing Frequency Range），或者实部、虚部和载荷频率范围。