Ansys 第31例 冲击动力学分析实例——车辆受

ANSYS对中国汽车工业的解决方案2005-3-21美国ANSYS股份有限公司一、中国汽车工业现状中国汽车特别是轿车工业有了巨大发展，到2000全年整车产量达206.9万辆，车型由单一品种发展到客货并重、大中小系列产品的可喜局面。

但是，和市场要求比，产品技术水平差距还很大。

在国内外汽车市场激烈竞争的局面下，产品技术质量已成为各厂家的第一生命线。

国外名厂已进入我国汽车业，合资产品已大批量投产。

但是基本上还是走“散件装车-引进消化图纸-逐步国产化”的道路。

造成了“产品批量生产之时即是市场淘汰之日”被动的局面，实践证明这种CKD(Complete knock down)方式是装不出自己的汽车工业的。

中国汽车的一个重要战略制高点－自主的产品开发能力尚未形成。

“中国汽车必须建立自主的产品开发能力！”已是政府和企业的共识。

CAE 技术可以在提高产品质量和建立产品开发能力方面，对汽车企业提供极大帮助。

ANSYS是最早通过ISO9001质量认证的设计分析软件，其全面的分析功能涉及结构、疲劳、热、流体、电磁场、碰撞、板金成形等汽车行业所需的各种分析仿真功能，产品应用的深度、广度、解算结果的高精度及其图形界面的易学易用，已经使之成为汽车产品开发必不可少的伙伴。

国际上，在广泛应用ANSYS进行产品开发的企业中，有限元分析已是设计链中必须的常规，没有有限元分析的设计不能进入下一个技术流程。

新车开发中的疲劳、寿命、振动、噪声等强度和刚度问题，可成熟地在设计阶段解决，大幅度提高了设计质量，缩短了产品开发周期，节省大量开发费用，同时避免了产品投放市场初期常常出现的质量问题而影响新产品的声誉。

这就可以使得企业集中力量于汽车的环保、节能和安全等现代汽车设计主题研究。

可以说，没有CAE应用，则没有产品的高质量，没有CAE则没有自主的产品开发能力。

二、现代汽车设计的新特点现代汽车向清洁、节能、安全和智能方向发展。

夹在质量和成本间的汽车设计数据空间越来越少。

ANSYS动力学分析的几个入门例子问题一：悬臂梁受重力作用发生大变形，求其固有频率。

图片附件: 1.jpg ( 4.85 K )基本过程：1、建模2、静力分析NLGEOM,ONSTRES,ON3、求静力解4、开始新的求解：modalSTRES,ONUPCOORD,1,ON 修正坐标SOLVE...5、扩展模态解6、察看结果/PREP7ET,1,BEAM189 !使用beam189梁单元MPTEMP,,,,,,,,MPTEMP,1,0MPDATA,EX,1,,210e9MPDATA,PRXY,1,,0.3MPDATA,DENS,1,,7850SECTYPE, 1, BEAM, RECT, secA, 0 !定义梁截面secASECOFFSET, CENTSECDATA,0.005,0.01,0,0,0,0,0,0,0,0K, ,,,, !建模与分网K, ,2,,,K, ,2,1,,LSTR, 1, 2LATT,1, ,1, , 3, ,1LESIZE,1, , ,20, , , , ,1LMESH, 1FINISH/SOL !静力大变形求解ANTYPE,0NLGEOM,1PSTRES,ON !计及预应力效果DK,1, , , ,0,ALL, , , , , ,ACEL,0,9.8,0, !只考虑重力作用TIME,1AUTOTS,1NSUBST,20, , ,1KBC,0SOLVEFINISH/SOLUTIONANTYPE,2 !进行模态求解MSA VE,0MODOPT,LANB,10MXPAND,10, , ,0 !取前十阶模态PSTRES,1 !打开预应力效应MODOPT,LANB,10,0,0, ,OFFUPCOORD,1,ON !修正坐标以得到正确的应力PSOLVE,TRIANG !三角化矩阵PSOLVE,EIGLANB !提取特征值和特征向量FINISH/SOLUEXPASS,1 !扩展模态解PSOLVE,EIGEXPFINISH/POST1SET,LIST !观察结果FINISH问题二：循环对称结构模态分析这是ANSYS HELP里的例子，但那个命令流似乎有些问题，下面是整理过的命令流。

ANSYS动力分析谱分析实例谱分析是一种常用的动力学分析方法，可以将时间域上的信号转化为频率域上的信号。

在ANSYS中，可以使用各种功能和工具进行谱分析。

接下来，我将为您介绍一个使用ANSYS进行动力学谱分析的实例。

假设我们有一个简单的悬臂梁结构，在悬臂梁的一端施加一个脉冲载荷，并且希望分析结构在这个载荷作用下的振动响应。

首先，在ANSYS中创建一个新的工作文件，并选择适当的分析类型。

对于动力学分析，我们可以选择"Transient Dynamic" (瞬态动力学)分析。

接下来，为悬臂梁结构设置适当的材料属性、几何尺寸和约束条件。

在本例中，我们选择一个简单的材料模型，例如线弹性材料。

我们还需要定义悬臂梁的几何尺寸和任何约束条件，例如固支或自由端。

然后，我们需要定义载荷。

在本例中，我们施加一个脉冲载荷，来模拟突然施加在结构上的外力。

脉冲载荷可以是一个正弦波、高斯函数或斯特朗函数。

在ANSYS中，我们可以使用一个时间函数来定义这个载荷。

现在，我们可以开始进行分析。

在动力学分析中，我们通常需要定义一个时间步长和总计算时间。

时间步长决定了计算的精确性和计算时间，通常需要根据结构的特性进行调整。

计算完成后，我们可以通过结果查看器或报告生成器来查看和分析结果。

对于动力学分析，我们通常关注的是结构的位移、速度和加速度等振动响应。

这些结果可以以时间序列图或频谱图的形式呈现。

对于谱分析，我们可以使用ANSYS中的频谱分析工具来进一步分析结果。

通过应用傅里叶变换，可以将时间域上的信号转换为频率域上的信号。

在ANSYS中，我们可以选择不同的频谱方法，如快速傅里叶变换、峰值谱分析和传递函数法。

通过进行谱分析，我们可以获得结构在不同频率下的振动响应信息。

这些信息可以帮助我们了解结构的固有频率、共振情况和模态形态，从而指导结构的设计和优化。

在这个实例中，我们演示了如何使用ANSYS进行动力学谱分析。

通过使用ANSYS的各种功能和工具，工程师可以预测和评估结构的振动响应，并进行结构的动态性能分析和优化。

A N S Y S动力分析-谱分析实例?? 谱分析实例- 工作台的响应谱分析说明：确定一个工作台在如下加速度谱作用下的位移和应力：操作指南：1. 清除数据库，读入文件table.inp 以创建模型的几何和网格。

2. 模态分析，求解15 个模态，注意选择计算单元结果。

查看前几个模态形状：3. 返回/Solution，选择新分析- 谱分析：设置求解选项，选择单点谱分析，使用所有15 个模态：设置常数阻尼比0.01。

设置激励为X 方向的加速度谱：定义加速度谱：首先定义频率表：然后定义各频率点的谱值(加速度值)：定义阻尼比为0.02，然后输入个频率点的加速度值：使用Show States 可以查看设置结果：选择模态组合方法：使用SRSS 方法进行模态叠加，输出类型为位移。

其中的有效门限值(significance threshold) 使得在模态组合时只包含主要的模态，模态的有效门限值是模态系数与最大模态系数的比值。

要在组合时包含所有模态，使用0 值作为门限值。

点击Solve -> Current LS 进行求解：进入POST1，首先读入 .mcom 文件(File -> Input File From ...)，执行模态组合，然后查看桌子的位移，注意它的组号为9999：显示工作台的Mises 应力：注意：–大多数组合方法包含平方运算，这会导致应力分量正负号的丢失。

因此，从这些无正负号的应力分量导出的等效应力和主应力是非保守和不正确的；–如果对等效应力/ 应变和主应力/ 应变感兴趣，应该在读入jobname.mcom 文件前执行SUMTYPE, PRIN ( General Postprocessor > Load Case > Calc Options > Stress Option …) 命令。

从而会直接计算导出值，得到更为保守的结果。

设置如下，选择Comb Principals：从新读入 .mcom 文件，执行模态组合，然后查看桌子的应力，比前面Comb Conponent 略大一点：5. 如果有兴趣，自己可以分别在Y 和Z 方向施加加速度谱，重复这一分析。

ANSYS环境中的船舶推进轴系冲击动力学仿真计算许庆新1沈荣瀛1臧述升2(1. 上海交通大学振动冲击噪声国家重点实验室，上海，200030，2.上海交通大学动力机械与工程实验室，上海，200030)摘要:本文提出了一种基于ANSYS环境的船舶推进轴系冲击动力学计算的方法。

首先采用有限元方法，把连续轴系离散成由二维梁单元构成的离散质量系统，轴承座处理成弹性约束的边界条件，螺旋桨简化为集中质量，求得轴系弯曲振动的固有频率和固有振型。

然后在垂向加速度冲击输入条件下，求解轴系任意点处的位移响应，以及轴承支承处的冲击应力。

通过一个工程计算实例，说明该方法的适用性。

关键词：推进轴系、冲击响应、仿真计算Simulation of Shock Dynamics of Ship Propulsive Shafting UsingANSYSXU Qingxin1 SHEN Rongying1 ZANG Shusheng2(1.Shanghai Jiaotong University State Key Laboratory of Vibration Shock Noise, Shanghai,200030 2.Shanghai Jiaotong University Power Mechanical Engineering Laboratory,Shanghai, 200030)Abstract : This paper discusses the method of simulation of shock dynamics of ship propulsive shafting by use of ANSYS. According to Finite Element Method, continuous shafting is considered as a discrete mass system in terms of 2D beam element, bearing block is considered as elastic constraint condition, and the propeller is simplified lumped mass, so the natural frequency and natural mode of flexural vibration of shafting can be calculated. Then, shock response of propulsive shafting and shock stress of bearing block under vertical acceleration shock can be computed. Finally, the practical engineering calculation example illustrates the availability of the proposed method.Keywords : propulsive shafting, shock response, simulation computing1 前言：船舶推进轴系是船舶动力系统的一个重要组成部分，它包括从主机输出端推力轴承直到螺旋桨之间的传动轴及轴上附件。

货车车轮踏面损伤温度场与应力场的有限元分析XXXX 专业XX 班XXXX 学号 姓名摘 要：在铁路运输不断提速及重载的情况下，采用踏面制动方式制动的货车车轮承受着强摩擦、高热载荷及大轮轨作用力的恶劣条件，在反复制动时，车轮将产生热疲劳损伤而造成车轮的失效破坏。

本文根据货车的实际工作条件，对21t 轴重、速度为120 km/h 的货车车轮在一次紧急制动过程中的温度场和应力场分布进行了有限元模拟，分析了温度场和应力场的分布与货车车轮踏面损伤之间的关系。

研究结果表明，在整个制动过程中，温度与热应力的最高点都集中在闸瓦与车轮的接触摩擦面部位，且随着制动过程的温度不断上升，达到峰值后又缓缓降低；车轮的温度是由踏面向轮轴位置逐渐降低的，越靠近轮轴，温度与热应力值越低；制动结束后，车轮内部的温度高于踏面的温度，最大应力产生在车轮踏面之下。

关键词：货车车轮；温度场；应力场；有限元模拟；热疲劳损伤FEA of Temperature and Stress Field Distribution on the Touching Areaof Freight Train Wheel1引言提速和重载是提高铁路运输能力的有效措施，已成为铁路货车发展的趋势。

我国货车目前制动方式仍然是踏面制动，列车车轮在强摩擦、高热负荷以及大轮轨作用力等恶劣条件下工作。

列车在制动过程中，动能逐渐转变为制动装置产生的热能，对于采用踏面制动的高速重载铁路货车，这样的制动过程非常严苛，由此产生的热疲劳损伤已成为车轮失效的主要形式之一。

车轮经过多次制动后，会在车轮与铁轨的接触踏面上产生均匀分布的横向裂纹，周围会伴随剥离、掉块等现象。

因此，在国家倡导货运列车提速的前提下，现有的踏面制动正面临的严峻的挑战，也对车轮的抗热损伤能力和疲劳寿命提出了更高的要求。

由于热损伤和疲劳损伤都与车轮在紧急制动过程中的温度场和应力场分布有密切的关系，本文以21t 轴重、120km/h 的货运列车车轮为研究对象，拟结合具体货车车轮的结构，利用建模软件对其建模，通过有限元模拟其紧急制动过程中的温度场和应力场分布，并针对实际踏面损伤情况对其模拟准确性给予评估，为进一步研究车轮的热疲劳损伤提供技术参考。

第1例关键点和线的创建实例—正弦曲线/PREP7K,100,0,0,0CIRCLE,100,1,,,90CSYS,1KFILL,2,1,4,3,1K,7,1+3.1415926/2,0,0CSYS,0KFILL,7,1,4,8,1KGEN,2,7,11,1,,1LSTR,8,13LSTR,9,14LSTR,10,15LSTR,11,16LANG,5,6,90,,0LANG,4,5,90,,0LANG,3,4,90,,0LANG,2,3,90,,0BSPLIN,1,17,18,19,20,12LSEL,U,,,14LDELE,ALLLSEL,ALLKWPA VE,12CSYS,4LSYMM,X,14NUMMRG,KP,,,,LOWLCOMB,ALL,,0第2例工作平面的应用实例—相交圆柱体/PREP7CYLIND,0.015,0,0,0.08,0,360CYLIND,0.03,0,0,0.08,0,360/VIEW,1,1,1,1/PNUM,VOLU,1WPOFF,0,0.05,0.03WPROT,0,60CYLIND,0.012,0,0,0.055,0,360CYLIND,0.006,0,0,0.055,0,360VSEL,S,,,2,3,1CM,VV1,VOLUVSEL,INVECM,VV2,VOLUVSEL,ALLVSBV,VV1,VV2BLOCK,-0.002,0.002,-0.013,-0.009，0,0.008WPSTYLE,,,,,,1CSYS,4VGEN,3,1,,,,120VSBV,5,1VSBV,4,2VSBV,1,3WPROT,0,0,90VSBW,ALLVDELE,1,4,3V ADD,ALLVPLOT/REPLOT第3例复杂形状实体的创建实例—螺栓/PREP7CSYS,1K,1,0.008,0,-0.002K,2,0.008,90,-0.0015K,3,0.008,180,-0.001K,4,0.008,270,-0.0005K,5,0.008,0,0/VIEW,1,1,1,1L,1,2L,2,3L,3,4L,4,5LGEN,7,ALL,,,,,0.002NUMMRG,KP,,,,LOWLCOMB,ALLK,80,0.008+0.0015/4,90,0.012+0.002/4K,81,0.008+2*0.0015/4,180,0.012+2*0.002/4K,82,0.008+3*0.0015/4,270,0.012+3*0.002/4K,83,0.008+4*0.0015/4,0,0.012+4*0.002/4L,35,80L,80,81L,81,82L,82,83CSYS,0K,90,0.008,0,-0.00025K,91,0.006918,0,-0.002K,92,0.006918,0,0/PNUM,KP,1/PNUM,LINE,1GPLOTLSTR,1,90LSTR,91,92LANG,7,90,60,,0LANG,7,1,120,,0AL,6,9,10,11VDRAG,1,,,,,,1,2,3,4,5/PNUM,KP,0/PNUM,LINE,0/PNUM,AREA,1/PNUM,VOLU,1CYLIND,0.0079,,0,0.04,0,360VSEL,U,,,6CM,VVV2,VOLUALLSVSBV,6,VVV2/REPLOTK,93,0.0065,0,0K,94,0.0095,0,0.003K,95,0,0,0K,96,0,0,0.03LSTR,93,94AROTA T,6,,,,,,95,96,360ASEL,S,,,1,4,1VSBA,7,ALLASEL,ALLVDELE,1,,,1RPRISM,0.04,0.05,6,,0.0131CONE,0.03477,0.00549,0.03,0.055,0,360 VINV,1,3/REPLOTVPLOTFINISH第4例复杂形状实体的创建实例—杯子/PREP7K,1,0,0,0K,2, 0.0395,0,0K,3, 0.05,0.12,0K,4, 0.047,0.12,0K,5, 0.03675,0.003,0K,6, 0,0.003,0LSTR,1,2LSTR,2,3LSTR,3,4LSTR,4,5LSTR,5,6LSTR,6,1LFILLT, 1, 2, 0.02LFILLT, 4, 5, 0.017AL,ALLVROTA T, ALL, , , , , , 1,6, 360K,31, 0,0.103,0K,32, 0.078,0.103,0K,33, 0.078,0.046,0K,34, 0,0.0011,0LSTR,31,32LSTR,32,33LSTR,33,34LFILLT, 54,55, 0.013LFILLT, 55, 56, 0.028K,41, 0,0.103+0.002,0.005K,42, 0,0.103+0.002,-0.005K,43, 0,0.103-0.002,-0.005K,44, 0,0.103-0.002,0.005LSTR,41,42LSTR,42,43LSTR,43,44LSTR,44,41LFILLT,59,60,0.001LFILLT,60,61,0.001LFILLT,61,62,0.001LFILLT,62,59,0.001AL, 59,63,60,64,61,65,62,66VDRAG,33, , , , , , 54,57,55,58,56VSEL,S,,,5,9,4ASEL,S,,,4,28,24VSBA,ALL,ALL ALLSEL,ALLVDELE,10,,,1VDELE,13,,,1/PNUM,VOLU,1/NUMBER,1/COLOR,VOLU,ORAN,ALL /REPLOTFINISH第5例杆系结构的静力学分析实例—平面桁架/CLEAR/FILNAME, EXAMPLE5L=0.1A=1e-4/PREP7ET,1,BEAM3R,1,AMP,EX,1,2E11MP,PRXY,1,0.3N,1N,2,LN,3,2*LN,4,L,LE,1,2E,2,3E,1,4E,2,4E,3,4FINISH/SOLUD,1,UXD,1,UYD,3,UYF,4,FY,-2000SOLVEFINISH/POST1ETABLE,FA,SMISC,1ETABLE,SA,LS,1PRETAB,FA,SAFINISH第6例杆系结构的静力学分析实例—悬臂梁/CLEAR/FILNAME, EXAMPLE6/PREP7ET,1, BEAM3R,1,14.345e-4,245e-8,0.1MP,EX,1,2E11MP,NUXY,1,0.3K,1,0,0,0K,2,1,0,0LSTR,1,2LESIZE,1,,,50LMESH,1FINISH/SOLUDK,1,UXDK,1,UYDK,1,ROTZFK,2,FY,-10000SOLVEFINISH/POST1PLDISPFINISH第7例平面问题的求解实例—厚壁圆筒问题/CLEAR/FILNAME, EXAMPLE7/PREP7ET,1,PLANE183,,,2MP,EX,1,2E11MP,PRXY,1,0.3PCIRC, 0.1, 0.05, 0, 90LESIZE, 4,,,6LESIZE, 3,,,8MSHAPE,0MSHKEY,1AMESH,1FINISH/SOLUDL,4,,UYDL,2,,UXSFL,3,PRES,10E6SOLVESA VEFINISH/POST1PATH,P1,2PPATH,1,30PPATH,2,1PDEF,SR,S,XPDEF,ST,S,YPLPATH,SR,STFINISH第8例静力学问题的求解实例—扳手的受力分析/CLEAR/FILNAME, EXAMPLE8/PREP7ET,1,PLANE42ET,2,SOLID45MP,EX,1,2E11MP,PRXY,1,0.3RPR4, 6, 0, 0, 0.01K,7,0,0,0K,8, 0,0,0.05K,9, 0,0.1,0.05LSTR,7,8LSTR,8,9LFILLT, 7, 8, 0.015LSTR,1,4ASBL, 1, 10LESIZE,2,,,3LESIZE,3,,,3LESIZE,4,,,3LESIZE,7,0.01LESIZE,8,0.01LESIZE,9,0.01MSHAPE,0MSHKEY,1AMESH,ALLVDRAG, ALL,,,,,,7,9,8ACLEAR, 2,3,1FINISH/SOLUDA,2,ALLDA,3,ALLKSEL,S,,,24,29,1FK,ALL,FX,100KSEL,ALLSOLVESA VEFINISH/POST1/VIEW,1,1,1,1 PLDISP, 2 PLNSOL,S,EQV,0,1 NWPA VE,159/TYPE,1, SECT/CPLANE,1/REPLOTFINISH第9例各种坐标系的应用实例—圆轴扭转分析/CLEAR/FILNAME, EXAMPLE9/PREP7ET,1,PLANE183ET,2,SOLID186MP,EX,1,2.08E11MP,PRXY,1,0.3RECTNG,0,0.025, 0,0.12LESIZE,1,,,5LESIZE,2,,,8MSHAPE,0MSHKEY,1AMESH,1EXTOPT,ESIZE,5EXTOPT,ACLEAR,1VROTA T,1,,,,,,1,4,360/VIEW,1,1,1,1WPROT,0,-90CSWPLA,11,1,1,1NSEL,S,LOC,X,0.025NROTA T,ALLFINISH/SOLUD,ALL,UXNSEL,R,LOC,Z,0.12F,ALL,FY,1500ALLSEL,ALLDA,2,ALLDA,6,ALLDA,10,ALLDA,14,ALLSOLVESA VEFINISH/POST1PLDISP,1RSYS,11NSEL,S,LOC,Z,0.045NSEL,R,LOC,Y,0PRNSOL,U,Y!NSEL,S,LOC,Z,0,0.045 !命令前加“!”号为注释语句，!ESLN,R,1 !去掉“!”号即可执行该命令，!PLESOL,S,YZ !三个注释语句用于显示剪应力。

ANSYS Workbench在铝合金轮毂冲击试验中的应用在追求环保节能的汽车行业，轻量化越来越成为高品质的代名词之一。

铝合金轮毂以其良好的性能、更轻的重量、回收率高等优势成为轮毂行业的主流。

本文以有限元分析软件ANSYS Workbench为工具，对铝合金轮毂的抗冲击性进行分析和预判，为铝合金轮毂产品的开发人员提供设计依据。

标签：有限元分析；Workbench；轮毂；冲击0 引言轮毂由轮辋和轮辐部分组成，轮辐又可细分为轮盘和辐条。

轮辋有规定的设计标准，但轮辐的形状复杂多变，没有统一的要求。

轮毂又叫轮圈，是一个高速旋转件，并且要支撑整个汽车的重量。

为保证轮毂性能的合格，主要对其做冲击试验、弯曲疲劳试验和径向疲劳试验。

在实际开发和生产过程中，我们发现主要影响轮毂性能合格的是其抗冲击性。

本文通过用ANSYS Workbench软件模拟对轮毂冲击应变的模拟分析，并结合实际实验结果对分析进行验证，为轮毂开发人员提供可靠的设计依据，进而缩短开发周期、减少开发成本，从而提高企业的竞争力[1]。

1 有限元分析和ANSYS Workbench的简介1.1 有限元分析简介有限元分析（Finite Element Analysis，FEA）利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。

还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。

有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。

它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。

这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。

由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。

1.2 ANSYS Workbench的简介ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件，是世界范围内增长最快的计算机辅助工程（CAE）软件，能与多数计算机辅助设计（computer Aided design，CAD）软件接口，实现数据的共享和交换。

基于ANSYS的农用轻型载重汽车车架结构接触法计算与模态分析0.引言现代汽车绝大多数都具有作为整车骨架的车架，其功用是支承连接汽车的各部件，并承受来自车内外的各种载荷。

车架是整个汽车的基体，农用轻型载重汽车的绝大多数部件和总成都是通过车架来固定其位置的。

因此，车架的性能在整车设计中就显得尤为重要。

1.利用ANSYS对整个车架结构进行计算和分析1.1车架模型的网格划分车架有限元接触分析的分析对象是车架在三维实体模型的基础上，通过单元属性定义、网格划分、摩擦接触单元、定义边界条件和施加载荷等前处理过程得到的三维模型。

车架的有限元模型可以作如下简化：（1）包括驾驶员在内的驾驶室重量平均分布在驾驶室与车架相接触的面积上；货箱质量及货箱载重量均布在货箱与车架相接触的面积上；发动机、离合器与变速器重量均匀分布在发动机、离合器与变速器与其支架相接触的平面上。

（2）不考虑钢板弹簧对车架的作用。

（3）忽略受载较小和对结构受力影响甚微的微小特征，如小孔、小半径的圆倒角。

根据以上假设，利用Pro\E软件与ANSYS软件的接口将建立好的三维模型导入到ANSYS软件中得到相对应的车架有限元模型，选用20节点实体单元划分的网格。

划分网格时应注意先将车架结构进行网格划分，然后再将铆钉进行网格划分。

以此得到比较满意的网格。

放大网格模型的一部分以看清楚单元。

由于结构对称，载荷分布也基本上对称，故取纵向对称的二分之一模型来计算，梁选用的是20节点实体单元Solid186单元，铆钉选用的是20节点实体单元Solid95单元，采用智能网格划分后，车架包括铆钉在内总的节点数为115871，单元数为56189。

将整个车架视为一个整体零件时，采用20节点实体单元Solid186单元且同样采用智能网格划分，总的节点数为104777，单元数为53047。

1.2加摩擦接触单元网格划分后，下一步工作就是加摩擦接触元，在板与板之间加摩擦接触元的同时，在铆钉孔的圆柱面与铆钉的圆柱面之间以及铆钉帽与板接触的圆环面与圆环面之间也加上摩擦接触元。

第一章模态分析§模态分析的定义及其应用模态分析用于确定设计结构或机器部件的振动特性（固有频率和振型），即结构的固有频率和振型，它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数。

同时，也可以作为其它动力学分析问题的起点，例如瞬态动力学分析、谐响应分析和谱分析，其中模态分析也是进行谱分析或模态叠加法谐响应分析或瞬态动力学分析所必需的前期分析过程。

ANSYS的模态分析可以对有预应力的结构进行模态分析和循环对称结构模态分析。

前者有旋转的涡轮叶片等的模态分析，后者则允许在建立一部分循环对称结构的模型来完成对整个结构的模态分析。

ANSYS产品家族中的模态分析是一个线性分析。

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。

ANSYS提供了七种模态提取方法，它们分别是子空间法、分块Lanczos法、PowerDynamics法、缩减法、非对称法、阻尼法和QR阻尼法。

阻尼法和QR阻尼法允许在结构中存在阻尼。

后面将详细介绍模态提取方法。

§模态分析中用到的命令模态分析使用所有其它分析类型相同的命令来建模和进行分析。

同样，无论进行何种类型的分析，均可从用户图形界面（GUI）上选择等效于命令的菜单选项来建模和求解问题。

后面的“模态分析实例（命令流或批处理方式）”将给出进行该实例模态分析时要输入的命令（手工或以批处理方式运行ANSYS时）。

而“模态分析实例（GUI方式）” 则给出了以从ANSYS GUI中选择菜单选项方式进行同一实例分析的步骤。

（要想了解如何使用命令和GUI选项建模，请参阅<<ANSYS建模与网格指南>>）。

<<ANSYS 命令参考手册>>中有更详细的按字母顺序列出的ANSYS命令说明。

§模态提取方法典型的无阻尼模态分析求解的基本方程是经典的特征值问题：其中：=刚度矩阵,=第阶模态的振型向量（特征向量）,=第阶模态的固有频率（是特征值）,=质量矩阵。

ANSYS动力学分析报告第5章动力学分析结构动力学研究的是结构在随时间变化载荷下的响应问题，它与静力分析的主要区别是动力分析需要考虑惯性力以及运动阻力的影响。

动力分析主要包括以下5个部分：模态分析：用于计算结构的固有频率和模态。

谐波分析（谐响应分析）：用于确定结构在随时间正弦变化的载荷作用下的响应。

瞬态动力分析：用于计算结构在随时间任意变化的载荷作用下的响应，并且可涉及上述提到的静力分析中所有的非线性性质。

谱分析：是模态分析的应用拓广，用于计算由于响应谱或PSD输入（随机振动）引起的应力和应变。

显式动力分析：ANSYS/LS-DYNA可用于计算高度非线性动力学和复杂的接触问题。

本章重点介绍前三种。

【本章重点】区分各种动力学问题；各种动力学问题ANSYS分析步骤与特点。

5.1 动力学分析的过程与步骤模态分析与谐波分析两者密切相关，求解简谐力作用下的响应时要用到结构的模态和振型。

瞬态动力分析可以通过施加载荷步模拟各种何载，进而求解结构响应。

三者具体分析过程与步骤有明显区别。

5.1.1 模态分析1.模态分析应用用模态分析可以确定一个结构的固有频率利振型，固有频率和振型是承受动态载荷结构设计中的重要参数。

如果要进行模态叠加法谐响应分析或瞬态动力学分析，固有频率和振型也是必要的。

可以对有预应力的结构进行模态分析，例如旋转的涡轮叶片。

另一个有用的分析功能是循环对称结构模态分析，该功能允许通过仅对循环对称结构的一部分进行建模，而分析产生整个结构的振型。

ANSYS产品家族的模态分析是线性分析，任何非线性特性，如塑性和接触(间隙)单元，即使定义也将被忽略。

可选的模态提取方法有6种，即Block Lanczos(默认)、Subspace、Power Dynamics、Reduced、Unsymmetric、Damped及QR Damped，后两种方法允许结构中包含阻尼。

2.模态分析的步骤模态分析过程由4个主要步骤组成，即建模、加载和求解、扩展模态，以及查看结果和后处理。

摘 要车辆通过结构时，会对结构产生动力冲击作用，而结构的振动反过来又会引起车辆的振动，这就是车辆与结构耦合振动问题。

对车辆—结构相互作用进行深入研究，正确评估车辆和结构的动力性能，是现代高速、重载铁路桥梁设计的实际需要，对分析车辆在高速运行时的稳定性舒适性提供了重要帮助。

基于车桥振动的古典理论即利用匀速移动常量力模型、匀速移动质量模型和匀速移动弹簧质量模型，推导了以上各种模型与简支梁相互作用的动力方程。

利用Newmark法编制相应的APDL求解程序求解微分方程得到数值解，通过ANSYS建立三种有限元模型得到有限元解，对两种结果进行对比分析。

研究三种模型在不同速度时桥梁最大挠度、最大加速度呈现的变化规律与差异，并以此讨论了三种模型在车桥耦合问题的适用性。

发现移动力与移动弹簧质量模型计算的结果更为一致。

利用轨道不平顺功率谱通过MATLAB对轨道不平顺进行了模拟。

推导了轨道不平顺为余弦波或为MATLAB模拟得到的随机不平顺时移动质量和移动弹簧质量模型与简支梁的动力平衡方程。

利用Newmark法编制APDL求解了该方程得到数值解并与通过ANSYS建立对应有限元模型计算得到的有限元解进行对比，两者计算结果一致，验证了ANSYS有限元数值模拟的正确性。

考虑道床剪切作用利用ANSYS建立双T简支梁—轨道模型和四列25吨轴重重载货运列车模型，基于桥梁跨中挠度对车—轨—桥系统进行了有限元模型参数探讨。

耦合利用节点耦合法进行瞬态分析，定量研究了车桥的振动特性，首次基于静力响应面法对车-轨-桥有限元模型进行模型修正，检验结果良好，可将修正后得模型作为基准有限元模型。

利用修正后的模型获得更为精确得有限元解与桥梁监测所获取的挠度数据进行对比，两者结果一致，表明模型修正后ANSYS有限元模型可对车辆与结构的相互作用进行良好的动力仿真分析，为车—轨—桥系统的研究提供了相关依据和便利条件。

关键字：Newmark法；车桥耦合；轨道不平顺；静力响应面法；模型修正AbstractImpact on bridges are caused during transportation while the vibrated structure also has a reaction on vehicles which is called vehicle-structure coupled vibration or bridge dynamic interaction. The practical demand of the design of modern high-speed and heavy haul railway bridge and the critical improvement of the analysis for the running of high-speed train’s stability and comfort require much deeper research for vehicle-structure coupled vibration and properly evaluation of vehicles and structures dynamic performance.Based on the classical bridge dynamic interaction theory, the moving force, the moving mass and the moving spring-mass model’s balanced equation was expressed while the APDL program to solve those equations under Newmark theory are coded. Three FEA modes were also established and resulted which makes a country with the analysis results. Variable was the speed leading to different maximum displacement and acceleration of the bridge which makes a possible to discuss it’s applicability. The result leaded that moving force has better consistencies with moving spring-mass.Using MATLAB program simulated track irregularity on the track irregularity power spectrum in the time-frequency domain. The equations between Cosine-shaped or Irregular shaped simply supported beam and moving mass or moving spring-mass were analyzed and expressed meanwhile the APDL program under ANSYS environment to solve those equations on Newmark theory are programed which makes a contrary with the FEA results. The little differences of the results makes FEA method possible.The double T-type girder, railway and 25t axle load trains models were established. Different characters of the bridge displace responds on different stiffness of structure part were learned. Based on this, finite element model updating on static-load response surface was able to be made through. Results have been checked successfully, which made the FEA model be a benchmark model for bridge dynamic interaction. Transientanalysis to quantify the bridge and vehicles vibration by coupled nodes made a contrary with the practical monitoring data. The result is that ANSYS FEA models is able to simulate the vehicle-structure coupled vibration which provide a method and basis for the study .Key words:Newmark method, Vehicle-Structure coupling, Track Irregularity, Static-load response surface, Finite element model updating目 录_Toc8842686第一章 绪 论 (1)1.1 引言 (1)1.2 车辆与结构耦合振动研究的发展历史 (2)1.21国外早期研究工作 (2)1.22国内外车辆与结构耦合振动研究现状 (2)1.3 主要研究内容及创新点 (4)1.3.1 本论文的主要研究内容 (4)1.3.2本论文的主要创新点 (4)第二章 车桥相互作用理论与有限元仿真分析 (6)2.1 车桥振动理论分析与ANSYS 有限元仿真 (7)2.1.1 Newmark数值求解方法介绍 (7)2.1.2移动力模型与理论推导 (8)2.1.3 移动力模型有限元仿真计算 (12)2.1.4移动质量模型与理论推导 (14)2.1.5移动质量模型有限元仿真计算 (17)2.1.6 移动弹簧质量模型与理论推导 (20)2.1.7 移动弹簧质量有限元仿真计算 (23)2.2 三种模型计算结果对比分析 (26)2.2.1 同一速度时三种模型计算结果对比分析 (26)2.2.2 不同速度时三种模型计算结果对比分析 (28)2.3 本章小节 (32)第三章 轨道不平顺理论与数值模拟 (33)3.1 随机过程与轨道谱 (33)3.1.1 轨道不平顺介绍 (33)3.1.2随机过程表示方法[32-33] (34)3.1.3国内外轨道谱[34-36] (35)3.2 轨道不平顺的随机模拟 (38)3.3 引入轨道不平顺时车桥相互作用理论与有限元仿真 (43)3.3.1 余弦曲线不平顺移动质量模型的理论推导 (43)3.3.2余弦曲线不平顺移动质量模型的有限元分析 (45)3.3.3余弦曲线不平顺移动弹簧质量模型的理论推导 (48)3.3.4余弦曲线不平顺移动弹簧质量模型的有限元分析 (50)3.3.5随机不平顺下移动质量模型的理论推导 (52)3.3.6随机不平顺下移动质量模型的有限元分析 (54)3.3.7 随机不平顺下移动弹簧质量模型的理论推导 (55)3.3.8 随机不平顺下移动弹簧质量的有限元分析 (56)3.4 本章小结 (58)第四章 实际车桥相互作用仿真分析的实现方法 (59)4.1 有限元模型的建立 (59)4.1.1车辆模型 (59)4.1.2 轨道与桥梁模型建立 (62)4.2有限元模拟与模型参数取值探讨 (66)4.2.1仿真实验与实测数据对比分析 (66)4.2.2各组件刚度对挠度的影响 (69)4.3基于静力响应面的轨-桥有限元模型修正 (75)4.3.1试验设计 (75)4.3.2灵敏度分析与响应面拟合 (76)4.3.3 模型修正与模型验证 (77)4.4本章小结 (78)第五章 结论与展望 (79)5.1 结论 (79)5.2 展望 (79)参考文献 (81)致 谢 (84)个人简介、在学期间的研究成果及发表的学术论文 (85)第一章 绪 论1.1 引言对车辆-结构动力相互作用系统进行综合研究，以便对结构的动力性能和结构上（中）车辆的走形性做出动力分析和评估，确定它们在各种状态下的作用可靠性，是合理进行结构设计的工程实际需求，对于承受移动荷载的交通土建工程结构物的发展和计划建造具有十分重要的理论和实际意义[1]。

第31例冲击动力学分析实例——车辆受起伏路面激励的响应分析本例用ANSYS LS-DYNA分析了车辆受起伏路面激励的响应，研究了创建车辆和负载模型的方法，研究了模拟和施加起伏路面激励载荷的方法。

31.1问题描述为了分析车辆受起伏路面激励的响应，可以建立如图31-1所示的简化模型。

由于矿石的冲击只作用于车辆底板，所以忽略车辆其余部分，车辆悬挂系统用弹簧阻尼系统模拟。

在弹簧阻尼系统的端部施加随时间变化的位移载荷，以模拟起伏路面对车辆的激励。

本例各物理量单位如下：长度为mm;力为N;时间为s；质量为t；应力及材料弹性模量均为MPa;密度为t/m3；加速度为mm/s2。

31.2分析步骤31.2.1 运行AN5YSJLS-LIYNA用ANSYS产品启动器（图31-1）运行ANSYS LS-DYNA:开始→程序→ANSYS13.0→Mechanical APDL Product launch→选择Simulation Environment（分析环境）为ANSYS，选择License（授权）为ANSYS Multiphysics/LS-DYNA，设置Working Directory（工作目录）和Initial Jobname（初始任务名）等→Run。

图31-2ANSYS产品启动器31. 2.2定义任务名拾取菜单Utility Menu→File→Change Jobname，弹出如图31-3所示的对话框，在“[/FILNAM]”文本框中输入EXAMPLE31，单击“OK”按钮。

图31-3定义任务名对话框31.2.3选择单元类型拾取菜单Main Menu→Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete，弹出如图31-4所示的对话框，单击“Add…”按钮；弹出如图31-5所示的对话框，在左侧列表中选"LS-DYNA Explicit"，在右侧列表中选“3D Solid 164”，单击“Apply”按钮：再在右侧列表中选“Thin Shell163”，单击“Apply”按钮；再在右侧列表中选“Sprng-Dampr 165”单击“OK”按钮。