ANSYS-随机振动分析功能实现随机疲劳分析

目录1、如何定制Beam188/189单元的用户化截面2、ANSYS 查询函数（Inquiry Function）3 ANSYS是否具有混合分网的功能？、4、机器人结构的优化分析5、利用ANSYS随机振动分析功能实现随机疲劳分析、6、耦合及约束方程讲座7、巧用ANSYS的Toolbar8、如何得到径向和周向的计算结果?9、如何加快计算速度10、如何考虑结构分析中的重力11、如何提取模态质量12、ANSYS的几种动画模式13、如何正确理解ANSYS的节点坐标系14、在任意面施加任意方向任意变化的压力如何定制Beam188/189单元的用户化截面ANSYS提供了几种通用截面供用户选用，但有时不能满足用户的特殊需求。

为此，ANSYS提供了用户创建截面（库）的方法。

如果你需要创建一个非通用横截面，必须创建一个用户网格文件。

具体方法是，首先创建一个2-D实体模型，然后利用SECWRITE命令将其保存(MainMenu>Preprocessor>Sections> -Beam-Write Sec Mesh)。

该过程的细节如下：1.创建截面的几何模型（二维面模型）。

2.对所有线设置单元份数或者单元最大尺寸 (Main Menu>Preprocessor> -Meshing-Size Cntrls>-Lines-Picked Lines或使用MeshTool)。

记住：保证模型中的区格（cell）数目不能超过250个。

3.选择菜单Main Menu>Preprocessor>Sections>-Beam-Write Sec Mesh，弹出一个拾取窗口，单击Pick All拾取包含区格的所有面。

4.ANSYS自动在所有面上创建区格。

在划分网格时，ANSYS可能显示单元形状差的消息，也可以被忽略不显示，但是总能看到一条消息“Unable to mesh area....”。

基于Ansys二次开发的随机振动疲劳寿命可视化程序开发
丁杰;唐玉兔
【期刊名称】《机械强度》
【年(卷),期】2014(36)5
【摘要】为解决现有随机振动分析中存在的结构各节点的振动频率计算、三个方
向振动结果的叠加、全域可视化显示等问题,进行了基于Ansys软件的二次程序开发。

通过程序在某变流装置中的应用,表明了二次开发的程序可以更加快速、全面、有效地进行虚拟样机的疲劳寿命分析,为产品结构的优化设计提供理论指导。

【总页数】6页(P813-818)
【关键词】Ansys;随机振动;加速度谱密度;疲劳损伤;疲劳寿命;可视化
【作者】丁杰;唐玉兔
【作者单位】南车株洲电力机车研究所有限公司南车电气技术与材料工程研究院【正文语种】中文
【中图分类】TB123;U264.37
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5.基于ANSYS的连接件随机振动疲劳寿命分析及优化设计 [J], 白永明; 邱恩举; 王宏建
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随机振动疲劳分析流程## Random Vibration Fatigue Analysis Procedure.1. Define the random vibration environment.The random vibration environment is typically defined by a power spectral density (PSD) function. The PSD function describes the distribution of vibration energy over a range of frequencies. It can be measured using a vibration shaker or accelerometer.2. Create a finite element model of the structure.The finite element model (FEM) should be created using a software program such as ANSYS or Abaqus. The FEM should include all of the relevant structural components, such as beams, plates, and shells.3. Apply the random vibration environment to the FEM.The random vibration environment can be applied to the FEM using a variety of methods, such as the directfrequency response method or the modal superposition method.4. Calculate the stress response of the structure.The stress response of the structure can be calculated using the FEM. The stress response is typically expressedin terms of the root mean square (RMS) stress.5. Estimate the fatigue life of the structure.The fatigue life of the structure can be estimatedusing a variety of methods, such as the S-N curve method or the Miner's rule. The fatigue life is typically expressedin terms of the number of cycles to failure.## 随机振动疲劳分析流程。

利用ANSYS随机振动分析功能实现随机疲劳分析ANSYS是一款常用的工程仿真软件，具有强大的分析功能。

在进行随机疲劳分析时，可以利用ANSYS的随机振动分析功能来模拟随机加载下的疲劳损伤。

随机疲劳分析是一种考虑工作载荷随机性对结构疲劳寿命影响的方法。

通过采用随机振动分析，可以考虑到工作载荷的随机特性，进一步分析结构的疲劳损伤。

ANSYS中的随机振动分析功能可以通过以下步骤来进行：1.几何建模：首先，需要进行结构的几何建模。

使用ANSYS的几何建模工具可以创建出要进行疲劳分析的结构。

2.材料属性定义：在进行材料属性的定义时，需要确定材料的弹性模量、泊松比、密度和疲劳参数等。

可以根据材料的材料数据手册来获取这些参数。

3.边界条件设置：在进行随机振动分析时，需要设置结构的边界条件。

这些边界条件可以是结构受到的随机外载荷或者是结构与其他部件的接触情况。

4.加载设置：在进行随机振动分析时，需要设置结构受到的随机载荷。

这些载荷可以是来自于实际工况的随机载荷，也可以通过振动台试验数据等手段获取。

5.随机振动分析：利用ANSYS的随机振动分析功能，可以进行频域分析或时域分析。

频域分析可以用于计算结构的响应功率谱密度，时域分析可以用于计算结构的随机响应。

6.疲劳寿命计算：在获得结构的随机响应后，可以进行疲劳寿命计算。

根据结构的随机响应和材料的疲劳性能参数，可以使用ANSYS的疲劳分析功能来计算结构的疲劳寿命。

通过以上步骤，可以利用ANSYS的随机振动分析功能实现随机疲劳分析。

这种方法能够更全面地考虑结构在实际工作环境下的疲劳寿命，为结构的设计和改进提供准确的参考。

需要注意的是，在进行随机疲劳分析时，需要对随机载荷进行合理的统计分析，获取载荷的概率密度函数。

如果没有足够的载荷数据，也可以使用统计模型进行估计。

此外，还需要对材料的疲劳性能参数进行准确的测定，以保证疲劳寿命计算的准确性。

总之，利用ANSYS的随机振动分析功能进行随机疲劳分析是一种有效的方法，可以更准确地评估结构在随机工作载荷下的疲劳性能，为结构的设计和改进提供有力的支持。

利用 ANSYS随机振动分析功能实现随机疲劳分析ANSYS 随机振动分析功能可以获得结构随机振动响应过程的各种统计参数（如：均值、均方根和平均频率等），根据各种随机疲劳寿命预测理论就可以成功地预测结构的随机疲劳寿命。

本文介绍了ANSYS随机振动分析功能，以及利用该功能，按照Steinberg 提出的基于高斯分布和Miner 线性累计损伤定律的三区间法进行 ANSYS随机疲劳计算的具体过程。

１．随机疲劳现象普遍存在在工程应用中，汽车、飞行器、船舶以及其它各种机械或零部件，大多是在随机载荷作用下工作，当它们承受的应力水平较高，工作达到一定时间后，经常会突然发生随机疲劳破坏，往往造成灾难性的后果。

因此，预测结构或零部件的随机疲劳寿命是非常有必要的。

2．ANSYS随机振动分析功能介绍ANSYS随机振动分析功能十分强大，主要表现在以下方面：1.具有位移、速度、加速度、力和压力等 PSD类型；2.能够考虑 a 阻尼、阻尼、恒定阻尼比和频率相关阻尼比；3.能够定义基础和节点 PSD激励；4.能够考虑多个 PSD激励之间的相关程度：共谱值、二次谱值、空间关系和波传播关系等；5.能够得到位移、应力、应变和力的三种结果数据： 1 位移解， 1 速度解和 1 加速度解；3．利用 ANSYS随机振动分析功能进行疲劳分析的一般原理在工程界，疲劳计算广泛采用名义应力法，即以S-N 曲线为依据进行寿命估算的方法，可以直接得到总寿命。

下面围绕该方法举例说明 ANSYS随机疲劳分析的一般原理。

当应力历程是随机过程时，疲劳计算相对比较复杂。

但已经有许多种分析方法，这里仅介绍一种比较简单的方法，即Steinberg 提出的基于高斯分布和 Miner 线性累计损伤定律的三区间法（应力区间如图 1 所示）：应力区间发生的时间68.3% 的时-1~+1间27.1% 的时-2~+2间4.33% 的时-3~+3间99.73%大于 3的应力仅仅发生在0.27%的时间内，假定其不造成任何损伤。

第15章 随机振动和随机疲劳分析实例 谱分析是一种将模态分析的结果与一个已知的谱联系起来计算模型的位移和应力的分析技术，主要用于确定结构对随机载荷或随时间变化载荷(如地震、风载、海洋波浪、喷气发动机推力、火箭发动机振动等等)的动力响应情况。

谱是谱值与频率的关系曲线，它反映了时间—历程载荷的强度和频率信息。

谱分析分为：响应谱分析、动力设计分析方法(Dynamic Design Analysis Method ，DDAM)和功率谱密度(Power Spectral Density —PSD,也称为随机振动分析)。

其中，一个响应谱代表单自由度系统对一个时间—历程载荷函数的响应，它是一个响应与频率的关系曲线，其中响应可以是位移、速度、加速度、力等。

下面以一个梁—板壳结构在地震位移激励作用下的随机振动分析为例，来将讲解用ANSYS6.1进行随机振动分析的具体过程，对于其它类型的谱分析的基本分析步骤可参阅本书第10章。

15.1 问题描述某板—梁结构如图15.1所示，计算在Y方向的地震位移激励谱作用下整个结构的响应情况。

板—梁结构的基本尺寸如图13.1所示，地震谱如表15.1所示，其它材料属性和几何特性数据如下：图15.1 梁－板壳结构模型A3钢的材料特性：杨氏模量EX ＝2.1 E11 N/m 2，泊松比PRXY ＝0.3，密度DENS ＝7.8 E 3 Kg/m 3。

板壳：厚度＝2E-3 m梁几何特性：截面面积＝1.6E-5 m 2， 惯性矩＝21.333E-12 m 4 ， 宽度＝4E-3 m ，高度＝4E-3 m表15.1梁—板结构所受的谱表位移激励谱频率(Hz) 0.5 1.0 2.4 3.8 17 18 20 32 位移(×10-3m) 0.01 0.016 0.03 0.02 0.005 0.01 0.015 0.0115.2 建立模型跟所有在ANSYS6.1中进行的结构分析一样，建立本实例的有限元模型同样需要完成如下工作：指定分析标题，定义材料性能，定义单元类型，定义单元实常数，建立几何模型并进行有限元网格划分等。

利用ANSYS随机振动分析功能实现随机疲劳分析
ANSYS随机振动分析功能可以获得结构随机振动响应过程的各种统计参数（如：
均值、均方根和平均频率等），根据各种随机疲劳寿命预测理论就可以成功地预测结
构的随机疲劳寿命。

本文介绍了ANSYS随机振动分析功能，以及利用该功能，按照Steinberg提出的基于高斯分布和Miner线性累计损伤定律的三区间法进行ANSYS随机疲劳计算的具体过程。

１．随机疲劳现象普遍存在
在工程应用中，汽车、飞行器、船舶以及其它各种机械或零部件，大多是在随机
载荷作用下工作，当它们承受的应力水平较高，工作达到一定时间后，经常会突然发
生随机疲劳破坏，往往造成灾难性的后果。

因此，预测结构或零部件的随机疲劳寿命
是非常有必要的。

2．ANSYS随机振动分析功能介绍
ANSYS随机振动分析功能十分强大，主要表现在以下方面：
1.具有位移、速度、加速度、力和压力等PSD类型；
2.能够考虑a阻尼、阻尼、恒定阻尼比和频率相关阻尼比；
3.能够定义基础和节点PSD激励；
4.能够考虑多个PSD激励之间的相关程度：共谱值、二次谱值、空间关系和波传
播关系等；
5.能够得到位移、应力、应变和力的三种结果数据： 1位移解，1速度解和
1加速度解；
3．利用ANSYS随机振动分析功能进行疲劳分析的一般原理
在工程界，疲劳计算广泛采用名义应力法，即以S-N曲线为依据进行寿命估算的
方法，可以直接得到总寿命。

下面围绕该方法举例说明ANSYS随机疲劳分析的一般原理。

第9章随机振动分析随机振动分析是一种基于概率统计学的谱分析技术，它求解的是在随机激励作用下的某些物理量，包括位移、应力等的概率分布情况等。

随机振动分析在机载电子设备、抖动光学设备、声学装载设备等方面有着广泛的应用。

★ 了解随机振动分析。

9.1随机振动分析概述随机振动分析（Random Vibration Analysis）是一种基于概率统计学的谱分析技术。

随机振动分析中功率谱密度（Power Spectral Density，PSD）记录了激励和响应的均方根值同频率的关系，因此PSD是一条功率谱密度值——频率值的关系曲线，如图9-1所示，亦即载荷时间历程。

图9-1 功率谱密度图第9章随机振动分析对PSD的说明如下。

PSD曲线下的面积就是方差，即响应标准偏差的平方值。

PSD的单位是Mean Square/Hz（如加速度PSD的单位为G2/Hz）。

PSD可以是位移、速度、加速度、力或者压力等。

在随机振动分析中，由于时间历程不是确定的，所以瞬态分析是不可用的。

随机振动分析的输入为：通过模态分析得到的结构固有频率和固有模态。

作用于节点的单点或多点的PSD激励曲线。

随机振动分析输出的是：作用于节点的PSD响应（位移和应力等），同时还能用于疲劳寿命预测。

9.2 随机振动分析流程在ANSYS Workbench左侧工具箱中Analysis Systems下的Random Vibration上按住鼠标左键拖动到项目管理区的A6栏，即可创建随机振动分析项目，如图9-2所示。

图9-2 创建随机振动分析项目当进入Mechanical后，选中分析树中的Analysis Settings即可进行分析参数的设置，如图9-3所示。

图9-3 随机振动分析参数设置。

D=S1N1+S2N2 +…+S n Nn=ni=1∑S i Ni当D=1时，表示疲劳寿命已耗尽，预测发生了疲劳破坏。

实验数据表明，各种情况下，D值相当分散，并非都等。

况且疲劳损伤能否像上述线性理论中设想的简单叠加，也需要进行深入的研究。

这是因为在前面的应力循环会对后继的应力循环带来影响，同时后继应力循环也会对前面已经形成的损伤带来进一步的影响。

考虑到该假设的不精确性和缺点，有时也假设积累损伤D为小于1数时也会发生疲劳破坏。

当然，损伤的形成过程相当复杂，而线性积累损伤理论由于计算简单，概念直观，所以在工程中广泛应用于疲劳寿命计算。

这里只简单提供积累损伤理论，还有其他计算理论，不再陈述。

1.3随机振动的分析方法图1S-N曲线图23σ区间它表示：的时间应力值在-1σ~+1σ之间；的时间应力值在-2σ~+2σ之间；99.73%的时间应力值在-3σ~+3σ之间；因而，在利用Miner定律进行疲劳计算时，力处理成三个区间：应力区间发生的时间-1σ~+1σ68.3%的时间-2σ~+2σ27.1%的时间-3σ~+3σ 4.33%的时间该方法的前提是，大于3的应力仅仅发生在0.27%的时间内，假定其不造成任何损伤。

在利用定律进行疲劳计算时，将应力处理成上述总体损伤的计算公式就可以写成：+n2σ+n3σ图3随机振动分析流程2.2支架的功率谱密度（PSD）汽车上不同位置的配件所承受的功率谱密度函数PSD）不一样，如车身、发动机、变速箱、行走机构等。

本文中的支架属于车身上配件，受不良路面（比利时路）产生随机振动。

图4为支架上应施加的功率谱密度振动波形及相应数值，另外对于产品的随机振动测试还可参考国标[2]上的规定。

图4车身配件宽带随机振动波形图2.3支架的模态分析和频响分析在ANSYS中提供完全法和模态叠加法两种算法进行频率响应分析，本案例使用的是模态叠加法，即通过对模态分析得到的振型（特征值）乘上因子并求和来计算结构的响应。

ANSYS随机振动分析教程随机振动分析(PSD: Power Spectral Density)是一种分析结构在随机动力加载下的响应特性的方法。

它通常应用于评估结构在实际工作环境中的可靠性和耐久性。

在ANSYS中进行随机振动分析，可以帮助我们理解结构在随机加载下的响应特性，评估结构的可靠性，并优化结构以提高其性能。

下面是一个基于ANSYS的随机振动分析的教程，通过该教程，你可以学习如何进行随机振动分析并分析结果。

步骤1:设置工程环境首先，打开ANSYS软件，并创建一个新的工程。

选择适当的单位制和求解器(如Mechanical APDL)。

步骤2:定义结构模型在这个教程中，我们将使用一个简单的悬臂梁作为结构模型。

创建一个梁模型，定义边界条件和加载条件。

确保模型准确代表了你想要分析的实际结构。

步骤3:定义随机负载在随机振动分析中，我们需要定义随机负载。

常见的随机负载包括自然地震、风荷载、机械振动等。

在这个教程中，我们以自然地震为例进行分析。

在ANSYS中，我们可以通过定义Power Spectral Density (PSD)函数来表示随机负载。

PSD函数描述了随机振动的能量分布，并用频率域表征。

使用命令“PSDZONE”创建一个PSD区域，然后通过命令“PSDFCN”定义一个PSD函数，并将PSD函数分配给PSD区域。

例如，你可以使用如下命令定义一个具有特定频率和幅值的PSD函数: /PSDZONE,1,FREQUENCY,1,200,AMP,0.1/PSDFCN,1,PSD,1步骤4:随机分析设置在进行随机振动分析之前，我们需要进行一些设置。

首先，我们需要定义分析的频率范围和步长。

可以使用命令“FREQSEP”来定义频率范围和步长。

例如，你可以使用如下命令定义频率范围为1Hz到200Hz，步长为1Hz:/FREQSEP,1HZ,1接下来，我们需要定义求解器参数。

使用命令“MODAL”定义模态分析参数:/COMBINATION,PSD/PSD,1,UNDEF然后，定义DAREA区域，并通过命令“SDPOINT”为每个频率分配一个积木节点。

振动疲劳—ansys随机振动疲劳分析随机振动疲劳分析流程图随机振动疲劳分析将第一步频率响应分析得到的结果文件作为输入，并在疲劳软件中输入振动过程中的PSD曲线，经计算得到零件的振动疲劳寿命。

故随机振动疲劳分析可分为如下步骤：1.频率响应分析结果输入2.功率谱密度PSD输入3.材料疲劳特性设置4.各工况与PSD关联设置5.振动疲劳求解器参数设置6.输出设置7.分析结果处理频率响应分析结果输入功率谱密度PSD输入振动疲劳求解器Ncode云图显示输出设置Ncode随机振动疲劳分析流程图1.频率响应分析结果输入频率响应分析应与PSD 的单位相对应，比如PSD 单位为g^2/Hz ，则进行频率响应分析时可输入1g 的加速度激励来分析。

（如采取单位制ton-mm-s-N ，此时1g 的加速度激励为9800mm/s^2，应在分析中输入9800大小的加速度激励）1.1单位问题1.2频率响应分析结果输出设置为了避免输出结果过大，可以在输出中设置需要进行疲劳分析的部件，以set 形式输出，同时可设置输出频次Frequency=n ，只输出频响分析应力结果即可。

*OUTPUT, FIELD, Frequency=5 *ELEMENT OUTPUT, ELSET = ele_setS, 以Abaqus 进行频响分析为例，输出设置如下：每5步输出一次只输出单元集合名为ele_set 的应力结果2.功率谱密度PSD输入PSD可以用以下2种方式输入：1.通过MultiColumnInput读入定义好的CSV文件输入2.通过VibrationGenerator生成PSD 曲线CSV文件格式如下：（可在帮助文档中找一个PSD的CSV文件作为模板）。