第二章 有限元分析软件ANSYS-飞机机翼的模态分析

Ansys有限元课程设计问题一：飞机机翼振动模态分析机翼模型沿着长度方向具有不规则形状，而且其横截面是由直线和曲线构成（如图所示）。

机翼一端固定于机身上，另一端则自由悬挂。

机翼材料的常数为：弹性模量E=0.26GPa，泊松比m=0.3，密度r=886kg/m^3一、操作步骤：1.选取5个keypoint，A（0,0,0）为坐标原点，同时为翼型截面的尖点；2.B（2，0，0）为下表面轮廓截面直线上一点，同时是样条曲线BCDE的起点;3.D(1.9,0.45,0)为样曲线上一点；4.C(2.3，0.2,0)为样条曲线曲率最大点，样条曲线的顶点；5.E(1,0.25,0)与点A构成直线，斜率为0.25；6.通过点A、B做直线和点B、C、D、E作样条曲线就构成了截面的形状。

沿Z 方向拉伸，就得到机翼的实体模型；7.创建截面如图：机翼材料的常数为：弹性模量E=0.26GPa，泊松比m=0.3，密度r=886kg/m^3 8.定义网格密度并进行网格划分：选择面单元PLANE42和体单元SOLID45进行划分网格求解。

面网格选择单元尺寸为0.00625，体网格划分时按单元数目控制网格划分，选择单元数目为109.对模型施加约束，由于机翼一端固定在机身上所以在机翼截面的一端所有节点施加位移和旋转约束二、有限元处理结果及分析：机翼的各阶模态及相应的变形：一阶振动模态图：二阶振动模态图：三阶振动模态图：四阶振动模态图：五阶振动模态图：命令流：/FILNAM,MODAL/TITLE,Modal analysis of a modal airplane wing /PMETH,OFF,0KEYW,PR_STRUC,1/UIS,MSGPOP,3/PREP7ET,1,PLANE42ET,2,SOLID45MP,EX,1,380012MP,PRXY,1,0.3MP,DENS,1,1.033E-3K,1,K,2,2K,3,2.3,0.2K,4,1.9,0.45K,5,1,0.25/TRIAD,OFF/PNUM,KP,1LSTR,1,2LSTR,5,1BSPLIN,2,3,4,5,,,-1,0,,-1,-0.25,, AL,1,2,3ESIZE,0.25MSHKEY,0MSHAPE,0,2DAMESH,1SAVEESIZE,,10TYPE,2VEXT,1,,,0,0,10/SOLUANTYPE,MODAL MODOPT,SUBSP,5,,,,OFF EQSLV,SPARMXPAND,5,,,,0.001 LUMPM,0PSTRES,0ESEL,U,TYPE,,1NSEL,S,LOC,Z,0D,ALL,ALLALLSEL,ALLSOLVE/POST1SET,LISTSET,FIRSTPLDI,,ANMODE,10,0.5,,0FINISH13/EXIT,ALL问题二：内六角扳手静力分析内六角扳手在日常生产生活当中运用广泛，先受1000N的力产生的扭矩作用，然后在加上200N力的弯曲，分析算出在这两种外载作用下扳手的应力分布。

运行Ansys Workbench
开始界面
建立几何模型或导入其他几何模型模型
此处：模型char6‐01
选好单位
拉伸后
存盘
存盘
回到workbench主界面，选择simulation
获取几何体信息
存盘
添加材料信息
选择Solid，添加材料信息
指定材料，选取钛合金
材料信息
几何模型solid指定材料为钛合金
划分网格mesh
选择单位mm
网格控制Sizing》Element size=100mm
划分网格‐右键
选取模态分析
施加约束
选择面
结果后处理（设置求解项，此处采用默认设置）
此处采用默认设置，求解
模型的前六阶模态
总变形
重命名Mode 1
一阶模态振型
继续添加其他模态
三阶模态振型
模型的固有频率。

ANSYS模态分析教程及实例讲解ANSYS是一款常用的有限元分析软件，可以用于执行结构分析、热分析、流体分析等多种工程分析。

模态分析是其中的一项重要功能，用于计算和分析结构的固有振动特性，包括固有频率、振型和振动模态，可以帮助工程师了解和优化结构的动态响应。

以下是一份ANSYS模态分析教程及实例讲解，包含了基本步骤和常用命令，帮助读者快速上手模态分析。

1.创建模型：首先需要创建模型，在ANSYS界面中构建出待分析的结构模型，包括几何形状、材料属性和边界条件等。

可以使用ANSYS的建模工具，也可以导入外部CAD模型。

2.网格划分：在模型创建完毕后，需要进行网格划分，将结构划分为小的单元，使用ANSYS的网格划分功能生成有限元网格。

网格划分的细腻程度会影响分析结果的准确性和计算时间，需要根据分析需要进行合理选择。

3.设置材料属性：在模型和网格创建完毕后，需要设置材料属性，包括弹性模量、密度和材料类型等。

可以通过ANSYS的材料库选择已有的材料属性，也可以自定义材料属性。

4.定义边界条件：在模型、网格和材料属性设置完毕后，需要定义结构的边界条件，包括约束和加载条件。

约束条件是指结构受限的自由度，例如固定支撑或限制位移；加载条件是指施加到结构上的载荷，例如重力或外部力。

5.运行模态分析：完成前面几个步骤后，就可以执行模态分析了。

在ANSYS中，可以使用MODAL命令来进行模态分析。

MODAL命令需要指定求解器和控制选项，例如求解的模态数量、频率范围和收敛准则等。

6.分析结果：模态分析完成后，ANSYS会输出结构的振动特性，包括固有频率、振型和振动模态。

可以使用POST命令查看和分析分析结果，例如绘制振动模态或振动模态的频率响应。

下面是一个实际的案例，将使用ANSYS执行模态分析并分析分析结果。

案例：矩形板的模态分析1.创建模型：在ANSYS界面中创建一个矩形板结构模型，包括矩形板的几何形状和材料属性等。

机翼模型的振动模态分析何题描述：一个简化的飞机机施模型如图所示，该机克沿延翼方向为等耳度，冇关的几何尺寸见图3・】，机翼 材料的常数为：弹件•模ftE=0.26GPa,泊松比u = 03密度p=886Kg/m 3/对该结构进行振动模态的分析。

(a)飞机机児模空(b)据形的几何坐标点图1-1撮动模态分析计算模型示意图二、问题分析解答：解答：这里休小元S0LID15进行建模.并计舁机冗模型的振动模态。

建模的要点：①首先根据机翼横截面的关键点，采用连接1'〔线以及样条函数< BSPL1N >进行连接以形成一个山封闭线甬 成的向：②在生成的鹵上采用门山网格划分生成【加单元(PLANE42)：③ 设魁体单元SOLID45.采用<EXTOPT>< VEXT >进比方向的参段扩展：④ 设呂模态分析< ANTYPE,2>.采用Lanczos 方法进行求解< NB >⑤ 在后处理中.通过<SET>调出柑关阶次的模态，：⑥ 显示变形百的结构图井进行动态演/j<<PLDI><ANMODE> =给出的基丁图形界而(GUI)的交互式操作(step by step)过程如下。

(1) 进入ANSYS(设定工作Fl 录和工作文件)程序一ANSYS -^AISYS Interactive -forking directory (设直工作目录)flnitial joZe (设置匚作文件名)：lodal-Run(2) 设雀计算类型ANSYS Main Menu ： Preferences ・・f Structural —OK(3) 选抒单元类熨ANSYS Main Menu ： Prqjrocessor 一Eleient Type -*Add/Edit/Delete ~*Add —Structural solid ： Quad 4node 42 Apply f solid f Brick 8node 45—OK —Close(4) 定义材料参数ANSYS Main Menu ： Preprocessor -*Iaterial Props -^Material Models Structural f Linear 〜 Elastic -Isotroplc ：EX:0- 26E9(弹性tM^)>PRXY:0. 3(i 白松比)一OK -Density:886 -OK ^laterial 一 Exit(5) 生成几何模型ANSYS Main Menu ： Preprocessor —Modeling f Create -^KeypointIn Active CS -*X, Y, Z location:0,0,0-Apply -*X,Y,Z locati<ai:0,05,0, 0-Apply -X, Y,Z location:0,0575, 0>005, 0 - Apply f X,Y,Z locatioii:0・0475QQ1250 f Apply f X,Y,Z knatiomO.025,0X)06250 fOKANSYS Main Menu ： Preprocessor -♦Modeling -^Create f Lines —Lines f Straight Line f 依 次选择关键点1, 2,5,1 -*OKANSYS Main Menu ： Preprocessor —Modeling —Create —Lines -*Splines — Witli Options — Spline tliru KPs -依次选择关键点2, 3, 4, 5 -OK -输入以F 数tt*； XVl:^025t YVl:0,ZVl:0_-输入以下 数据 XV6: 0・025・ YV6: 0.00625, ZV6：L~ OKANSYS Main Menu ： Preprocessor -*Modeling -*Create — Areas — Arbitrary f By Lines -*选 择所有3条线B (0.05.0.0) C (0.0S75.0.005.0) D (0.047$. 0.0125.0) F (0.025,0.0WS2K.0)一OK网格划分ANSYS Man Menu： Preprocessor f Meshing — Mesli Tool global f Set Element edge length:0.00625 〜OK -Merii -Pick AU -Close -Close(点击关闭Mesh Tool工具栏)ANSYS Main Menu: Preprocessor Modeling Operate -* Extrude -* Elem Ext Opts f Element typenumba :2_SOLID45 —The No. of element divisions: 10 — OKANSYS Man Menu： Preprocessor f Modeling Operate f Extrude 一Areas —By XYZ Offset —Pick All —Offsetsfor extrusion in the Z direction:0.0,0.25 -^OK f Close(7)模型施加载荷ANSYS Utility Menu： Select Entities Elements —By Attributes —Elem type numThe element type numberQf Unselect f Apply(8)模型施加约束ANSYS Utility Menu: Select Entities Nodes —By Location f Z coordinates —The Z coordinate location:0-* From Full 〜即plyANSYS Man Menu — Preprocessor — Loads — Define Loads f Apply — Structuial — Displacement f On Nodes f Pick All f All DOF —OK f By Num/Pick f Select All f 点击Cancd(关闭窗口)(9)分析计算ANSYS Main Menu： Solution — Analyss Type —New Analysis Modal —OKANSYS Man Menu： Solution Analysis Type — Analysis Options f 点击Block Lanczos~*No. of modes to extract: 5 —No. of modes to expand: 5_-*OK —OKANSYS Main Menu： Solution f Solve Current LS —File —Close —OK —Yes —Yes f Close(Solution is done!)(10)结果显示ANSYS Main Menu： General Postproc-*Results Summary -*Close(各阶模态的频率见表7・5)。

基于ANSYS飞机机翼的模态分析报告设计完成日期2015年5 月4 日目录1项目背景 (2)1.1 立项背景 (2)1.2研究内容 (3)1.3 分析方案 (3)2有限元模型的建立及分析 (3)2.1 建立模型 (3)2.2 划分网格并施加约束 (4)2．3定义分析类型 (5)3 求解 (5)3．1固有频率 (5)3．2振动模态 (6)4 有限元结果处理及分析 (7)5结语 (7)摘要:介绍了如何利用ANSYS软件建立飞机机翼的有限元模型。

应用ANSYS软件对机翼进行特定约束条件下的振动模态分析，得到了机翼的各阶固有频率及相应的变形云图，为机翼在高空飞行时的设计和改进提供了依据。

关键词:ANSYS;机翼;有限元模型;模态分析1项目背景1.1 立项背景随着航空事业的不断发展和进步，以及各国对民用飞机和军用运输机的要求不断提高，大型亚声速乃至超声速客机以及运输机已成为各军事、经济大国争先发展的项目。

为了未来大型飞机的载重多、飞的更快更高程的突出特点，无疑要增大飞机的尺寸、重量和气动弹性。

这将对飞机各部件的结构强度提出更高的要求，因此降低结构质量成为结构设计追求的一项重要指标，大型柔性成为很多航空结构的一个特点，这种大型柔性复杂结构极易受到外界及航空器本身扰动的影响而发生振动。

飞机机翼大型运载火箭、导弹、大型运输机等通常对振动环境有严格的要求，强烈的振动会严重地影响各种有效载荷的正常工作，导致系统性能下降甚至失效，直接威胁航空结构的安全。

这种由振动引起结构疲劳的问题也变得越来越突出。

因此，研究大型柔性航空结构的振动特性，并对其进行振动控制非常重要，航空结构系统的振动抑制问题历来是航空器设计中的一个重要问题和难点。

相对于固定翼飞机来说，大型飞机机翼的振动现象更为明显，而且过高的振动水平会引起机翼结构的疲劳破坏，影响机载设备的正常工作，飞行事故屡见不鲜。

例如，美军驻伊拉克的空运部队在一次给C-17运输机加油过程中发生了左机翼整体断裂的恶性事故;法国的一架超军旗飞机在飞行中由于机翼折断，造成飞行员坠机身亡;美国的一架F-15战斗机在飞行中由于机动动作太大，造成右机翼断裂脱落。

基于ANSYS的机翼振动模态分析机翼振动模态分析是通过ANSYS软件进行的一种分析技术，可以帮助工程师和设计师了解机翼在不同工作条件下的振动特性，以便优化设计和改进结构。

本文将详细介绍ANSYS在机翼振动模态分析中的应用，并展示其重要性和优势。

首先，机翼振动模态分析是用来计算和分析机翼在不同频率和振动模态下的振动特性。

这对于工程师和设计师来说非常重要，因为机翼的振动性能直接影响到航空器的性能和安全。

振动模态分析可以帮助确定机翼的自然频率，即机翼在没有外部激励下的自由振动频率。

此外，还可以分析机翼的模态形状和振动幅度，以便预测和评估机翼在不同工况下的振动响应。

ANSYS是一种用于有限元分析的强大软件工具，具有广泛的应用领域，包括航空航天、汽车和机械工程等。

在机翼振动模态分析中，ANSYS可以使用多个模块和工具来进行不同类型的分析，如静态分析、模态分析和频率响应分析。

其中，模态分析通常是机翼振动模态分析的主要技术。

在进行机翼振动模态分析之前，需要进行一些前期准备工作。

首先，需要绘制机翼的几何模型，并对其进行网格划分。

ANSYS提供了多种网格划分工具，如有限元网格划分器和自动网格生成器。

然后，需要定义机翼的材料特性和边界条件，如约束和加载条件。

在模态分析中，ANSYS可以计算机翼的固有频率和模态形状。

具体而言，可以通过求解机翼的特征方程来计算其固有频率和模态形状。

通过使用ANSYS的模态分析模块，可以自动求解特征方程，并得到机翼的不同模态频率和模态形状。

通过分析机翼的不同模态频率和模态形状，可以得到以下几点重要信息。

首先，可以确定机翼的固有频率范围，即机翼在不同频率范围内的振动特性。

这对于航空器的设计和改进非常重要，因为它可以帮助设计师避免机翼的固有频率与外部激励频率一致，从而减小机翼的共振现象。

其次，可以得到机翼的不同模态形状。

这对于分析机翼的结构刚度分布和优化结构设计非常重要。

值得一提的是，ANSYS还提供了其他一些分析技术和工具，如频率响应分析和降阶模型。

飞机机翼模态分析实例飞机机翼模态分析实例问题描述 :该实例对一个飞机模型的机翼进行模态分析，以确定机翼的模态频率和振型。

机翼沿长度方向轮廓一致，横截面由直线和样条曲线定义（如图9所示）。

机翼的一端固定在机体上，另一端为自由端。

机翼由低密度聚乙烯制成，相关参数如下：EX=3.8E3 PRXY=0.3 DENS=1.033e-3 slugs/in3图9模型飞机机翼简图GUI方式分析过程第1 步：指定分析标题并设置分析范畴1.选取菜单途径Utility Menu>File>Change Title2.输入文字“Modal analysis of a model airplane wing”，然后单击OK。

3.选取菜单途径Main Menu>Preference4.单击Structure选项使之为ON，单击OK。

第2 步：定义单元类型1.选取菜单途径:Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete。

2.Element Types对话框将出现。

3.单击Add。

Library of Element Types对话框将出现。

4.在左边的滚动框中单击“Structural Solid”。

5.在右边的滚动框中单击“Quad 4node 42”。

6.单击Apply。

7.在右边的滚动框中单击“Brick 8node 45”。

8.单击OK。

9.单击Element Types对话框中的Close按钮。

第3 步：指定材料性能1.选取菜单途径Main Menu>Preprocessor>Material Props>-Constant-Isot ropic。

Isotropic Material Properties对话框将出现。

2.在OK上单击以指定材料号为1。

第二个对话框将出现。

3.输入EX为3800。

4.输入DENS为1.033e-3。