solidworks模态时间历史(时域分析)是simulation中线性动力的一个模块,主要用于分析结构对外部载荷的频率响应。简单点说就是结构在受到不同速度和大小的外部激励时会发生什么样的响应。

下面,猫亮设计用solidworks的模态时间历史功能来介绍一下什么是结构的共振现象。

模型建立

建立一个直径10mm,壁厚0.5mm,长度200mm的圆管用于分析。

模态时间历史分析共振现象

模态时间历史使用方法

模态时间历史的使用方法和频率分析流程基本是一致的,仅有的一点区别是模态时间历史加载的载荷有一个时间增量,载荷的加载是瞬态的,与时间相关;而频率分析中加载的载荷是稳态的,是一个与时间无关的量。

打开simulation,新建一个线性动力学模态时间历史算例,采用梁单元对这个零件进行分析,对梁的左侧节点使用固定约束。

先设置好模态时间历史的属性,将要计算的固有频率数量改为10。

模态时间历史分析共振现象

前十阶的固有频率计算完成后,得到的频率如下。

模态时间历史分析共振现象

从上面的频率结果来看,如果要使一个结构发生共振,外部载荷的击振频率要和结构的固有频率保持一致,这个零件第一阶的频率是245Hz,一个周期为0.004秒。

为了是这个零件在第一阶固有频率发生共振现象,我们需要对其施加一个相同频率的力,这个力从0增长到最大然后再回到0是一个周期,在加载这个力的时候我们需要注意一下。

模态时间历史分析共振现象

对右侧节点添加一下朝下1N的力,使用曲线来定义力的加载方式,点击编辑后在表格中输入时间和力的大小,时间以0.002秒为增量一直输入到0.04秒截止,力的大小(倍数)从0-1反复变化,从0.04秒到0.1秒,将力的大小设置为0。

模态时间历史分析共振现象

重新设置模态时间历史的属性选项,由于前面施加的外部载荷在0.04秒时截止,所以在动态选项中需要对结束时间做相应的调整,这里设置计算结束的时间为0.1秒。

模态时间历史分析共振现象

时间增量表示计算的间隔时间,当时间增量设置的较大,时间增量比要计算的固有频率的1/4大时,在计算的过程中不能将插值点计算到频率周期范围内,会丧失计算精度,造成计算错误。

下图为时间增量设置较大的计算结果,计算结果的曲线并不是我们预期的形状,此时的计算结果没有参考意义。

模态时间历史分析共振现象 重新调整时间增量,为了获得最高精度,这里采用了第10阶固有频率的1/4做为时间增量,计算结果如下,在0-0.04秒范围内这个结构受到周期为0.004秒大小1N的外部载荷激励时自身的振动在不断增大,这种振动不断增大的现象就是共振现象。

在0.04秒到0.1秒撤销了外部激励,由于在计算中我们没有设置阻尼(零件在振动的过程中没有耗散功),虽然外部激励撤销了,但是为了保证能量守恒,振动并不会停止。

模态时间历史分析共振现象

为了模拟真实的结构共振状态,这里采用默认的瑞利阻尼系数对结构添加一个阻尼系数,重新进行计算。

计算后,结果如下在0-0.04秒内结构的位移不断增大,在0.04-0.1秒范围内由于阻尼的加入,结构的振动不断减小。

模态时间历史分析共振现象