1、实验四五结构静力分析与ANSYS模态分析注：3月20号，周二课程内容主要是完成下面实验四特别注意：本周六没课，本五周23号，8:00-12:00有课-实验四 MEMS薄膜压力传感器静力学分析一、实验目的1、掌握静力学分析2、验证理论分析结果3、对不同形状膜的分析结果进行对比二、实验器材能够安装ANSYS软件，内存在512MHz以上，硬盘有5G空间的计算机三、实验说明（一）基本思路1、建模与网格化2、静力学分析3、对结果进行分析和比较（二）问题描述：由于许多压力传感器的工作原理是将受压力作用而变形的薄膜硅片中的应变转换成所需形式的电输出信号，所以我们要研究比较一下用什么样形状的膜来作为压力传感器
2、的受力面比较好。我们比较的膜形状有三种，分别是圆形. 正方形. 长方形。在比较的过程中，三种形状膜的面积.，厚度和承受的压力是都是相等的。设置参数具体为：F=0.1MPa, EX=1.9e11,PRXY=0.3,DENS=2.33e3.单元尺寸为5e-006。 为了选择合适的网格化类型，首先我们拿圆的结构进行一下比较，最后选择比较接近理论计算的网格化类型，通过比较，我们知道映射网格化类型比较优越，所以后面的两种类型膜结构选择了映射网格化。四、实验内容和步骤 圆形薄膜11. 先建立一个圆形薄膜： Main MenuPreprocessormodelingCreatevolumessolid cy
3、linder.弹出以个对话框如图，输入数据如图4-1，单击OK.图4-12.设置单元类型：Main MenuPreprocessorelement typeadd/edit/delete,弹出一个对话框，点击add,显示 library of element type对话框如图：在library of element type下拉列表框中选择structural solide 项，在其右侧下拉表框中选择 brick 8node 45选项，单击OK. 在点击close.如图4-2.图4-23.设置材料属性：Main MenuPreprocessormaterial props material
4、models,弹出一个对话框，在material models avaiable下面的对话框中双击打开structurallinearelasticisotropic，又弹出linear isotropic properties for material Number 1对话框，在EX后面输入1.9E11，在PRXY后面输入栏中输入0.3，在双击density,在DENS后面输入2.33e3,单击OK。然后单击materialexit,完成材料属性的设置。如图4-3.图4-34.设置单元尺寸：Main MenuPreprocessormeshingmeshtool,弹出一个对话框，单击Glob
5、al中的SET按钮，弹出Global element sizes 对话框，输入size=5e-006,然后单击OK。如图4-4.图4-45.采用自由式网格化生成单元：Main MenuPreprocessormeshingmeshtool弹出一个对话框，选择Shape后面的Tet,Free,.然后单击Mesh.在拾取图形，在单击OK。如图4-5.图4-56.施加约束：Main Menusolutiondefine loadsapplystructuraldisplacementon areas.拾取圆的周围面，如图：然后单击OK. 又出来一个对话框，选择ALL DOF.单击OK。如图4-6.图
6、4-67.施加载荷：Main Menusolutiondefine loadsapplystructuralpressureon Areas.出现拾取框，拾取图形上垂直与Z轴并且是穿过坐标（0，0，13.887）的面如图：然后单击OK。出现一个对话框，在value load pres Valus后面输入100000，单击OK。如图4-7.图4-78.求解：Main Menusolutionsolvecurentls LS一个信息提示框和对话框，浏览完毕后单击,单击对话框上的OK按钮，开始求解运算，当出现一个solution is done的信息提示框时，单击close按钮，完成求解运算。9.保
7、存分析结果:utility menu as.弹出一个对话框，输入plate-resu,.单击OK按钮。10.显示节点位移云图：Main Menugeneralpostprocplot resultscontour plotnodal solu,出现如图对话框：在contour nodal solution data对话框中选择item to be contourednodal solutiondof solutiondisplacement vector sum.然后单击OK。生成位移云图如图4-8.图4-811.显示节点应力云图：Main Menugeneralpostprocplot re
8、sultscontour plotnodal solu，出现如图对话框：在contour nodal solution data对话框中选择item to be contoured nodal solutionstressvon mises stress,然后单击OK。生成应力云图如图4-9.图4-9 圆形薄膜21.先建立一个圆形薄膜： Main MenuPreprocessormodelingCreatevolumessolid cylinder.弹出以个对话框如图，输入数据如图4-10，单击OK. 图4-102.设置单元类型：Main MenuPreprocessorelement typ
9、eadd/edit/delete,弹出一个对话框，点击add,显示 library of element type对话框如图：在library of element type下拉列表框中选择structural solide 项，在其右侧下拉表框中选择 brick 8node 45选项，单击OK. 在点击close.如图4-11.图4-113.设置材料属性：Main MenuPreprocessormaterial props material models,弹出一个对话框，在material models avaiable下面的对话框中双击打开structurallinearelastici
10、sotropic，又弹出linear isotropic properties for material Number 1对话框，在EX后面输入1.9E11，在PRXY后面输入栏中输入0.3，在双击density,在DENS后面输入2.33e3,单击OK。然后单击materialexit,完成材料属性的设置。如图4-12.图4-124.设置单元尺寸：Main MenuPreprocessormeshingmeshtool,弹出一个对话框，单击Global中的SET按钮，弹出Global element sizes 对话框，输入size=5e-006,然后单击OK。如图4-13.图4-135.采
11、用映射式网格化生成单元：Main MenuPreprocessormeshingmeshtool弹出一个对话框，选择Shape后面的Hex/Wedge,Sweep.然后单击Sweep.在拾取图形，单击OK。如图4-14.图4-146.施加约束：Main Menusolutiondefine loadsapplystructuraldisplacementon areas.拾取圆的周围面，如图：然后单击OK. 又出来一个对话框，选择ALL DOF.单击OK。如图4-15.图4-157.施加载荷：Main Menusolutiondefine loadsapplystructuralpressur
12、eon Areas.出现拾取框，拾取图形上垂直与Z轴并且是穿过坐标（0，0，13.887）的面，然后单击OK。出现一个对话框，在value load pres Valus后面输入100000，单击OK。如图4-16.图4-168.求解：Main Menusolutionsolvecurentls LS一个信息提示框和对话框，浏览完毕后单击,单击对话框上的OK按钮，开始求解运算，当出现一个solution is done的信息提示框时，单击close按钮，完成求解运算。9.保存分析结果:utility menu as.弹出一个对话框，输入plate-resu,.单击OK按钮。10.显示节点位移云
13、图：Main Menugeneralpostprocplot resultscontour plotnodal solu,出现如图对话框：在contour nodal solution data对话框中选择item to be contourednodal solutiondof solutiondisplacement vector sum.然后单击OK。生成位移云图如图4-17.图4-1711.显示节点应力云图：Main Menugeneralpostprocplot resultscontour plotnodal solu,出现如图对话框：在contour nodal solution
14、 data对话框中选择item to be contoured nodal solutionstressvon mises stress,然后单击OK。生成应力云图如图4-18.图4-18 通过上面两种网格化的比较，还有通过理论计算，映射式网格化比自由式网格化更接近理论，所以后面的网格化都采取映射式网格化。 正方形膜1. 生成正方形膜：Main MenuPreprocessormodelingCreatevolumesblockby dimensions,出现对话框并填入数据如图：然后单击OK。如图4-19.图4-192.设置单元类型：Main MenuPreprocessorelement
15、typeadd/edit/delete,弹出一个对话框，点击add,显示 library of element type对话框如图：在library of element type下拉列表框中选择structural solide 项，在其右侧下拉表框中选择 brick 8node 45选项，单击OK. 在点击close. 如图4-20.图4-203.设置材料属性：Main MenuPreprocessormaterial props material models,弹出一个对话框，在material models avaiable下面的对话框中双击打开structurallinearelas
16、ticisotropic又弹出linear isotropic properties for material Number 1对话框，在EX后面输入1.9E11，在PRXY后面输入栏中输入0.3，在双击density,在DENS后面输入2.33e3，单击OK，然后单击materialexit,完成材料属性的设置。如图4-21.图4-214.设置单元尺寸：Main MenuPreprocessormeshingmeshtool,弹出一个对话框，单击Global中的SET按钮，弹出Global element sizes 对话框，输入size=5e-006,然后单击OK。如图4-22.图4-22
17、5.采用映射式网格化生成单元：Main MenuPreprocessormeshingmeshtool弹出一个对话框，选择Shape后面的Hex/Wedge,Sweep.然后单击Sweep.在拾取图形，单击OK。如图4-23.图4-236.施加约束：Main Menusolutiondefine loadsapplystructuraldisplacementon areas.拾取正方形的周围面，如图：然后单击OK. 又出来一个对话框，选择ALL DOF.单击OK。如图4-24.图4-247.施加载荷：Main Menusolutiondefine loadsapplystructuralpr
18、essureon Areas.出现拾取框，拾取图形上垂直与Z轴并且是穿过坐标（0，0，13.887）的面，然后单击OK。出现一个对话框，在value load pres Valus后面输入100000，单击OK. 如图4-25.图4-258.求解：Main Menusolutionsolvecurentls LS一个信息提示框和对话框，浏览完毕后单击,单击对话框上的OK按钮，开始求解运算，当出现一个solution is done的信息提示框时，单击close按钮，完成求解运算。9.保存分析结果:utility menu as.弹出一个对话框，输入plate-resu,.单击OK按钮。10.显
19、示节点位移云图：Main Menugeneralpostprocplot resultscontour plotnodal solu,出现如图对话框：在contour nodal solution data对话框中选择item to be contourednodal solutiondof solutiondisplacement vector sum.然后单击OK。生成位移云图如图4-26.图4-2611.显示节点应力云图：Main Menugeneralpostprocplot resultscontour plotnodal solu,出现如图对话框：在contour nodal so
20、lution data对话框中选择item to be contoured nodal solutionstressvon mises stress,然后单击OK。生成应力云图如图4-27.图4-27 长方形膜1. 生成长方形膜：Main MenuPreprocessormodelingCreatevolumesblockby dimensions,出现对话框并填入数据如图4-28，然后单击OK.图4-282.设置单元类型：Main MenuPreprocessorelement typeadd/edit/delete,弹出一个对话框，点击add,显示 library of element t
21、ype对话框如图：在library of element type下拉列表框中选择structural solide 项，在其右侧下拉表框中选择 brick 8node 45选项，单击OK. 在点击close. 如图4-29.图4-293.设置材料属性：Main MenuPreprocessormaterial props material models,弹出一个对话框，在material models avaiable下面的对话框中双击打开structurallinearelasticisotropic又弹出linear isotropic properties for material N
22、umber 1对话框，在EX后面输入1.9E11，在PRXY后面输入栏中输入0.3，在双击density,在DENS后面输入2.33e3，单击OK，然后单击materialexit,完成材料属性的设置。如图4-30.图4-304.设置单元尺寸：Main MenuPreprocessormeshingmeshtool,弹出一个对话框，单击Global中的SET按钮，弹出Global element sizes 对话框，输入size=5e-006,然后单击OK。如图4-31.图4-315.采用映射式网格化生成单元：Main MenuPreprocessormeshingmeshtool弹出一个对话
23、框，选择Shape后面的Hex/Wedge,Sweep.然后单击Sweep.在拾取图形，单击OK。如图4-31.图4-316.施加约束：Main Menusolutiondefine loadsapplystructuraldisplacementon areas.拾取长方形的周围面，如图：然后单击OK. 又出来一个对话框，选择ALL DOF.单击OK。如图4-32.图4-327.施加载荷：Main Menusolutiondefine loadsapplystructuralpressureon Areas.出现拾取框，拾取图形上垂直与Z轴并且是穿过坐标（0，0，13.887）的面然后单击O
24、K。出现一个对话框，在value load pres Valus后面输入100000，单击OK. 如图4-33。图4-338.求解：Main Menusolutionsolvecurentls LS一个信息提示框和对话框，浏览完毕后单击,单击对话框上的OK按钮，开始求解运算，当出现一个solution is done的信息提示框时，单击close按钮，完成求解运算9.保存分析结果:utility menu as.弹出一个对话框，输入plate-resu,.单击OK按钮。10.显示节点位移云图：Main Menugeneralpostprocplot resultscontour plotnod
25、al solu,出现如图对话框：在contour nodal solution data对话框中选择item to be contourednodal solutiondof solutiondisplacement vector sum.然后单击OK。生成位移云图如图4-34.图4-3411.显示节点应力云图：Main Menugeneralpostprocplot resultscontour plotnodal solu,出现如图对话框：在contour nodal solution data对话框中选择item to be contoured nodal solutionstressv
26、on mises stress,然后单击OK。生成应力云图如图4-35.图4-35 基于相同的振动膜面积，厚度和施加压力，我们可以列表如下：振动膜几何形状最大应力/兆帕 最大挠度/微米 圆形 31.3 0.272 长方形 31.60.110 正方形 39.20.219 从上面的对比可以发现圆形振动膜的情况最好。在这种情况下，虽然挠度过大，但是可以通过在芯片上安装机械制动器来限制它的挠度。从应力和挠度两个方面来看，正方形振动膜是最不好的几何形状。但是由于它几何形状对称，很容易进行晶体切割，所以它是当今压力传感器工业中最长用的几何形状。五、实验报告要求1上交电子版仿真结果。2总结静力学分析。实验
27、高速旋转轮盘模态分析在进行高速旋转机械的转子系统动力设计时，需要对转动部件进行模态分析，求解出其固有频率和相应的模态振型。通过合理的设计使其工作转速尽量远离转子系统的固有频率。而对于高速部件，工作时由于受到离心力的影响，其固有频率跟静止时相比会有一定的变化。为此，在进行模态分析时需要考虑离心力的影响。通过该实验掌握如何用ANSYS进行有预应力的结构的模态分析。 一问题描述 本实验是对某高速旋转轮盘进行考虑离心载荷引起的预应力的模态分析，求解出该轮盘的前5阶固有频率及其对应的模态振型。轮盘截面形状如图所示，该轮盘安装在某转轴上以12000转/分的速度高速旋转。相关参数为：弹性模量EX2.1E5M
28、pa，泊松比PRXY0.3，密度DENS7.8E-9Tn/mm3。1-5关键点坐标：1(-10, 150, 0)2(-10, 140, 0)3(-3, 140, 0)4(-4, 55, 0)5(-15, 40, 0)L=10+（学号0.1）RS=5二分析具体步骤1. 定义工作名、工作标题、过滤参数定义工作名：Utility menu File Jobname工作标题：Utility menu File Change Title（个人学号）2. 选择单元类型本实验将选用六面体结构实体单元来分析，但在建模过程中需要使用四边形平面单元，所有需要定义两种单元类型：PLANE42和SOLID45，具体操
29、作如下：Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete “ Structural Solid”“ Quad 4node 42” Apply（ 添加PLANE42为1号单元） “ Structural Solid”“ 8node 45” ok（ 添加六面体单元SOLID45为2号单元）在Element Types (单元类型定义)对话框的列表框中将会列出刚定义的两种单-元类型：PLANE42、 SOLID45，关闭Element Types (单元类型定义)对话框，完成单元类型的定义。 3. 设置材料属性由于要进行的是考虑离心力引起的预应力
30、作用下的轮盘的模态分析，材料的弹性模量EX和密度DENS必须定义。定义材料的弹性模量EXMain Menu Preprocessor Material Props Material Models Structural Linear Elastic Isotropic弹性模量 EX2.1E5泊松比 PRXY0.3定义材料的密度DENSMain Menu Preprocessor Material Props Material ModelsdensityDENS =7.8E-94. 实体建模对于本实例的有限元模型，首先需要建立轮盘的截面几何模型，然后对其进行网格划分，最后通过截面的有限元网格扫描出整个轮盘的有限元模型。具体的操作过程如下。 创建关键点操作：Main Menu Preprocessor Modeling Create Keypoints In Active CS列出各点坐标值Utility menu List Keypoints Coordinate only由关键点生成线的操作：Main Menu Preprocessor Modeling Create Lines
