【Ansys Workbench局部坐标系动态响应分析】：10个实战演练案例


参考资源链接：[Ansys Workbench教程：创建局部坐标系详解](https://wenku.csdn.net/doc/140m28dy1x?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. Ansys Workbench动态响应分析简介

动态响应分析是结构动力学领域的一项关键技术，它帮助工程师理解和预测产品在实际动态载荷作用下的性能表现。Ansys Workbench作为一个广泛使用的仿真工具，为动态响应分析提供了强大的平台。在本章中，我们将简要介绍动态响应分析的基本概念，以及它在Workbench环境下的应用基础。

## 1.1 动态响应分析的基本概念

动态响应分析涉及评估一个结构在随时间变化的外部激励（如力、压力、温度等）作用下的动态响应。这包括了对位移、速度、加速度和应力等关键参数的预测。这些预测对于确保产品设计在实际使用条件下的可靠性和安全性至关重要。

## 1.2 Ansys Workbench在动态响应分析中的应用

Ansys Workbench提供了一系列模块，用于设置、求解和分析动态响应问题。通过其直观的界面和高效的求解器，工程设计师可以轻松地定义分析类型、材料属性、边界条件、载荷，并且查看和解释结果。用户可以从简单的模态分析到复杂的非线性瞬态动力学分析，覆盖多种动态响应场景。

# 2. 局部坐标系的基本理论与设置

### 2.1 局部坐标系的理论基础

#### 2.1.1 坐标系的定义和作用

在工程领域中，坐标系是定义对象位置和方向的基础工具，它允许我们以数值的方式描述物体在空间中的状态。局部坐标系（Local Coordinate System）是指在有限元模型分析中，除了默认的全局坐标系（Global Coordinate System）外，针对模型的一部分或特定目的而创建的坐标系统。局部坐标系通常用于简化对复杂几何体的描述，对特定方向的载荷和约束进行定义，或者对结构的特定区域进行详细分析。

全局坐标系通常是笛卡尔坐标系，它涵盖了整个模型的参考框架。而局部坐标系可能是笛卡尔系或其它类型的坐标系，如圆柱坐标系或球坐标系，这取决于分析的需要和模型的特定几何形状。

#### 2.1.2 局部坐标系与全局坐标系的区别

局部坐标系和全局坐标系的主要区别在于它们的范围和应用目的。全局坐标系描述的是整个模型在空间中的位置，是统一的、标准的参考框架。相对的，局部坐标系针对的是模型中的某个部分或某类特定分析，其方向和位置可以根据实际需求进行调整。局部坐标系可以旋转和移动，甚至可以有不同的尺度因子，使其更适合于局部的几何和分析需求。

### 2.2 局部坐标系的设置方法

#### 2.2.1 在Workbench中的操作步骤

在Ansys Workbench中，设置局部坐标系涉及以下步骤：

1. 打开Workbench并导入或创建有限元模型。
2. 选择对应部件或组件，以便为该部分设置局部坐标系。
3. 通过菜单选择“插入” → “局部坐标系”。
4. 按照需要选择坐标系类型（例如笛卡尔、圆柱或球坐标系）。
5. 定义局部坐标系的方向，可以通过指定轴向向量或拾取几何面来实现。
6. 如果需要，调整局部坐标系的原点位置。
7. 通过“几何”分支，使用局部坐标系定义特定方向的载荷和约束。

#### 2.2.2 常见问题解答

在设置局部坐标系时，可能会遇到几个常见问题：

- 如何保证局部坐标系的准确性和一致性？
答：确保正确选择局部坐标系的起始点和方向。可以通过查看局部坐标系的属性来验证其方向和位置。此外，利用Workbench的可视化工具，可以帮助直观地检查和调整坐标系的设置。

- 局部坐标系和全局坐标系如何切换查看？
答：在Workbench中，可以通过“视图”菜单切换“显示/隐藏”全局坐标系标志，并在“分析设置”中设置当前的坐标系视图为局部坐标系。

### 2.3 局部坐标系的动态响应分析应用

#### 2.3.1 动态响应分析概述

动态响应分析是一种用于模拟结构在动态载荷作用下的响应和行为的方法。动态载荷包括周期性载荷、瞬态冲击、随机振动等，这些载荷会导致结构响应随时间变化，可能引起共振、疲劳或永久变形等现象。

#### 2.3.2 分析类型选择和参数配置

进行动态响应分析时，根据分析的目的和载荷的特性，选择合适的分析类型：

- 瞬态分析：用于研究随时间变化的动态过程，可以用来模拟冲击和地震等瞬态事件的影响。
- 模态分析：用于确定结构的固有频率和振型，这有助于理解结构在动态激励下的行为。
- 频率响应分析：评估结构对周期性载荷的响应，特别适用于振动问题。

在参数配置上，需要设定时间步长、总分析时间、阻尼系数等关键参数。例如，在瞬态分析中，时间步长应足够小，以捕捉到随时间快速变化的动态响应。同时，总分析时间应涵盖整个感兴趣的动态事件过程。

接下来，我会通过具体案例来演示如何运用局部坐标系进行动态响应分析，从而进一步加深理解。

# 3. 实战演练案例分析

## 3.1 案例一：简单结构的动态响应分析

### 3.1.1 模型建立和材料属性定义

在本案例中，我们构建一个简单的悬臂梁模型来展示动态响应分析的基本步骤。首先，在Ansys Workbench中创建一个新的静力学分析系统。接下来，使用内置的几何建模工具来定义悬臂梁的基本形状和尺寸。

悬臂梁的材料属性至关重要，它们将直接影响动态分析的准确性。我们定义一个典型的结构钢材料属性，包括其密度、弹性模量和泊松比。这些参数对于确保模型的应力和变形计算的正确性是必不可少的。

| 材料属性 | 数值 |
|-----------|------|
| 密度 (ρ) | 7850 kg/m³ |
| 弹性模量 (E) | 210 GPa |
| 泊松比 (ν) | 0.3 |

### 3.1.2 载荷和约束的施加

在完成了模型的建立和材料属性的定义之后，接下来是在模型上施加载荷和约束。对于悬臂梁，我们在自由端施加一个垂直向下的集中力，模拟一个重物悬挂在悬臂梁的末端。同时，我们需要在悬臂梁与支持结构相接触的端面施加全约束，以模拟固定支撑。

在Workbench中，通过界面操作选择合适的命令来施加载荷和约束。全约束将限制该端面所有方向的移动和转动，而集中力则需要指定大小和作用点。正确施加载荷和约束是确保分析结果真实反映物理情况的关键步骤。

### 3.1.3 分析结果的解读和验证

完成以上步骤后，开始求解分析。计算完成后，我们进入结果部分来解读分析结果。首先观察悬臂梁的应力分布，特别是在施加集中力的区域，会呈现出较高的应力值。此外，还需要检查悬臂梁的位移情况，以确保模型的变形在可接受范围内。

在验证阶段，我们可以将模拟结果与理论值或者实验数据进行对比。例如，使用简单的梁理论计算关键截面的应力和位移，并与模拟结果进行对比，这将有助于验证模型的准确性和计算的可靠性。

## 3.2 案例二：复杂结构的局部坐标分析

### 3.2.1 模型的详细建立和参数化

本案例中，我们研究一个具有不规则形状和局部特征的复杂结构，以展示在动态响应分析中如何正确设置局部坐标系。首先，我们需要在Workbench中导入或构建一个复杂的三维模型。然后，根据结构的几何特征和受力情况，决定是否需要局部坐标系。

对于复杂的结构，参数化建模是提高设计效率和灵活性的重要手段。在本例中，我们使用参数化的方法来定义模型的尺寸，以便于后续快速修改和分析不同的设计方案。

### 3.2.2 局