1    问题描述  

       本项目模拟仿真的是生物实验力学中的一个研究圆柱型仿体弹性波传播的特性分析的一个实验（如图1），具体内容是将圆柱型仿体置于实验台上，用探针在圆柱上表面中心位置加载方波机械激励，并研究弹性波的传播特性。

   圆柱型仿体弹性波传播的特性分析实验
 

① 几何参数：

半径 r=50mm 厚度 h=30mm 的圆柱体。

②材料参数：

仿体的平均杨氏模量（EX）1.33±0.04Mpa。泊松比(PRXY)取0.3。

剪切模量 G=E/(2(1+υ)) =0.512MPa。

仿体的密度为1049kg/m3。

③施加激励为1000hz的单次方波0.2mm位移激励

2.2    求解步骤

1. 定义工作文件名和工作标题及准备工作

(1)启动Mechanical APDL Product Launcher 16.0，弹出的Mechanical APDL Product Launcher 16.0窗口。

(2)在Mechanical APDL Product Launcher 16.0窗口中设置 Simulation Environment为ANSYS，License 为ANSYS Multiphysics，在Working Directory 中输入工作目录名称，JobName输入项目名称2。

(3)在主菜单中，选择Preferences 命令，弹出如图2-1所示的Preferences for GUI filtering 对话框。选择分析类型为Structural，单击OK按钮，完成分析环境设置。

   图 2-1 环境设置
 

2. 定义单元类型

(1)定义单元与材料属性，在GUI界面中选择 Main Menu >Preprocessor>Element Type >Add/Edit/Delete 命令，弹出如图2-2所示的Element Type对话框。

   图2-2 Library of Element Types 对话框   
 

   图2-3 Element Type对话框
   

(2)单击Add 按钮，弹出如图2-3所示的Library of Element Types 对话框。因为是圆柱体模型，所以在 Library of Element Types 对话框中，选择单元类型为solid-Tet 10node 187，单击OK按钮。此时回到Element Types 对话框中，即可看到添加完成的单元。

3. 设定材料参数

在GUI界面中，选择 Main Menu >Preprocessor >Material Props > Material Models弹出Define Material Model Behavior 对话框，选择Structural >Linear>Elastic> Isotropic（即结构、线性、弹性、各向同性），Structural >Density（密度）以及，弹出如图2-4所示对话框。输入材料参数。

   图 24
 

   图 24
 

4. 建模

在GUI界面中，选择Main Menu >Preprocessor>Modeling>Create>Volume>Cylinder>Solidcylinder命令，根据问题模型参数构建圆柱体模型。如图2-5。

   图 2-5构建模型
 

5. 划分网格

在GUI界面中，选择 Main Menu>Preprocessor >Meshing>MeshTool命令，弹出网格对话框，勾选Smart Size，下方精细程度选择Fine，单击Mesh按钮，再点击pick all，完成网格划分。如图2-6.

   图 2-6 网格划分
 

6. 设定边界条件

在GUI界面中，选择 Main Menu > Solution >Define Loads>Apply > Structural >Displacement>On Areas命令，弹出 Apply U,ROTon Areas对话框，拾取底面，单击OK按钮，弹出如图2-7所示的Apply U，ROTon KPs对话框，在Lab2列表中选择ALLDOF选项，下方value输入0，单击OK按钮，完成KP1的约束设置。

   图 2-7 Apply U，ROTon Areas对话框
 

7. 设定瞬态分析的荷载

，(1) 在GUI界面中，选择 Main Menu > Solution >Analysis Type >New Analysis 命令，弹出New Analysis对话框，如图2-8，选择Transient瞬态分析。

   图 2-8 New Analysis对话框  
 

(2) 在弹出的Transient Analysis对话框（如图2-9）中选择Full，点击OK。

   图 2-9 Transient Analysis对话框
 

(3) 要设定1000hz的方波单次激励，则要设定一个持续时间为0.001的单次激励所以激励设定如下：

关键帧①0.000001s 无载荷，分步长5

关键帧②0.001s  0.2mm的沿z轴负方向位移载荷，分步长5

关键帧③0.002s  0.2mm的沿z轴负方向位移载荷，分步长5

关键帧④0.002001s 无载荷，分步长5

关键帧⑤1s 无载荷，分步长50

(4) 下面添加以上关键帧的荷载。操作如下：

在GUI界面中，选择 Main Menu > Solution > Analysis Type >Sol’n Controls命令，弹出Solution Controls对话框如图2-10。按照(3)中的设置关键帧时间、分步长。右下方选择“Write every Nth substep”。点击OK。

   图 2-10 Solution Controls对话框
 

在GUI界面中，选择 Main Menu > Solution >Load Step Opts> Write LS File命令，弹出Solution Controls对话框如图2-11，输入序号1，点击OK。

   图2-11 Solution Controls
 

(4) 重复步骤(3)，添加所有关键帧。

其中第二和第三个关键帧有载荷，在GUI界面中，选择 Main Menu > Solution >Define Loads>Apply>Structural >Displacement>On Nodes命令，选择上表面中心点节点，点击OK。

弹出如图2-12 。方向选择UZ，Value输入0.2。

   图2-12 Apply U，ROTon Areas对话框
 

(5) 在GUI界面中，选择 Main Menu > Solution >Solve>From LS Files命令。弹出Solve Load Step Files窗口，如图2-13。Strat输入1，ending输入5，点击ok，开始计算。

   图 2-13 Solve Load Step Files窗口
 

8. 后处理

  (1)云图。在GUI界面中，选择 Main Menu >General Postproc >Plot results >Contour Plot>Nodal Solution命令，弹出Contour Nodal Solution Data对话框。

单击OK按钮，即可在工作区中看到计算结果，如图2-14所示。

注意，此图为保存的最后一个关键帧计算得到的云图。

   图 2-14 最后一帧Z轴方向位移云图
 

(2)瞬态分析（视频）

①导出最后一个关键帧的动态图像。在菜单栏中，选择 PlotCtrls>Animate >Mode shape命令，弹出Animate Mode shape对话框。如图2-15。No.of frames to create填入100，点击OK。

   图 2-15 Animate Mode shape对话框
 

② 导出全部时间序列的动态图像。在菜单栏中，选择 PlotCtrls>Animate >over time命令，弹出Animate over time对话框。如图2-16。No.of frames to create填入100，Model result data选择Load Step Range，Range 填入1和5，Contour data for animation选择DOF solution

，UZ，点击OK。

③

   图 2-16 Animate over time对话框
 

9.保存

在通用菜单中，选择File>Saveas命令，弹出Saveas对话框，输出,单击OK按钮，完成保存。

单击工具栏中的QUIT 按钮，弹出如图1-28所示的Exit from ANSYS对话框。选择Save Everything，保存所有的项目，单击OK按钮，退出ANSYS.

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