ANSYS 模态分析
模态分析
过程模态分析过程由四个主要步骤组成：1.建模；2.加载及求解；
3.扩展模态；
4.观察结果。下面分别展开进行详细讨论
§1.6建模
主要完成下列工作：首先指定工作名和分析标题，然后在前处理器（PREP7）中定义单元类型、单元实常数、材料性质以及几何模型。ANSYS的《建模和网格指南》中对这些工作有更详细的说明。
注意以下两点：
?在模态分析中只有线性行为是有效的。如果指定了非线性单元，它们将被当作是线性的。例如，如果分析中包含了接触单元，则系统取其初始状态的刚度值并且不再改变此刚度值。
?材料性质可以是线性的，各向同性的或正交各向异性的，恒定的或和温度相关的。在模态分析中必须指定杨氏模量EX（或某种形式的刚度）和密度DENS（或某种形式的质量）。而非线性特性将被忽略。
§1.7加载及求解
主要完成下列工作：首先定义分析类型、指定分析设置、定义载荷和边界条件和指定加载过程设置，然后进行固有频率的有限元求解。在得到初始解后，再对模态进行扩展，以供查看。扩展模态将在下一节“扩展模态”中进行详细说明。
§1.7.1进入ANSYS求解器
命令：/SOLUGUI：Main Menu>Solution
§1.7.2指定分析类型和分析选项
ANSYS提供的用于模态分析的选项如下表所示，表中的每一个选项都将在随后详细解释。分析类型和分析选项选项命令GUI 选择途径
New Analysis ANTYPE Main Menu>Solution>-Analysis Type-New Analysis Analysis Type: Modal ANTYPE Main Menu>Solution>-Analysis Type-New Analysis>ModalMode Extraction Method MODOPT Main Menu>Solution>Analysis OptionsNumber of Modes to Extract MODOPT Main Menu>Solution>Analysis OptionsNo. Of Modes to Expand MXPAND Main Menu>Solution>Analysis OptionsMass Matrix Formulation LUMPM Main Menu>Solution>Analysis OptionsPrestress Effects Calculation PSTRES Main Menu>Solution>Analysis Options
注意：选择模态分析时，求解菜单将显示与模态分析相关的菜单项。求解菜单有两种可能的状态“简洁式（abridged ）”或者“展开式（unabridged ）”，它总是与上一个ANSYS 任务是的状态相同。简洁式菜单仅仅包括模态分析有用的或建议的求解设置。当显示的是简洁式求解菜单，如果想访问其他求解设置( 即，
要用到的有效求解设置，但该分析类型又不会遇到) ，就从求界菜单中选择展开式菜单项展开求解设置项。详情参见《ANSYS基本分析指南》使用展开式求解菜单。
注意：在单点响应谱分析（SPOPT,SPRS ）和动力学设计分析方法（SPOPT,DDAM ）中，模态扩展可以放在谱分析之后按MXPAND 命令设置的重要性因子SIGNIF 值有选择地进行。如果准备在谱分析之后进行模态扩展，请在模态分析选项（MODOPT ）对话框中的设置模态扩展的选项（MXPAND ）处选NO 。
§1.7.2.1选项
New Analysis：选择新分析。
注意：在模态分析中Restart （重启动）是无效的。如果需要施加不同的边界条件，则须做一次新的分析或采用<
§1.7.2.2选项
分析类型：Modal 指定分析类型为模态分析。
§1.7.2.3选项
Modal Extraction Method 指定提取模态的方法，选择7种提取方法中的一种。对于大多数应用，选用分块Lanczos法、子空间法、PowerDynamics法或缩减法。非对称法、阻尼法和QR阻尼法适于特殊应用。一旦选用某种模态提取方法，ANSYS程序自动选择对应的求解器。
注意：非对称法、阻尼法和QR 阻尼法在ANSYS/Professional 产品中无效。
§1.7.2.4选项
Number of Modes to Extract 除缩减法以外其他模态提取方法该选项都是必须设置的。对于非对称法和阻尼法，应该应当提取比必要的阶数更多的模态以降低丢失模态的可能性，但需要花费更长的求解时间。
§1.7.2.5选项
Number of Modes to Expand 该选项只在采用缩减法、非对称法和阻尼法时要求设置。如果想得到单元求解结果，则不论采用何种模态提取方法都需要打开“Calcucate elem results”项。在用单点响应谱分析（SPOPT,SPRS）和动力学设计分析方法（SPOPT,DDAM）中，模态扩展可能要放在谱分析之后按命令MXPAND设置的重要性因子SIGNIF数值有选择地进行。如果要在谱分析后才进行模态扩展，则在模态分析选项（MODOPT）对话框的模态扩展（EXPAND）选项处选NO。
§1.7.2.6选项
Mass Matrix Formulation 该选项用于指定质量矩阵计算方式：缺省的质量矩阵（和单元类型有关，也称为一致质量矩阵）和集中质量阵。我们建议在大多数应用中采用缺省一致质量矩阵。但对有些包含“薄膜”结构的问题，如细长梁或非常薄的壳，采用集中质量矩阵近似经常可产生较好的结果。另外，用集中质量阵时求解时间短，
需要的内存少。
§1.7.2.7选项
Prestress Effects Calculation 该选项用于确定是否考虑预应力对结构振型的影响。缺省分析过程不包括预应力效应，即结构是处于无应力状态。在分析中希望包含预应力的影响，则必须首先进行静力学或瞬态分析生成单元文件，参见“有预应力模态分析”。如果预应力效果选项是打开的，同时要求当前及随后的求解过程中质量矩阵的设置应和静力分析中质量矩阵的设置必须一致。注意─在有预应力的周期对称单元如PLANE25 和SHELL61 上只可以加轴对称载荷。
§1.7.2.8其它模态分析选项
完成了模态分析选项（Modal Analysis Option ）对话框中的选择后，单击OK，接着弹出一个对应于于指定的模态提取方法的选项对话框，是以下选择域的组合：
? 域：FREQB ，FREQE 指定感兴趣的模态频率范围。FREQB 域指定第一频移点（低频）─特征值收敛最快的点。在大多数情况下不需要设置这个域，其缺省值为-1。
? 域：PRMODE 输出的缩减模态数。设置此选项后，在输出文件（Jobname.out）中会列出所设置数目的缩减振型。该选项只对缩减法有效。
? 域：Nrmkey 关于振型归一化的设置。有两种选择：相对于质量矩阵和单位化。如果在模态分析后进行谱分析或模态叠加法分析，
则应该选择相对于质量阵进行归一化处理。为了在随后得到各阶模态的最大响应（模态响应），须用模态系数去乘振型。实现的方法是用*GET命令（在谱分析完成后）查到模态系数并在SET命令中将模态系数用做比例因子。
? 域：RIGID 设置提取对已知有刚体运动结构进行子空间迭代分析时的零频振型。只适用于Subspace和PowerDynamics法。
? 域：SUBOPT 指定多种子空间迭代选项。详细情况参见<
? 域：CEkey 指定处理约束方程的方法。可选用的方法：Direct elimination method（直接消去法）、Lagrange multiplier(quick)method（快速拉格朗日乘子法）、Lagrange multiplier(accurate)method（精确拉格朗日乘子法）。该选项只适用于分块Lanczos法。（参见“循环对称结构的模态分析”部分的表8“CE处理法”。）
§1.7.3定义主自由度
在模态分析中，有时需要指定主自由度，并且只适用于缩减法。主自由度（M自由度（DOF））指能描述结构动力学特性的“重要的”自由度。主自由度（DOF）选取的规则是选择至少是感兴趣的模态阶数的一倍数目的主自由度（DOF）。建议用命令根据对结构的动力学特牲的了解定义尽可能多的M自由度（DOF），并用命令让程序按照刚度/质量比选取一些附加的主自由度。用命令可以列出已定义的M
自由度（DOF），用命令可以删除无关的M自由度（DOF）。关于主自由度的更详细内容参见“矩阵缩减”部分。
命令：MGUI：Main Menu>Solution>Master DOFs>-User Selected-Define
§1.7.4在模型上加载荷
在典型的模态分析中唯一有效的“载荷”是零位移约束。（如果在某个自由度（DOF）处指定了一个非零位移约束，程序将以零位移约束替代在该自由度（DOF）处的设置）。可以施加除位移约束之外的其它载荷，但它们将被忽略（见下面的说明）。在未加约束的方向上，程序将解算刚体运动（零频）以及高阶（非零频）自由体模态。下表给出了施加位移约束的命令。载荷可以加在实体模型（点、线、面）上或加在有限元模型（点和单元）上。参见<
注意：其它类型的载荷─力，压力，温度，加速度等─可以在模态分析中指定，但在模态提取时将被忽略。程序会计算出相应于所加载荷的载荷向量，并将这些向量写到振型文件Jobname.MODE 中以便在模态叠加法谐响应分析或瞬态分析中使用。模态分析中可施加的载荷载荷形式类别命令GUI途径Displacement(UX,UY,UZ,ROTX,ROTY,ROTZ)约束 D Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Structural-Displacement在分析过程中，可以施加、删除载荷或进行载荷列表、载荷间运算。
§1.7.4.1用命令加载
下表列出了在模态分析中可以用来加载的命令。模态分析中的加载命令载荷形式实体或FE 模型图素施加删除列表运算加载设置Displacement 实体模型关键点DK DKDELE DKLIST DTRAN ―实体模型线DL DLDELE DLLIST DTRAN ―实体模型面DA DADELE DALIST DTRAN ―FE模型节点 D DDELE DLIST DSCALE DSYM,DCUM §1.7.4.2利用GUI施加载荷
所有的载荷操作（除了列表）均可通过一系列的下拉菜单选取。在求解菜单中选取载荷操作类型（Apply、Delete等），然后选载荷类型（Displacement、Force等），最后选取将施加载荷的对象（keypoint、line、node等）。比如要在一条线上施加位移载荷，则可按如下GUI途径实现：GUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Structural-Displacement>On Lines
§1.7.4.3载荷列表
可按如下GUI途径列表显示施加的载荷：GUI:Utility Menu>List>Loads>load type
§1.7.5指定载荷步选项
模态分析中唯一可用的载荷步选项是阻尼选项，如下表所示。载荷步选项选项命令GUI 途径阻尼（动力学）选项Alpha （质量）阻尼ALPHAD Main Menu>Solution>-Load
Step Opts-Time/Frequenc>DampingBeta（刚度）阻尼BETAD Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Time/Frequenc>Damping恒定阻尼比DMPRAT Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Time/Frequenc>Damping材料阻尼比MP,DAMP Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Other>Change Mat Props>-Temp Dependent-Polynomial阻尼只在有阻尼的模态提取法中使用，在其它模态提取法中阻尼将被忽略。如果模态分析存在阻尼并指定阻尼模态提取方法，那么计算出的特征值将是复数解。
详细内容参见“模态提取法”介绍，同时请参阅“瞬态动力学分析”中关于阻尼的介绍。注意：如果在模态分析后将进行单点响应谱分析，则在这样的无阻尼模态分析中可以指定阻尼。虽然阻尼并不影响特征值解，但它将被用于计算每个模态的有效阻尼比，此阻尼比将用于计算谱产生的响应。参见“谱分析”中的讨论。
§1.7.6参与系数表输出
参与系数表列表显示提取的每个模态的参与系数、模态系数和质量分布百分数。在总体直角坐标系三个轴向和转动方向上，均假定施加单位位移谱激励，就计算出参与系数和模态系数。同时，列表显示缩减质量分布。当使用实特征值模取方法（如子空间法、分块Lanczos 法或QR阻尼法）进行模态分析时，将计算转动参与系数。注意－你可以执行*GET 命令获取一个参与系数或模态系数。参与系数或模态
系数适用于在最后应用的坐标系（3 －D 分析绕Z 轴旋转）方向上定义的激励（假定为单位位移谱）。为了获取其他方向上的参与系数或模态系数，在指定方向上（SED ）定义激励谱，执行谱分析，然后执行*GET 命令获取一个参与系数或模态系数。
§1.7.7求解
将数据库备份到文件中。这样便可在重新进入ANSYS后用命令RESUME来恢复以前建的模型。开始求解计算：命令：SOLVEGUI：Main Menu>Solution>-Solve-Current LS
§1.7.7.1输出
求解输出内容主要是固有频率，固有频率被写到输出文件Jobname.OUT及振型文件Jobname.MODE中。输出内容中也可以包含缩减的振型和参与系数表，这取决于对分析选项和输出控制的设置。由于振型现在还没有被写到数据库或结果文件中，因此还不能对结果进行后处理。要进行后处理，则还需对模态进行扩展（后面将进行解释）。
§1.7.7.2子空间（Subspace）模态提取法的输出
如果采用子空间模态提取法，那么在输出内容中可能会看到这样的警告：“STURM number = n should be m”，n和m 是整数，表示某阶模态被漏掉了，或者第m阶和第n阶模态的频率相同而要求输出的只有第m阶模态。你可以用下面的两个方法来检查被漏掉的模态：使用更多的迭代向量和改变特征值提取法的漂移点数值。下面简要阐述这两种方法（详细内容参见< 手册>>）。 ?方法1 ： 使用更多的迭代向量为了使用更多的迭代向量，可以执行命令SUBOPT,,NPAD。GUI方式则按下列步骤进行：1.选择菜单路径Main Menu>Solution>Analysis Options，弹出Modal Analysis对话框；2.选择SUBSPACE提取法，指定提取的模态数目，然后单击OK按钮，弹出Subspace Modal Analysis对话框;3.改变NPAD 域的数值，然后单击OK按钮。 ?方法2： 改变特征值提取法的漂移点数值为了改变特征值提取法的漂移点数值，可以执行命令MODOPT,,,FREQB。 GUI方式则按下列步骤进行：1.选择菜单路径Main Menu>Solution>Analysis Options，弹出Modal Analysis对话框；2.选择SUBSPACE提取法，指定提取的模态数目，然后单击OK按钮，弹出Subspace Modal Analysis对话框;3.改变FREQB 域的数值，然后单击OK按钮。如果采用的是阻尼模态提取法，求得的特征值和特征向量都是复数。特征值的虚部代表固有频率，实部是系统稳定性的量度。如果采用的是QR阻尼模态提取法，求得的特征值是复数。但是，求得的实特征向量用于模态叠加法。 §1.7.8退出求解器 现在必须退出求解器。 命令：FINISHGUI：关闭Solution菜单§1.8扩展模态从严格意 义上讲，“扩展”这个词意味着将缩减解扩展到完整的自由度集上。“缩减解”常用主自由度表达。而在模态分析中，我们用“扩展”这个词指将振型写入结果文件。也就是说，“扩展模态”不仅适用于缩减模态提取方法得到的缩减振型，而且也适用于其它模态提取方法得到的完整振型。因此，如果想在后处理器中察看振型，必须先扩展之（也就是将振型写入结果文件）。 谱分析中同样要求进行模态扩展。在单点响应谱分析（SPOPT,SPRS）和动力学设计分析方法（SPOPT,DDAM）中，模态扩展可以放在谱分析之后按命令MXPAND中设置的阀值SIGNIF 有选择地进行。如要将模态扩展放在谱分析之后进行，请在“Mode analysis options（模态分析选项）”（MODOPT）对话框中的“mode expansion（模态扩展）”栏（MXPAND）选NO。模态叠加法不需要扩展模态。 §1.8.1注意要点 ?模态扩展要求振型文件Jobname.MODE、文件Jobname.EMAT、Jobname.ESAV、及Jobname.TRI（如果采用缩减法）必须存在。 ?数据库中必须包含和解算模态时所用模型相同的分析模型。 §1.8.2扩展模态 1.重新进入ANSYS求解器。 命令：/SOLUGUI：Main Menu>Solution注意―在扩展处理前必须（用命令FINISH ）明确地离开求解器并重新进入求解器。 2.激活扩展处理及相关选项。 ANSYS提供的扩展处理选项有：扩展处理选项选项命令GUI 途径Expansion Pass On/Off EXPASS Main Menu>Solution>-Analysis Type-ExpansionPassNo.of Modes to Expand MXPAND Main Menu>Solution>-Load Step Opts-ExpansionPass> Expand ModesFreq.Range for Expansion MXPAND Main Menu>Solution>-Load Step Opts?ExpansionPass>Expand ModesStress Calc. On/Off MXPAND Main Menu>Solution>-Load Step Opts ? ExpansionPass > Expand Modes?选项：Expansion Pass On/Off选择ON（打开）。?选项：Number of Modes to Expand ［MXPAND,NMODE ］指定要扩展的模态数。记住：只有经过扩展的模态可在后处理器中进行观察。缺省为不进行模态扩展。 ?选项： Frequency Range for Expansion ［MXPAND,FREQB,FREQE ］这是另一种控制要扩展的模态数的方法。如果指定了一个频率范围，那么只有该频率范围内的模态会被扩展。?选项：Stress Calculations On/Off ［MXPAND ，Elcalc 如果准备在模态分析后进行谱分析并对产生谱的应力和力感兴趣则打开（ON）此选项。模态分析中的“应力”并不代表结构中的实际应力，而只是给出一个 各阶模态之间相对的应力分布的概念。缺省为不计算应力。 3.指定载荷步选项 模态扩展处理中唯一有效的选项是输出控制： ? Printed Output 此选项用来设置在输出文件Jobname.OUT 中包含所有的结果数据（扩展得到的振型，应力，力）。命令：OUTPRGUI：Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Output Ctrls>Solu Printout?Database and results file output 此选项用来控制结果文件Jobname.RST中包含的数据。OUTRES中的FREQ域只可为ALL或NONE；即要么输出所有模态要么不输出任何模态的数据。比如，不可能输出每隔一阶的模态信息。命令：OUTRESGUI：Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Output Ctrls>DB/Results File 4.开始扩展处理扩展处理的输出 包括已扩展的振型，而且还可以要求包含各阶模态的相对应力分布。命令：SOLVEGUI：Main Menu>Solution>Gurrent LS 5. 如须扩展另外的模态（如不同频率范围的模态）请重复步骤2、3和4 每一次扩展处理在结果文件中存储为单独的载荷步。谱分析要求所有的扩展模态保存在一个载荷步中。在单点响应谱分析（SPOPT,SPRS）和动力学设计分析方法（SPOPT,DDAM）中，模态扩展可以放在谱分析之后按命令MXPAND中设置的重要性因子SIGNIF值进行。如要将模态扩展放在谱分析之后进行，请在“Mode analysis options（模态分析选项）”（MODOPT）对话框中的“mode expansion（模态扩展）”栏（MXPAND）选NO。 6.离开SOLUTION 现在可以在后处理器中观察结果了。命令：FINISHGUI：关闭Solution菜单注意─扩展处理在这里是做为一个单独的阶段。但如果在模态求解阶段即包含了MXPAND 命令，程序就将不仅解出特征值和特征向量，而且扩展指定的振型。 §1.9观察结果 模态分析的结果（即模态扩展处理的结果）被写入到结构分析结果文件Jobname.RST中。分析结果包括：?固有频率?扩展振型?相对应力和力分布（如要求输出了）。可以在POST1［/POST1］即普通后处理器中观察模态分析的结果。模态分析的一些常用后处理操作将在下面予以描述。关于后处理功能的完整描述参见< §1.9.1注意要点 ?如要在POST1中观察结果，则数据库中必须包含和求解时相同的模型。 ?结果文件Jobname.RST必须存在。 §1.9.2观察结果数据的过程： 1.读入合适子步的结果数据。 每阶模态在结果文件中被存为一个单独的子步。比如扩展了6阶模态，结果文件中将有由6个子步组成的一个载荷步。命令： SET,SBSTEPGUI：Main Menu>General Postproc>-Read Results-substep 2.执行任何想做的POST1操作。 常用的模态分析POST1操作如下： §1.9.3选项：列表显示所有频率用于列出所有已扩展模态对应的频率。下面是一个该命令输出结果的例子：*****INDEX OF DATA SETS ON RESULTS FILE*****SETTIME/FREQLOAD STEPSUBSTEPCUMULATIVE122.973111240.476122378.082133 4188.34144命令：SET,LISTGUI：Main Menu>General Postproc>List Results>Results Summary §1.9.4选项：图形显示变形命令：PLDISPGUI：Main Menu>General Postproc>Plot Results>Deformed Shape 用PLDISP命令的KUND域可设置将未变形形状叠加在显示结果中。 §1.9.5选项：列表显示主自由度命令：MLIST,ALLGUI：Main Menu>Solution>Master DOFs>List ALL注意─如要用图形方式显示主自由度，请选择绘制出模型中的节点（GUI 途径Utility Menu>Plot>Nodes 或命令NLIST ）。 §1.9.6选项：线单元结果命令：ETABLEGUI：Main Menu>General Postproc>Element Table>Define Table对线单元，象梁、桁条和管子，可以用ETABLE命令获得导出数据（应力、应变等）。结果数据通过一个标识字和一个ETABLE命令中的顺序号或部件名组合起来加以区分。详细内容参见< 过程指南>>对于ETABLE的讨论。 §1.9.7选项：等值图显示结果项命令：PLNSOL或PLESOLGUI：Main Menu>General PostProc>Plot Results>-Contour Plot-Nodal Solu或Element Solu使用这些选项可绘制几乎所有结果项的等值线图，如应力（SX，SY，SZ…）、应变（EPELX，EPELY，EPELZ…）和位移（UX，UY，UZ…）。PLNSOL和PLESOL命令的KUND域可用来设置将未变形形状叠加在显示结果中。绘制单元表数据和线单元数据的等值线：命令：PLETAB,PLLSGUI：Main Menu>General Postproc>Element T abe>Plot Element T ableMain Menu>General Postproc>Plot Results>Contour Plot-Line Elem Res注意－命令PLNSOL 会对节点处的导出数据如应力和应变取平均值。这种平均会导致在不同材料单元、不同的壳厚度、或其它不连续性出现处的节点上出现“污损”值。为了避免出现这种污损效应，在使用命令PLNSOL 前应该用选择功能（< §1.9.9选项： 列表显示结果项命令： PRNSOL（节点结果）PRESOL（一个单元接一个单元的结果）PRRSOL（反作用数据）等GUI:Main Menu>General Postproc>List Results>solution optionMain Menu>General Postproc>List Results>-Sorted Listing-Sort Nodes或Sort Elems用NSOPT和ESORT命令可在列表之前对数据进行排序。 §1.9.10其它功能 许多其它的后处理功能如将结果映象到一个路径上和载何工况（Load case）组合等，在POST1中均可使用。详情参见< 全面讲解ANSYS高速旋转轮盘模态分析讲解 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。我通过该例子学习到了如何用ANSYS进行有预应力的结构的模态分析。 一．例子描述 本例子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10阶固有频率及其对应的模态振型。轮盘截面形状如图1所示，该轮盘安装在某转轴上以120 00转/分的速度高速旋转。相关参数为：弹性模量EX＝2.1E5Mpa，泊松比PRXY＝0.3，密度DE NS＝7.8E-9T/mm3。 图1、轮盘截面图 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=15 RS=5 二．A nsys求解的具体步骤 1.启动ansys，定义工作名、工作标题 ①定义工作名：Example of dynamic ②工作标题：dynamic analysis of a disc 2、选择单元类型 本例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，设置完成后，如图2，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， 图2、定义单元类型 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。 ①定义材料的弹性模量EX 弹性模量 EX＝2.1E5 泊松比 PRXY＝0.3 ②定义材料的密度DENS DENS =7.8E-9 4、建立实体模型 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。 机翼模型的振动模态分析 摘要：本文在ANSYS13.0平台上，采用有限元方法对机翼模态进行了建模和数值分析，为机翼翼型的设计和改进提供基础数据。 1.引言 高空长航时飞机近年来得到了世界的普遍重视。由于其对长航时性能的要求，这种飞机的机翼往往采用非常大的展弦比，且要求结构重量非常低。大展弦比和低重量的要求，往往使得这类结构受载时产生一系列气动弹性问题，这些问题构成飞行器设计和其它结构设计中的不利因素，解决气动弹性问题历来为飞机设计中的关键技术。颤振的发生与机翼结构的振动特性密切相关。通过对机翼模态的分析，可以获得机翼翼型在各阶频率下的模态，得出振动频率与应变之间的关系，从而可以改进设计，避免或减小机翼在使用过程中因为振动引起的变形。 同时，通过实践和实际应用，可以掌握有限元分析的方法和步骤，熟悉ANSYS有限元分析软件的建模和网格划分技巧和约束条件的确定，为以后进一步的学习和应用打下基础。 2.计算模型 一个简化的飞机机翼模型如图1所示，机翼的一端固定在机体上，另一端为悬空自由端，该机翼沿延翼方向为等厚度，有关的几何尺寸见图1。 图1.机翼模型简图 在分析过程采用直线段和样条曲线简化描述机翼的横截面形状，选取5个keypoint，A（0,0,0）为坐标原点，同时为翼型截面的尖点;B（0.05，0，0）为下表面轮廓截面直线上一点，同时是样条曲线BCDE的起点;D(0.0475,0.0125,0)为样曲线上一点。C(0.0575， 0.005,0)为样条曲线曲率最大点，样条曲线的顶点；点E(0.025,0.00625,0)与点A构成直线， 斜率为0.25。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，如图2。沿Z方向拉伸，就得到机翼的实体模型，如图1。 压电变换器的自振频率分析及详细过程 1.模态分析的定义及其应用 模态分析用于确定设计结构或机器部件的振动特性(固有频率和振型)，即结构的固有频率和振型，它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数。同时，也可以作为其它动力学分析问题的起点，例如瞬态动力学分析、谐响应分析和谱分析，其中模态分析也是进行谱分析或模态叠加法谐响应分析或瞬态动力学分析所必需的前期分析过程。 ANSYS的模态分析可以对有预应力的结构进行模态分析和循环对称结构模态分析。前者有旋转的涡轮叶片等的模态分析，后者则允许在建立一部分循环对称结构的模型来完成对整个结构的模态分析。 ANSYS提供的模态提取方法有:子空间法(subspace)、分块法(block lancets),缩减法(reduced/householder)、动态提取法(power dynamics)、非对称法(unsymmetric),阻尼法(damped), QR阻尼法(QR damped)等，大多数分析都可使用子空间法、分块法、缩减法。 ANSYS的模态分析是线形分析，任何非线性特性，例如塑性、接触单元等，即使被定义了也将被忽略。 2.模态分析操作过程 一个典型的模态分析过程主要包括建模、模态求解、扩展模态以及观察结果四个步骤。 (1).建模 模态分析的建模过程与其他分析类型的建模过程是类似的，主要包括定义单元类型、单元实常数、材料性质、建立几何模型以及划分有限元网格等基本步骤。 (2).施加载荷和求解 包括指定分析类型、指定分析选项、施加约束、设置载荷选项，并进行固有频率的求解等。 指定分析类型，Main Menu- Solution-Analysis Type-New Analysis,选择Modal。 指定分析选项，Main Menu-Solution-Analysis Type-Analysis Options，选择MODOPT(模态提取方法〕，设置模态提取数量MXPAND. 定义主自由度，仅缩减法使用。 施加约束，Main Menu-Solution-Define Loads-Apply-Structural-Displacement。 求解，Main Menu-Solution-Solve-Current LS。 (3).扩展模态 如果要在POSTI中观察结果，必须先扩展模态，即将振型写入结果文件。过程包括重新进入求解器、激话扩展处理及其选项、指定载荷步选项、扩展处理等。 激活扩展处理及其选项，Main Menu-Solution-Load Step Opts-Expansionpass-Single Expand-Expand modes。 指定载荷步选项。 扩展处理，Main Menu-solution-Solve-Current LS。 注意:扩展模态可以如前述办法单独进行，也可以在施加载荷和求解阶段同时进行。本例即采用了后面的方法 (4).查看结果 模态分析的结果包括结构的频率、振型、相对应力和力等 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EX＝2.1E5Mpa，泊松比PRXY＝0.3， 密度DENS＝7.8E-9Tn/mm 3。 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 ①定义工作名：Utility menu > File > Jobname ②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，具体操作如下： Main Menu >Preprocessor > Element Type > Add/Edit/Delete ①“ Structural Solid”→“ Quad 4node 42” →Apply（添加PLANE42为1号单元） ②“ Structural Solid”→“ Quad 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。 ①定义材料的弹性模量EX Main Menu >Preprocessor > Material Props > Material Models> Structural > Linear > Elastic >Isotropic 弹性模量EX＝2.1E5 泊松比PRXY＝0.3 ②定义材料的密度DENS Main Menu >Preprocessor > Material Props > Material Models>density DENS =7.8E-9 4.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。 ①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 模态分析步骤 第1步：载入模型 Plot>Volumes 第2步：指定分析标题并设置分析范畴 1 设置标题等Utility Menu>File>Change Title Utility Menu>File> Change Jobname Utility Menu>File>Change Directory 2 选取菜单途径 Main Menu>Preference ,单击 Structure,单击OK 第3步：定义单元类型 Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete,出现Element Types对话框,单击Add出现Library of Element Types 对话框,选择Structural Solid,再右滚动栏选择Brick 20node 95,然后单击OK，单击Element Types对话框中的Close按钮就完成这项设置了。 第4步：指定材料性能 选取菜单途径Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models。出现Define Material Model Behavior对话框,在右侧Structural>Linear>Elastic>Isotropic,指定材料的弹性模量和泊松系数，Structural>Density指定材料的密度，完成后退出即可。 第5步：划分网格 选取菜单途径Main Menu>Preprocessor>Meshing>MeshTool,出 现MeshTool对话框，一般采用只能划分网格，点击SmartSize,下面可选择网格的相对大小（太小的计算比较复杂，不一定能产生好的效果，一般做两三组进行比较），保留其他选项，单击Mesh出现Mesh Volumes对话框，其他保持不变单击Pick All，完成网格划分。 第6步：进入求解器并指定分析类型和选项 选取菜单途径Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis，将出现New Analysis对话框,选择Modal单击 OK。 选取Main Menu>Solution> Analysis Type>Analysis Options，将出现Modal Analysis 对话框，选中Subspace模态提取法，在 Number of modes to extract处输入相应的值（一般为5或10，如果想要看更多的可以选择相应的数字），单击OK，出现Subspace Model Analysis对话框，选择频率的起始值，其他保持不变，单击OK。 第7步：施加边界条件. 选取Main Menu>Solution>Define loads>Apply>Structural>Displacement,出现ApplyU,ROT on KPS对话框，选择在点、线或面上施加位移约束,单击OK会打开约束种类对话框，选择（All DOF,UX,UY,UZ）相应的约束,单击apply或OK即可。第8步：指定要扩展的模态数。选取菜单途径Main Menu>Solution>Load Step Opts>ExpansionPass>Expand Modes,出现Expand Modes对话框,在number of modes to expand 处输入第6步相应的数字，单击 OK即可。（当选取Main Menu>Solution> Analysis Type>Analysis Options，将出现Modal Analysis 对话框，选中Subspace模态提取法，在 Number of modes to extract处输入相应 模态分析步骤 第1步： 载入模型Plot>Volumes 第2步： 指定分析标题并设置分析范畴 1设置标题等Utility Menu>File>Change Title Utility Menu>File> Change Jobname Utility Menu>File>Change Directory 2选取菜单途径MainMenu>Preference ,单击Structure,单击OK第3步： 定义单元类型 MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete,出现Element Types 对话框,单击Add出现Library of Element Types对话框,选择Structural Solid,再右滚动栏选择Brick 20node 95,然后单击OK，单击Element Types对话框中的Close 按钮就完成这项设置了。 第4步： 指定材料性能 选取菜单途径MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels。出现DefineMaterialModelBehavior对话框,在右侧Structural>Linear>Elastic>Isotropic,指定材料的弹性模量和泊松系数，Structural>Density指定材料的密度，完成后退出即可。 第5步： 划分网格 选取菜单途径Main Menu>Preprocessor>Meshing>MeshTool,出现MeshTool 对话框，一般采用只能划分网格，点击SmartSize,下面可选择网格的相对大小（太小的计算比较复杂，不一定能产生好的效果，一般做两三组进行比较），保留其他选项，单击Mesh出现Mesh Volumes对话框，其他保持不变单击Pick All，完成网格划分。 第6步： 进入求解器并指定分析类型和选项 选取菜单途径Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis，将出现New Analysis对话框,选择Modal单击OK。 选取Main Menu>Solution> Analysis Type>Analysis Options，将出现Modal Analysis对话框，选中Subspace模态提取法，在Number ofmodes to extract处输入相应的值（一般为5或10，如果想要看更多的可以选择相应的数字），单击OK，出现Subspace Model Analysis对话框，选择频率的起始值，其他保持不变，单击OK。 第7步： 施加边界条件.选取 MainMenu>Solution>Defineloads>Apply>Structural>Displacement,出现 ApplyU,ROTonKPS对话框，选择在点、线或面上施加位移约束,单击OK会打开约束种类对话框，选择（AllDOF,UX,UY,UZ）相应的约束,单击apply或OK即可。 第8步： 指定要扩展的模态数。选取菜单途径 MainMenu>Solution>LoadStepOpts>ExpansionPass>ExpandModes,出现Expand Modes对话框,在number of modes to expand处输入第6步相应的数字，单击OK 即可。（当选取MainMenu>Solution>AnalysisType>AnalysisOptions，将出现ModalAnalysis对话框，选中Subspace模态提取法，在Number of modes to extract处输入相应的值（一般为5或10，如果想要看更多的可以选择相应的数字），同时选择number of modes to expand输入相应值时，这步可以省略） ANSYS模态分析步骤 第1步：载入模型Plot>V olumes，输入/units，SI（即统一单位M/Kg/S）。若为组件，则进行布尔运算：Main Menu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Glue(或Add)>V olumes 第2步：指定分析标题/工作名/工作路径，并设置分析范畴 1 设置标题等Utility Menu>File>Change Title/ Change Jobname/ Change Directory 2 设置分析范畴Main Menu>Preference，单击Structure，OK 第3步：定义单元类型 Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete，→Element Types对话框，单击Add→Library of Element Types对话框，选择Structural Solid，再右滚动栏选择Brick 20node 95，然后单击OK，单击Element Types对话框中的Close按钮就完成这项设置了。 第4步：指定材料性能 Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models→Define Material Model Behavior，右侧Structural>Linear>Elastic>Isotropic，指定弹性模量EX、泊松系数PRXY；Structural>Density指定密度。第5步：划分网格 Main Menu>Preprocessor>Meshing>MeshTool，出现MeshTool对话框，一般采用只能划分网格，点击SmartSize，下面可选择网格的相对大小，保留其他选项，单击Mesh出现Mesh V olumes对话框，其他保持不变单击Pick All，完成网格划分。当内存不足时，取消SmartSize 第6步：进入求解器并指定分析类型和选项 Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis，出现New Analysis对话框，选择Modal，OK。Main Menu>Solution> Analysis Type>Analysis Options，将出现Modal Analysis对话框，选中Subspace 模态提取法，在No. of modes to extract处输入相应的值（一般为5或10），单击OK，出现Subspace Model Analysis对话框，输入Start Freq值，即频率的起始值，其他保持不变（也可输入End Frequency，即输入频率范围；此时扩展模态仅在此范围内取值），单击OK。 第7步：施加边界条件 Main Menu>Solution>Define loads>Apply>Structural>Displacement，出现ApplyU，ROT on KPS对话框，选择在点、线或面上施加位移约束，单击OK会打开约束种类对话框，选择（All DOF，UX，UY，UZ）相应的约束，单击apply(多次选择)或OK即可。 第8步：指定要扩展的模态数 Main Menu>Solution>Load Step Opts>ExpansionPass>Single Expand>Expand Modes，出现Expand Modes对话框，在No. of modes to expand 处输入第6步相应的数字，单击OK即可。 注意：在第6步NMODE No. of modes to expand输入扩展模态数后，第8步可省略。 第9步：进行求解计算 Main Menu>Solution>Solve>Current LS。浏览在/STAT命令对话框中出现的信息，然后使用File>Close 关闭该对话框，单击OK。在出现警告（不一定有）“A check of your model data produced 1 Warning。Should the SOLV command be executed?”时单击Yes，求解过程结束后单击close。 第10步：列出固有频率 Main Menu>General Postproc>Results Summary。 第11步：动画显示模态形状 查看某阶模态的变形，先读入求解结果。执行Main Menu>General Postproc>Read results>first Set，然后执行1.Main Menu>General Postproc>Plot Results>Deformed Shape，在弹出对话框中选择“Def+undefe edge”或执行 2.PlotCtrls>Animate>mode shape，出现对话框，左边滚动栏不变，在右边滚动栏选择“Def+undefe edge”，单击OK，可查看动画效果。如果需要看其他阶模态，执行Main Menu>General Postproc>Read results>Next Set，重复执行上述步骤即可。 第12步：结束分析SA VE_DB; Main Menu>Finish 1 第一章模态分析 §模态分析的定义及其应用 模态分析用于确定设计结构或机器部件的振动特性（固有频率和振型），即结构的固有频率和振型，它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数。同时，也可以作为其它动力学分析问题的起点，例如瞬态动力学分析、谐响应分析和谱分析，其中模态分析也是进行谱分析或模态叠加法谐响应分析或瞬态动力学分析所必需的前期分析过程。 ANSYS的模态分析可以对有预应力的结构进行模态分析和循环对称结构模态分析。前者有旋转的涡轮叶片等的模态分析，后者则允许在建立一部分循环对称结构的模型来完成对整个结构的模态分析。 ANSYS产品家族中的模态分析是一个线性分析。任何非线性特性，如塑性和接触（间隙）单元，即使定义了也将被忽略。ANSYS提供了七种模态提取方法，它们分别是子空间法、分块Lanczos法、PowerDynamics法、缩减法、非对称法、阻尼法和QR阻尼法。阻尼法和QR阻尼法允许在结构中存在阻尼。后面将详细介绍模态提取方法。 §模态分析中用到的命令 模态分析使用所有其它分析类型相同的命令来建模和进行分析。同样，无论进行何种类型的分析，均可从用户图形界面（GUI）上选择等效于命令的菜单选项来建模和求解问题。 后面的“模态分析实例（命令流或批处理方式）”将给出进行该实例模态分析时要输入的命令（手工或以批处理方式运行ANSYS时）。而“模态分析实例（GUI方式）” 则给出了以从ANSYS GUI中选择菜单选项方式进行同一实例分析的步骤。（要想了解如何使用命令和GUI选项建模，请参阅< ?ANSYS动力学分析指南 作者: 安世亚太 第一章模态分析 §1.1模态分析的定义及其应用 模态分析用于确定设计结构或机器部件的振动特性（固有频率和振型），即结构的固有频率和振型，它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数。同时，也可以作为其它动力学分析问题的起点，例如瞬态动力学分析、谐响应分析和谱分析，其中模态分析也是进行谱分析或模态叠加法谐响应分析或瞬态动力学分析所必需的前期分析过程。 ANSYS的模态分析可以对有预应力的结构进行模态分析和循环对称结构模态分析。前者有旋转的涡轮叶片等的模态分析，后者则允许在建立一部分循环对称结构的模型来完成对整个结构的模态分析。 ANSYS产品家族中的模态分析是一个线性分析。任何非线性特性，如塑性和接触（间隙）单元，即使定义了也将被忽略。ANSYS提供了七种模态提取方法，它们分别是子空间法、分块Lanczos法、PowerDynamics法、缩减法、非对称法、阻尼法和QR阻尼法。阻尼法和QR阻尼法允许在结构中存在阻尼。后面将详细介绍模态提取方法。 §1.2模态分析中用到的命令 模态分析使用所有其它分析类型相同的命令来建模和进行分析。同样，无论进行何种类型的分析，均可从用户图形界面（GUI）上选择等效于命令的菜单选项来建模和求解问题。 后面的“模态分析实例（命令流或批处理方式）”将给出进行该实例模态分析时要输入的命令（手工或以批处理方式运行ANSYS时）。而“模态分析实例（GUI方式）” 则给出了以从ANSYS GUI中选择菜单选项方式进行同一实例分析的步骤。（要想了解如何使用命令和GUI选项建模，请参阅< 模态分析 过程模态分析过程由四个主要步骤组成：1.建模；2.加载及求解； 3.扩展模态； 4.观察结果。下面分别展开进行详细讨论 §1.6建模 主要完成下列工作：首先指定工作名和分析标题，然后在前处理器（PREP7）中定义单元类型、单元实常数、材料性质以及几何模型。ANSYS的《建模和网格指南》中对这些工作有更详细的说明。 注意以下两点： ?在模态分析中只有线性行为是有效的。如果指定了非线性单元，它们将被当作是线性的。例如，如果分析中包含了接触单元，则系统取其初始状态的刚度值并且不再改变此刚度值。 ?材料性质可以是线性的，各向同性的或正交各向异性的，恒定的或和温度相关的。在模态分析中必须指定杨氏模量EX（或某种形式的刚度）和密度DENS（或某种形式的质量）。而非线性特性将被忽略。 §1.7加载及求解 主要完成下列工作：首先定义分析类型、指定分析设置、定义载荷和边界条件和指定加载过程设置，然后进行固有频率的有限元求解。在得到初始解后，再对模态进行扩展，以供查看。扩展模态将在下一节“扩展模态”中进行详细说明。 §1.7.1进入ANSYS求解器 命令：/SOLUGUI：Main Menu>Solution §1.7.2指定分析类型和分析选项 ANSYS提供的用于模态分析的选项如下表所示，表中的每一个选项都将在随后详细解释。分析类型和分析选项选项命令GUI 选择途径 New Analysis ANTYPE Main Menu>Solution>-Analysis Type-New Analysis Analysis Type: Modal ANTYPE Main Menu>Solution>-Analysis Type-New Analysis>ModalMode Extraction Method MODOPT Main Menu>Solution>Analysis OptionsNumber of Modes to Extract MODOPT Main Menu>Solution>Analysis OptionsNo. Of Modes to Expand MXPAND Main Menu>Solution>Analysis OptionsMass Matrix Formulation LUMPM Main Menu>Solution>Analysis OptionsPrestress Effects Calculation PSTRES Main Menu>Solution>Analysis Options 注意：选择模态分析时，求解菜单将显示与模态分析相关的菜单项。求解菜单有两种可能的状态“简洁式（abridged ）”或者“展开式（unabridged ）”，它总是与上一个ANSYS 任务是的状态相同。简洁式菜单仅仅包括模态分析有用的或建议的求解设置。当显示的是简洁式求解菜单，如果想访问其他求解设置( 即， 均匀直杆的子空间法模态分析 1.模态分析的定义及其应用 模态分析用于确定设计结构或机器部件的振动特性(固有频率和振型)，即结构的固有频率和振型，它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数。同时，也可以作为其它动力学分析问题的起点，例如瞬态动力学分析、谐响应分析和谱分析，其中模态分析也是进行谱分析或模态叠加法谐响应分析或瞬态动力学分析所必需的前期分析过程。 ANSYS的模态分析可以对有预应力的结构进行模态分析和循环对称结构模态分析。前者有旋转的涡轮叶片等的模态分析，后者则允许在建立一部分循环对称结构的模型来完成对整个结构的模态分析。 ANSYS提供的模态提取方法有:子空间法(subspace)、分块法(block lancets),缩减法(reduced/householder)、动态提取法(power dynamics)、非对称法(unsymmetric),阻尼法(damped), QR阻尼法(QR damped)等，大多数分析都可使用子空间法、分块法、缩减法。 ANSYS的模态分析是线形分析，任何非线性特性，例如塑性、接触单元等，即使被定义了也将被忽略。 2.模态分析操作过程 一个典型的模态分析过程主要包括建模、模态求解、扩展模态以及观察结果四个步骤。 (1).建模 模态分析的建模过程与其他分析类型的建模过程是类似的，主要包括定义单元类型、单元实常数、材料性质、建立几何模型以及划分有限元网格等基本步骤。 (2).施加载荷和求解 包括指定分析类型、指定分析选项、施加约束、设置载荷选项，并进行固有频率的求解等。 指定分析类型，Main Menu- Solution-Analysis Type-New Analysis,选择Modal。 指定分析选项，Main Menu-Solution-Analysis Type-Analysis Options，选择MODOPT(模态提取方法〕，设置模态提取数量MXPAND. 定义主自由度，仅缩减法使用。 施加约束，Main Menu-Solution-Define Loads-Apply-Structural-Displacement。 求解，Main Menu-Solution-Solve-Current LS。 (3).扩展模态 如果要在POSTI中观察结果，必须先扩展模态，即将振型写入结果文件。过程包括重新进入求解器、激话扩展处理及其选项、指定载荷步选项、扩展处理等。 激活扩展处理及其选项，Main Menu-Solution-Load Step Opts-Expansionpass-Single Expand-Expand modes。 指定载荷步选项。 扩展处理，Main Menu-solution-Solve-Current LS。 注意:扩展模态可以如前述办法单独进行，也可以在施加载荷和求解阶段同时进行。本例即采用了后面的方法 (4).查看结果 模态分析的结果包括结构的频率、振型、相对应力和力等 Ansys模态分析详细论述 1、有限元概述 将求解域分解成若干小域，有限元模型由单元组成，单元之间通过节点连接，并承受载荷，节点自由度是随着连接该点单元类型变化的。 1.1分析前准备 （1）研读相关理论基础； （2）参考别人的分析方法和思路； （3）考虑时间和设备，做适当的简化假设，设定条件、材料并决定分析方式；（4）了解力学现象、分析关键位置并预先评估。 1.2 Von Mises 应力 Von Mises 应力是非负值，应力表达式可表示为： 1.3结果的分析 （1）建立疏密不同的三至五种网络，选择适中密度，不能以存在应力集中点处的结果做对比； （2）检验网格，分析结果的合理性，选择安全系数，并且要分析应力集中的真实性与危险性。 （3）接触收敛速度的提高：在不影响结构的前提下，控制或减少接触单元生成数目，并采用线性搜索，与打开自适应开关来提高收敛速度。 2、模态分析中的几个基本概念 物体按照某一阶固有频率振动时，物体上各个点偏离平衡位置的位移是满足一定的比例关系的，可以用一个向量表示，这个就称之为模态。模态这个概念一般是在振动领域所用，可以初步的理解为振动状态，我们都知道每个物体都具有自己的固有频率，在外力的激励作用下，物体会表现出不同的振动特性。2.1主要模态 一阶模态是外力的激励频率与物体固有频率相等的时候出现的，此时物体的振动形态叫做一阶振型或主振型；二阶模态是外力的激励频率是物体固有频率 的两倍时候出现，此时的振动外形叫做二阶振型，以依次类推。一般来讲，外界激励的频率非常复杂，物体在这种复杂的外界激励下的振动反应是各阶振型的复合。模态是结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。有限元中模态分析的本质是求矩阵的特征值问题，所以“阶数”就是指特征值的个数。将特征值从小到大排列就是阶次。 实际的分析对象是无限维的，所以其模态具有无穷阶。但是对于运动起主导作用的只是前面的几阶模态，所以计算时根据需要计算前几阶的。一个物体有很多个固有振动频率（理论上无穷多个），按照从小到大顺序，第一个就叫第一阶固有频率，依次类推。 所以模态的阶数就是对应的固有频率的阶数。振型是指体系的一种固有的特性。它与固有频率相对应，即为对应固有频率体系自身振动的形态。每一阶固有频率都对应一种振型。振型与体系实际的振动形态不一定相同。振型对应于频率而言，一个固有频率对应于一个振型。按照频率从低到高的排列来说，有第一振型，第二振型等等，此处的振型就是指在该固有频率下结构的振动形态，频率越高则，振动周期越小。在实验中，我们就是通过用一定的频率对结构进行激振，观测相应点的位移状况，当观测点的位移达到最大时，此时频率即为固有频率。实际结构的振动形态并不是一个规则的形状，而是各阶振型相叠加的结果。 固有频率也称为自然频率(natural frequency)。物体做自由振动时，其位移随时间按正弦或余弦规律变化，振动的频率与初始条件无关，而仅与系统的固有特性有关（如质量、形状、材质等），称为固有频率，其对应周期称为固有周期。物体做自由振动时，其位移随时间按正弦规律变化，又称为简谐振动。简谐振动的振幅及初相位与振动的初始条件有关，振动的周期或频率与初始条件无关，而与系统的固有特性有关，称为固有频率或者固有周期。 物体的频率与它的硬度、质量、外形尺寸有关，当其发生形变时，弹力使其恢复。弹力主要与尺寸和硬度有关，质量影响其加速度。同样外形时，硬度高的频率高，质量大的频率低。一个系统的质量分布，内部的弹性以及其他的力学性质决定。 2.2模态扩展 平面问题斜支座的处理 如图5-7所示，为一个带斜支座的平面应力结构，其中位置2及3处为固定约束，位置4处为一个45o的斜支座，试用一个4节点矩形单元分析该结构的位移场。 (a)平面结构(b)有限元分析模型 图5-7 带斜支座的平面结构 基于ANSYS平台，分别采用约束方程以及局部坐标系的斜支座约束这两种方式来进行处理。 (7) 模型加约束 左边施加X,Y方向的位移约束 ANSYS Main Menu: Solution →Define Loads →Apply →-Structural→Displacement On Nodes →选取2，3号节点→OK →Lab2: All DOF(施加X,Y方向的位移约束) →OK 以下提供两种方法处理斜支座问题，使用时选择一种方法。 ?采用约束方程来处理斜支座 ANSYS Main Menu：Preprocessor →Coupling/ Ceqn →Constraint Eqn ：Const :0, NODE1:4, Lab1: UX,C1:1,NODE2:4,Lab2:UY,C2:1→OK 或者?采用斜支座的局部坐标来施加位移约束 ANSYS Utility Menu：WorkPlane →Local Coordinate System →Create local system →At specified LOC + →单击图形中的任意一点→OK →XC、YC、ZC分别设定为2，0，0,THXY：45 →OK ANSYS Main Menu：Preprocessor →modeling →Move / Modify →Rotate Node CS →To active CS → 选择4号节点 ANSYS Main Menu：Solution →Define Loads →Apply →Structural →Displacement On Nodes →选取4号节点→OK →选择Lab2:UY(施加Y方向的位移约束) →OK 命令流； !---方法1 begin----以下的一条命令为采用约束方程的方式对斜支座进行处理 CE,1,0,4,UX,1,4,UY,-1 !建立约束方程(No.1): 0=node4_UX*1+node_UY*(-1) !---方法1 end --- !--- 方法2 begin --以下三条命令为定义局部坐标系，进行旋转，施加位移约束 !local,11,0,2,0,0,45 !在4号节点建立局部坐标系 !nrotat, 4 !将4号节点坐标系旋转为与局部坐标系相同 !D,4,UY !在局部坐标下添加位移约束 !--- 方法2 end 七、模态分析 7.1问题描述 如图所示为一根长度为L 的等截面直杆，一端固定，一端自由。已知杆材料的弹性模量E=2*10e11N/m2，密度m 3 /kg 7800=ρ，杆长L=0.1m，要求计算直杆纵向振动的固有频率。 7.2求解步骤 1、建立工作名和工作标题 2、定义单元类型：拾取菜单Main Menu→Preprocessor →Element Type→Add/edit/delete 。弹出对话框，单击"Add "按钮:弹出对话框，在左侧列表中选择"Structural/Solid ,在右侧列表中选择"Brick 20node 186"，单击"OK"按钮:单击close。 3、定义材料特性：Main Menu→Preprocessor→Material Props→Material Models 弹出对话框，在右侧列表中依次双击"Structural "、leaner,elastic"、"Isotropic"，弹出对话框，在"EX"文本框中输入2ell (弹性模量)，在"PRXY"文本中输入0.3(泊松比)，单击"OK"按钮;再双击右侧列表中"Structural"下"Density ",弹出对话框，在"DENS"文本框中输入7800〈密度)，单击"OK"按钮。然后关闭对话框。 4、建立几何网络模型 1）拾取菜单Main Menu →Preprocessor →Modeling →Create → Volumes→Block→By Dimension，参数如图所示，单击OK。拾取菜单Utility Menu→PlotCtrls→Pan Zoom Rotate在弹出的对话框中，依次单击"Iso"、"Fit"按钮。 2）划分单元：拾取菜单Main Menu→Preprocessor→Meshing→MeshTool弹出对话框，单击Size Controls区域中Lines后Set按钮，弹出拾取窗口，任意拾取块x轴和y轴方向的边各一条(短边)，单击OK按钮，弹出对话框，在NDIV 文本框中输入3，单击Apply按钮；再次弹出拾取窗口，拾取块z轴方向的边(长边)，单击OK按钮，在NDIV文本框中输入15，单击OK按钮。在Mesh区域，选择单元形状为Hex，选择划分单元的方法为Mapped。单击Mesh按钮，弹出拾取窗口，拾取块，单击OK按钮。 3、加载求解 1）施加约束：拾取菜单Main Menu→Solution→Define Loads→Apply→ ANSYS实例分析 ——模型飞机机翼模态分析 一，问题讲述。 如图所示为一模型飞机机翼，其长度方向横截面形状一致，机翼的一端固定在机体上，另一端为悬空自由端，试对机翼进行模态分析并显示机翼的模态自由度。是根据一下的参数求解。 机翼材料参数：弹性模量EX=7GPa；泊松比PRXY=0.26；密度DENS=1500kg/m3。 机翼几何参数：A(0，0)；B(2，0)；C(2.5，0.2)；D(1.8，0.45)；E （1.1，0.3）。 问题分析 该问题属于动力学中的模态分析问题。在分析过程分别用直线段和样条曲线描述机翼的横截面形状，选择PLANE42和SOLID45单元进行求解。 求解步骤： 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 Title 2.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>Preferences. 4.单击Structure选项使之为ON，单击OK。主要为其命名的作用。 第2 步：定义单元类型 1.选取菜单途径:Main Menu>Preprocessor>Elemen t 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ANSYS高速旋转轮盘模态分析全面讲解
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