ansys有限元模态分析详解.ppt
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1、ANSYS80ANSYS80模态分析模态分析段志东制作段志东制作培训手册1-2模态分析模态分析模态分析定义和目的模态分析定义和目的B. 讨论相关的概念、术语及模态提取方法讨论相关的概念、术语及模态提取方法C. 学习怎样在学习怎样在ANSYS中做模态分析中做模态分析一到两个模态分析习题一到两个模态分析习题模态分析高级主题模态分析高级主题ANSYS80ANSYS80模态分析模态分析段志东制作段志东制作培训手册1-3模态分析模态分析A. 定义和目的定义和目的什么是模态分析?什么是模态分析?模态分析可以用来确定研究对象的振动特性,是其它动力学分析的起点。模态分析可以用来确定研究对象的振动特性,是其它动
2、力学分析的起点。定义结构振动特性的方法:定义结构振动特性的方法:固有频率固有频率模态形式模态形式模态参与因子(在特定方向上某个模态的参与的程度)模态参与因子(在特定方向上某个模态的参与的程度)模态分析是各种动力学分析类型模态分析是各种动力学分析类型最基础最基础的内容。的内容。ANSYS80ANSYS80模态分析模态分析段志东制作段志东制作培训手册1-4模态分析模态分析 定义和目的定义和目的模态分析的优点模态分析的优点使结构设计避免共振或按特定频率进行振动(例如扬声器)使结构设计避免共振或按特定频率进行振动(例如扬声器)使工程师可以认识到对于不同类型的动力载荷结构是如何响应的使工程师可以认识到对
3、于不同类型的动力载荷结构是如何响应的有助于在其它动力分析中估算求解控制参数(如时间步长)有助于在其它动力分析中估算求解控制参数(如时间步长)建议:建议: 由于结构的振动特性决定了结构对于各种动力载荷的响应情况,由于结构的振动特性决定了结构对于各种动力载荷的响应情况, 所以在准备进行其它动力分析之前首先要进行模态分析。所以在准备进行其它动力分析之前首先要进行模态分析。ANSYS80ANSYS80模态分析模态分析段志东制作段志东制作培训手册1-5动力学通用运动方程:动力学通用运动方程:假定为自由振动并忽略阻尼:假定为自由振动并忽略阻尼:假定谐运动假定谐运动 (即:即: )这个方程的根是这个方程的根
4、是 i i , 即特征值,即特征值, i i 的范围从的范围从1 1到自由度的数目,到自由度的数目, 相相应的向量是应的向量是 uuI I, 即特征向量。即特征向量。 0uMK2 0uKuM tFuKuCuM 模态分析模态分析B. 术语与概念术语与概念) tsin(Uu模态分析方程演化模态分析方程演化ANSYS80ANSYS80模态分析模态分析段志东制作段志东制作培训手册1-6模态分析模态分析 术语与概念术语与概念特征值的平方根是特征值的平方根是 i ,它就是结构的自然它就是结构的自然圆频率圆频率(弧度(弧度/秒)。并可得出秒)。并可得出自然频率自然频率 fi = i /2p p(圈圈/ /秒
5、)。秒)。 自然频率自然频率 fi 可以由用户输入和用可以由用户输入和用ANSYS输出。输出。ANSYS输出的是自然频率输出的是自然频率fi ,而不是,而不是圆频率圆频率 i 。特征向量特征向量 uui i 表示振型,表示振型, 即假定结构以频率即假定结构以频率 f fi i振动时的形状振动时的形状ANSYS80ANSYS80模态分析模态分析段志东制作段志东制作培训手册1-7模态分析模态分析 术语与概念(接上页)术语与概念(接上页)模态提取模态提取 是用来描述特征值和特征向量计算的术语。是用来描述特征值和特征向量计算的术语。模态扩展模态扩展有两重含义。对于缩减法,模态扩展是从缩减模态形式计算全
6、有两重含义。对于缩减法,模态扩展是从缩减模态形式计算全模态形式;对于其它的方法,模态扩展仅仅是表示把模态形式写入结果模态形式;对于其它的方法,模态扩展仅仅是表示把模态形式写入结果文件。文件。ANSYS80ANSYS80模态分析模态分析段志东制作段志东制作培训手册1-8模态分析模态分析 术语和概念术语和概念模态提取法模态提取法在在ANSYS中有以下几种模态提取方法:中有以下几种模态提取方法:分块分块Lanczos 法法(缺省)(缺省)子空间法子空间法PowerDynamics法法缩减法缩减法非对称法非对称法阻尼法阻尼法(full)QR 阻尼法阻尼法使用何种模态提取方法主要取决于模型大小(相对于计
7、算机的计算能使用何种模态提取方法主要取决于模型大小(相对于计算机的计算能力而言)和具体的应用场合力而言)和具体的应用场合ANSYS80ANSYS80模态分析模态分析段志东制作段志东制作培训手册1-9模态分析模态分析 术语和概念术语和概念 模态提取法模态提取法 - 分块分块Lanczos 法法 分块分块Lanczos 法可以在大多数应用场合下使用。法可以在大多数应用场合下使用。用于大型对称特征值问题,采用稀疏矩阵求解器用于大型对称特征值问题,采用稀疏矩阵求解器 当需提取很多阶振型时(当需提取很多阶振型时(40+40+),这种方法很有效),这种方法很有效经常应用在具有实体单元经常应用在具有实体单元
8、/壳单元壳单元/梁单元等复杂模型中梁单元等复杂模型中是在一个频率范围内模态的有效提取法是在一个频率范围内模态的有效提取法可以有效处理可以有效处理约束方程约束方程很好地处理很好地处理刚体模态刚体模态ANSYS80ANSYS80模态分析模态分析段志东制作段志东制作培训手册1-10模态分析模态分析 术语和概念术语和概念 模态提取法模态提取法 子空间法子空间法子空间法比较适合于提取中大模型中的较少模态(子空间法比较适合于提取中大模型中的较少模态(40)需要相对较少的内存,较大的磁盘空间需要相对较少的内存,较大的磁盘空间在具有刚体模态时可能会有收敛问题在具有刚体模态时可能会有收敛问题建议在具有约束方程时
9、不要用此法建议在具有约束方程时不要用此法通常被分块通常被分块Lanczos 法取代法取代用于大型对称特征值问题用于大型对称特征值问题ANSYS80ANSYS80模态分析模态分析段志东制作段志东制作培训手册1-11模态分析模态分析 术语和概念术语和概念 模态提取法模态提取法 PowerDynamics法法PowerDynamicsPowerDynamics 法适用于提取很大的模型(法适用于提取很大的模型(100100,000000个自由度以上)的个自由度以上)的较少振型较少振型( 20 Plot Results General Postproc Plot Results Deformed Sha
10、peDeformed Shape注意图例中给出了模态序号注意图例中给出了模态序号 (SUB = SUB = ) 和频率和频率 (FREQ = FREQ = )ANSYS80ANSYS80模态分析模态分析段志东制作段志东制作培训手册1-36模态分析步骤模态分析步骤 观察结果观察结果观察模态形状(接上页):观察模态形状(接上页):可以用动画模拟模态形状:可以用动画模拟模态形状: Utility Menu PlotCtrls Animate Mode Shape.ANSYS80ANSYS80模态分析模态分析段志东制作段志东制作培训手册1-37模态分析步骤模态分析步骤 观察结果观察结果参与因子:参与因
11、子:在总体平动和转动方向计算每一个频率及模态形状的参与因子在总体平动和转动方向计算每一个频率及模态形状的参与因子在某个方向上的大值暗示了该模态可能由该方向的力所激发在某个方向上的大值暗示了该模态可能由该方向的力所激发该值是相对于单位位移频谱的该值是相对于单位位移频谱的参与因子值可以通过使用参与因子值可以通过使用*GET命令由一个参数获得命令由一个参数获得同样,输出的(到输出文件)是有效质量。理想状态下,各个方向上有同样,输出的(到输出文件)是有效质量。理想状态下,各个方向上有效质量之和应该等于结构的总质量效质量之和应该等于结构的总质量ANSYS80ANSYS80模态分析模态分析段志东制作段志东
12、制作培训手册1-38模态分析步骤模态分析步骤 观察结果观察结果模态应力:模态应力:如果在选择分析选项时激活了单元应力计算选项,则可以得到模态应力如果在选择分析选项时激活了单元应力计算选项,则可以得到模态应力应力值没有实际意义,但是它们可以反映影响区域应力值没有实际意义,但是它们可以反映影响区域如果振型是相对于单位矩阵归一的,则可以在给定的振型中比较不同点的应力如果振型是相对于单位矩阵归一的,则可以在给定的振型中比较不同点的应力ANSYS80ANSYS80模态分析模态分析段志东制作段志东制作培训手册1-39模态分析步骤模态分析步骤 观察结果观察结果模态形状归一模态形状归一化化ANSYS80ANS
13、YS80模态分析模态分析段志东制作段志东制作培训手册1-40模态分析模态分析步骤步骤 3建模建模3选择分析类型和选项选择分析类型和选项3施加边界条件并求解施加边界条件并求解3观察结果观察结果ANSYS80ANSYS80模态分析模态分析段志东制作段志东制作培训手册1-41D. 实例实例 模态分析模态分析这些实例包括两个问题:这些实例包括两个问题:1.中央开孔板模型的模态分析中央开孔板模型的模态分析: 一步一步地描述了如何进行模态分析一步一步地描述了如何进行模态分析 既可以由学员自己来练习这个问题,也可以由老师把这个问题作为范例来讲既可以由学员自己来练习这个问题,也可以由老师把这个问题作为范例来讲
14、跟着动力学实例附录学习跟着动力学实例附录学习 (带孔平板,带孔平板,w-13).2.对模型飞机几机翼进行模态分析对模型飞机几机翼进行模态分析: 这个问题留给学员做练习这个问题留给学员做练习跟着动力学实例附录学习跟着动力学实例附录学习 (机翼模型,机翼模型,w-18).模态分析实例模态分析实例带带 孔孔 平平 板板ANSYS80ANSYS80模态分析模态分析段志东制作段志东制作培训手册1-43描述描述:确定图示带孔平板前确定图示带孔平板前10阶固有频率。阶固有频率。假设平板在圆孔处有径向约束。平板由铝制成,假设平板在圆孔处有径向约束。平板由铝制成,材料性质如下:材料性质如下: - 杨氏模量杨氏模
15、量 = 10 x 106 psi - 密度密度 = 2.4 x 10-4 lb-sec2/in4 - 泊松比泊松比 = 0.27模态分析实例模态分析实例带带 孔孔 平平 板板ANSYS80ANSYS80模态分析模态分析段志东制作段志东制作培训手册1-44分析步骤指导:分析步骤指导:1.清空数据库,读入清空数据库,读入plate.inp文件文件,以生成一个几何模型及网格以生成一个几何模型及网格 Utility Menu: File Clear & Start New按 OK, 然后选择 YesUtility Menu: File Read Input from 选择 plate.inp2.定义材
16、料性质。定义材料性质。Preprocessor Material Props Material Models双击选择双击选择 结构结构 线性线性 弹性弹性各向同性的各向同性的EX = 10e6(杨氏模量单位为 psi)PRXY = 0.27(泊松比 )OK 结构结构 密度密度DENS = 2.4e-4 (密度单位为密度单位为 lbf-sec2/in4)OK退出材料界面退出材料界面模态分析实例模态分析实例带带 孔孔 平平 板板ANSYS80ANSYS80模态分析模态分析段志东制作段志东制作培训手册1-453.选择模态分析选择模态分析Solution New Analysis选择模态,按OK4.设
17、置分析选项。设置分析选项。Solution Analysis Options选择 Block Lanczos 方法(缺省)提取10阶模态扩展10阶模态 计算单元结果选项 按OK对下一个对话框接受缺省值5. 在孔上加径向约束在孔上加径向约束Utility Menu: Plot LinesSolution -Loads- Apply -Symmetry BC- On Lines +选择孔的周边线并按 OK6. 开始求解开始求解Solution -Solve- Current LS在/stat窗口中检查求解信息,然后按 OK键模态分析实例模态分析实例带带 孔孔 平平 板板ANSYS80ANSYS80
18、模态分析模态分析段志东制作段志东制作培训手册1-467. 查看结果,首先查看频率汇总列表查看结果,首先查看频率汇总列表General Postproc Results Summary8. 绘制第一阶振型绘制第一阶振型General Postproc -Read Results- First SetGeneral Postproc Plot Results Deformed Shape选择选择 “变形和不变形边框变形和不变形边框” ,按,按 OK 键键9. 显示下一阶振型并绘制成动画显示下一阶振型并绘制成动画General Postproc -Read Results- Next SetUtil
19、ity Menu: Plot ReplotUtility Menu: PlotCtrls Animate Mode Shape帧数帧数= 10时间间隔时间间隔 = 0.05(其它的项接收缺省值其它的项接收缺省值)10. 对其他各模态重复上述步骤。对其他各模态重复上述步骤。模态分析实例模态分析实例带带 孔孔 平平 板板MODE 6模态分析实例模态分析实例机机 翼翼 模模 型型ANSYS80ANSYS80模态分析模态分析段志东制作段志东制作培训手册1-48描述描述:确定所示机翼模型的前确定所示机翼模型的前5阶固有频率。阶固有频率。 假定机翼在假定机翼在Z=0处全部固定。机处全部固定。机翼具有如下特
20、性:翼具有如下特性: 杨氏模量杨氏模量 = 38000 psi 密度密度 = 1.033 x 10-3 slugs/in3 = 1.033E-3/12 lb-sec2/in4模态分析实例模态分析实例机机 翼翼 模模 型型ANSYS80ANSYS80模态分析模态分析段志东制作段志东制作培训手册1-49分析步骤指南:分析步骤指南:1. 清空数据库,并读入文件清空数据库,并读入文件wing.inp, 以建立机翼几何模型及网格以建立机翼几何模型及网格2. 定义材料性质。注意使用英制定义材料性质。注意使用英制in-lb-sec单位单位施加边界条件施加边界条件 提示提示: 选择在面上施加位移,选定选择在面
21、上施加位移,选定z=0的区域,固定其的区域,固定其全部自由度全部自由度.4. 采用采用 Block Lanczos 法提取并扩展前法提取并扩展前5阶固有率频阶固有率频.5. 查看所有这些阶的振型。查看所有这些阶的振型。模态分析实例模态分析实例机机 翼翼 模模 型型ANSYS80ANSYS80模态分析模态分析段志东制作段志东制作培训手册1-50模态分析实例模态分析实例 其它范例其它范例ANSYS帮助文件中提供的模态分析范例:帮助文件中提供的模态分析范例: VM45 Natural Frequency of a Spring-Mass System VM47 Torsional Frequency
22、 of a Suspended Disk VM48 Natural Frequency of a Motor-Generator VM50 Fundamental Frequency of a Simply Supported Beam VM57 Torsional Frequencies of a Drill Pipe VM60 Natural Frequency of a Cross-ply Laminated Shell VM61 Longitudinal Vibration of a Free-free Rod VM62 Vibration of a Wedge VM66 Vibrat
23、ion of a Flat Plate VM67 Radial Vibrations of a Circular Ring VM89 Natural Frequencies of a Two-mass-spring System VM151 Nonaxisymmetric Vibration of a Circular Plate模态分析的高级主题模态分析的高级主题ANSYS80ANSYS80模态分析模态分析段志东制作段志东制作培训手册1-52E模态分析模态分析-高级主题高级主题A. A. 有预应力的模态分析有预应力的模态分析B. B. 循环对称的模态分析循环对称的模态分析 C. C. 具有大
24、位移变形结构的模态分析具有大位移变形结构的模态分析D. D. 高级主题范例高级主题范例ANSYS80ANSYS80模态分析模态分析段志东制作段志东制作培训手册1-53A. 有预应力的模态分析有预应力的模态分析什么是有预应力的模态分析?什么是有预应力的模态分析? 为什么要做有预应力的模态分析为什么要做有预应力的模态分析? ?具有预应力结构的模态分析具有预应力结构的模态分析同样的结构在不同的应力状态下表现出不同的动力特性同样的结构在不同的应力状态下表现出不同的动力特性 例如,一根琴弦随着拉力的增加,它的振动频率也随之增大例如,一根琴弦随着拉力的增加,它的振动频率也随之增大 涡轮叶片旋转时,由于离心
25、力引起的预应力的作用,它的自然频率涡轮叶片旋转时,由于离心力引起的预应力的作用,它的自然频率逐渐具有增大的趋势逐渐具有增大的趋势 为了恰当地设计这些结构,必须要做具有预应力和无预应力的模型为了恰当地设计这些结构,必须要做具有预应力和无预应力的模型的模态分析的模态分析ANSYS80ANSYS80模态分析模态分析段志东制作段志东制作培训手册1-54三个主要步骤:三个主要步骤:建模建模通过静态分析获得模型的预应力通过静态分析获得模型的预应力做具有预应力的模态分析做具有预应力的模态分析建模:建模:与普通模态分析要考虑的问题一样与普通模态分析要考虑的问题一样必须定义密度必须定义密度有预应力的模态分析有预
- 配套讲稿:
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