ANSYS模态分析教程及实例讲解.ppt

第三讲模态分析,在开始ANSYS分析之前，您需要作一些决定，诸如分析类型及所要创建模型的类型。 标题如下： A. 哪一种分析类型？ B. 模拟什么？ C. 采用哪一种单元类型？,准备工作 哪种分析类型？,分析类型通常遵循以下原则： 结构分析 实体的运动、压力、接触 热分析 热、高温及温度变化。 电磁场分析 装置承受电流（交流或直流）、电磁波、电压或电荷激励 流体分析： 气体或液体的运动，或包容的气体/流体 耦合场： 上述分析的任意组合 在这里，我们将集中讨论结构分析。,准备工作 哪种分析类型？,当您选择了结构分析，接下来的问题是： 静力还是动力分析？ 线性还是非线性分析？ 要回答这些问题，先要知道物体承受什么样的激励（载荷），因为下述三种类型的力决定了它的响应 静力（刚度） 惯性力（质量） 阻尼力,准备工作 哪种分析类型？,静力与动力分析的区别 静力分析假定只有刚度力是重要的。 动力分析考虑所有三种类型的力。,例如：考虑跳水板的分析 如果潜水者静止地站在跳水板上，做一个静力分析已经足够了。 但是如果潜水者在跳水板上下跳动，必须进行动力分析,准备工作 哪种分析类型？,如果施加的荷载随时间快速变化，则惯性力和阻尼力通常是重要的 因此可以通过载荷是否是时间相关来选择是静力还是动力分析 如果在相对较长的时间内载荷是一个常数，请选择静态分析。 否则，选择动态分析 总之，如果激励频率小于结构最低阶固有频率的1/3，则可以进行静力分析。,准备工作 哪种分析类型？,线性与非线性分析的区别 线性分析假设忽略荷载对结构刚度变化的影响。典型的特征是： 小变形 弹性范围内的应变和应力 没有诸如两物体接触或分离时的刚度突变。,准备工作 A. 哪种分析类型？,如果加载引起结构刚度的显著变化，必须进行非线性分析。引起结构刚度显著变化的典型因素有： 应变超过弹性范围（塑性） 大变形，例如承载的鱼竿 两体之间的接触,内容简介,ANSYS模态分析功能介绍,模态分析实例操作演示,模态分析的背景简介,学习要点,频率分析的相关知识,什么是振动 固有频率 固有振动模态 共振,频率分析的相关知识,什么是振动？ 钟摆和秋千的摆动，是我们身边最典型的振动现象。 乐器的弦振动而发出声音。 小提琴用弓拉弦，吉他用手指或拨片拨弦，在钢琴上敲击琴键则小锤打击琴弦而使琴弦振动起来。 洗衣机在脱水时也会突突突地产生很大的振动现象。 按摩机是机械的振动，地震则是大地的振动。 如果在不平整的地上或公路上开车的话，也会感到让人心情变坏的烦人的振动。,为便于理解振动现象，我们从了解固有频率（固有周期），固有模态，共振等表示振动特有现象的术语开始,频率分析的相关知识,固有频率（以钟摆为例） 摆动钟摆，则钟摆以一定的周期和一定的频率有规律地振动起来了。 振动的幅度（振幅）大也好小也好，周期和频率总是一定的。 振动频率：是单位时间里摆动的次数。 1秒钟内的次数用Hz（赫兹）来表示。 周期：摆动1次所需要的时间。 钟摆的形状（长度）决定了其固有的数值。 钟摆越长周期越长，钟摆越短周期越短。,振幅：大 振幅：小,频率分析的相关知识,固有频率（以钟摆为例） 钟摆的振动所经过的时间越来越小，最后停了下来。 这是因为空气的阻碍、磨擦的阻碍等的阻力妨碍了钟摆的摆动（振动）。 因为这样的阻力作用使振动衰减的力而起作用，被称为衰减力。 钟摆在没有外部而来的强迫它摆动的力（重力除外）作用下的振动称为自由振动。 与此相对应，地震和汽车因为地基能、发动机等的强迫力作用下的振动称为强迫振动。,任何结构都具有其固有频率（固有周期），其值由其本身的结构所决定 自由振动是一种无衰减力的振动状态，它将永远不停地振动下去。,频率分析的相关知识,静力分析中，节点位移是主要的未知量。Kd=F中K为刚度矩阵，d为节点位移的未知量，而F为节点载荷的已知量。 在动力学分析中，增加阻尼矩阵C和质量矩阵M 上式为典型的在有阻尼的交迫振动方程。当缺少阻尼及外力时，该缺少阻尼及外力时（自由振动），该方程式简化为,频率分析的相关知识,固有振动模态（以弦的振动为例） 两端被固定住的弦，以手指弹一下张紧的弦，弦则振动起来，振动在空气中传播发出声音。弦以下图所示的各个振动形式所对应的状态，振动起来。这种振动形式称为弦的固有模态。,频率分析的相关知识,固有振动模态（以弦的振动为例） 固有模态和固有频率是一一对应的。对于1阶固有模态，就有以1阶固有频率振动的振动形式，对于2阶固有模态则有2阶频率振动的振动形式。 象这样所定的频率和振动模态组合起来则存在着1阶、2阶、3阶等多个振动形式。,要点：振动的形式（振形）称为振动模态。 一般从低频开始，称为1阶、2阶、3阶固有频率，并且具 有与各个固有频率对应的振动模态。,频率分析的相关知识,共振（以荡秋千为例） 荡得好的人荡几下马上就能荡得很高 这是因为与秋千摆动的节拍和时间配合起来的原因。 换句话说，与秋千的固有频率（固有周期）相配合，这种状况，称为共振。 共振，对于机械和结构一般是应该要避免的一种现象。,要点：振动外力的周期和结构固有周期一致或接近则要发生共振。 共振因为会使振动变得越来越强，一般应该避免。,频率分析的相关知识,设计就要避免出现共振现象 洗衣机脱水结束，马达的转速低下来时，停止前发出突突的响声并晃动起来。 这是洗衣机的固有频率和马达的转速一致时产生的共振现象。 要把脱水时马达的转速设计成洗衣机的1阶固有频率以上。从而，在脱水过程中不会产生共振现象。 洗衣机的马达的转速直到停止前与它的固有频率相一致，产生共振，发出突突声音。此后，因为很短时间即停止，洗衣机不会损坏。,频率分析的相关知识,设计就要避免出现共振现象,共振产生时的条件有以下两条： 激振力的周期（频率）和物体的固有周期（固有频率）相一致或接近 激振力的持续时间长到使物体振动以充分发展的时间,频率分析的相关知识,频率分析就是计算结构的共振频率及对应振动模态，不计算位移和应力 固有频率：结构趋向于振荡的频率，固有的振动频率。 基本频率：最低的固有频率 固有振动模态：特定的固有频率对应唯一的振动形式。 每种模态对应着特定的固有频率,频率分析的相关知识,设计产品时，应保证产品的固有频率不与激励频率相吻合。一般可将其固有频率设计成远离激振频率1020以上。 为了改变结构的固有频率在危险范围外，可通过改变产品的几何结构、材料、避震特性或在适当的地方添加质量单元。 对于结构的固有频率，如果结构变刚，则频率高，如果变柔，则频率低。 另外，振动部件的重量重，则频率变低，重量轻，频率变高。 结构要变刚，即提高结构的刚性，可以加厚构件，可以加入补强材。 结构要变柔，也即进行结构变刚那样反过来设计，则可以用弹簧来支承。对于汽车或电车之类的乘用车的车轮使用了弹簧。,模态分析的定义,模态分析可以确定一个结构的固有频率和振型，固有频率和振型是承受动态载荷结构设计中的重要参数。 如果要进行模态叠加法谐响应分析或瞬态动力学分析，固有频率和振型也是必要的。 所有动力学分析的基础。,模态分析的优点,模态分析的用途： 使结构设计避免共振或以特定频率进行振动（例如桥梁设计）； 使工程师可以认识到结构对于不同类型的动力载荷是如何响应的； 有助于在其它动力分析中估算求解控制参数（如时间步长）。 建议：由于结构的振动特性决定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。,模态分析的理论基础,通用动力学方程： 假定为自由振动（忽略阻尼）： 假定为谐运动： 这个方程的根是 i， 即特征值， i 的范围从1到自由度的数目， 相应的向量是 uI， 即特征向量。,模态分析假定结构是线性的(如, M和K保持为常数) 简谐运动方程u = u0cos(wt), 其中 w 为自振圆周频率(rad/s),注意:,模态分析的理论基础,特征值的平方根是 wi ， 它是结构的自然圆周频率（弧度/秒），并可得出自然频率 fi = wi /2p。 特征向量 ui 表示振型， 即假定结构以频率 fi振动时的形状。 模态提取 是用来描述特征值和特征向量计算的术语。,模态分析的用途,有预应力的结构进行模态分析。例如旋转的涡轮叶片。 循环对称结构模态分析。允许对循环对称结构的一部分进行建模，而分析产生整个结构的振型。 ANSYS的模态分析都是线性分析。 ANSYS中的模态提取方法： Block Lanzos（默认）、子空间、PowerDynamics、缩减法、非对称法、阻尼法和QR 阻尼法。后两种允许结构中包含阻尼。,模态分析的步骤,建立几何模型（Preprocessor） 划分网格（Mesh Tool） 加载和求解（Solution） 扩展模态（Mode Expansion） 查看结果和后处理（Postprocessor）,建立模型,定义工作文件名（Change Jobname） Utility Menu File Change Jobname 指定分析标题（Change Title） Utility Menu File Change Title 前处理器/PREP7，Main Menu Preprocessor 选择单元类型 设置单元实常数 定义材料属性 创建几何模型,Change Jobname ,Enter new jobname：输入文件名 New log and error files？复选框打上钩,Change Title ,在工作区右下角显示标题 不能输入中文 Utility Menu Plot Replot,设置单元类型,1,3,设置单元选项,注意：不是所有的单元都能设置单元选项！,定义单元的实常数,定义材料属性,加载及求解,进入ANSYS求解器/SOLU Main Menu Solution 指定分析类型和分析选项 定义主自由度 仅适用于Reduced模态提取法 在模型上施加载荷 指定载荷步选项 开始求解计算 退出SOLUTION Main Menu Finish,建模注意事项,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，则作为线性处理。 例如，包含接触单元，系统取其初始状态的刚度值并且不再改变。 必须指定杨氏模量EX和密度DENS，材料性质可以是线性、各向同性和不随温度变化的。非线性的特性将被忽略。,模态分析的选项,下面将详细介绍各个选项的使用！,选择新的分析,模态提取方法,除Reduced方法外，所有的模态提取方法都要设置阶数。,分块Lanczos方法,默认方法，适用于大多数场合； 是一种功能强大的方法，当提取中型到大型模型（50000 100000 个自由度）的大量振型时（40），这种方法很有效； 经常应用在具有实体单元或壳单元的模型中； 在具有或没有初始截断点时同样有效。（允许提取高于某个给定频率的振型）； 可以很好地处理刚体振型； 需要较高的内存。,子空间方法,比较适合于提取类似中型到大型模型的较少的振型 （40）； 需要相对较少的内存； 实体单元和壳单元应当具有较好的单元形状； 在具有刚体振型时可能会出现不收敛的问题； 建议在具有约束方程时不要用此方法。,PowerDynamics方法,PowerDynamics 法适用于提取很大的模型（100000个自由度以上）的较少振型（ 20）。这种方法明显比 Block Lanczos 法或子空间法快，但是： 需要很大的内存； 当单元形状不好或出现病态矩阵时，用这种方法可能不收敛； 建议只将这种方法作为对大模型的一种备用方法。,缩减法,它是所有方法中最快的； 需要较少的内存和硬盘空间； 使用矩阵缩减法，即选择一组主自由度来减小K 和M 的大小； 缩减的刚度矩阵K 是精确的，但缩减的质量矩阵 M是近似的，近似程度取决于主自由度的数目和位置； 在结构抵抗弯曲能力较弱时不推荐使用此方法，如细长的梁和薄壳。,非对称法,适用于刚度和质量矩阵为非对称阵的问题，比如声学中流体和结构耦合作用问题。此方法可能会遗漏一些高频端模态。,阻尼法、QR 阻尼法,适用于阻尼不能被忽略的情况，例如轴承问题、转子动力学问题。 QR 阻尼法比阻尼法要快，而且更有效率。它可以很好地求解大阻尼系统的模态，阻尼类型可以任意，无论是比例阻尼还是非比例阻尼。该方法的计算精度取决于提取的模态数，因此建议提取足够多的模态，特别是阻尼较大的情况更应该如此。,指定提取模态数,除缩减法外，所有模态提取方法都要填写此项。 在非对称法和阻尼法中，要求计算出比所需更多的模态来，这样减小了丢失模态的可能性，但是导致了更多的求解时间。,其他选项,建议：一般的模态分析问题选择Block Lanczos方法后设定提取模态的阶数和扩展模态的阶数，不要修改其他设置。,模态扩展数,在缩减法、阻尼法、非对称法中，必须设置模态扩展数。 如果还希望查看除了变形以外单元求解的其他结果，不管选择了什么模态提取方法，都需要打开“Calculate elem results”选项。 如果想为分块Lanczos方法或子空间法提供标准化的模态形状，也需要模态扩展。,集中质量矩阵,这个选项根据单元类型指定默认的集中质量矩阵的近似方式，建议使用默认值。然而，在一些框架结构中，比如细梁、非常薄的壳或者薄膜问题中，采用集中质量矩阵将获得更好的计算结果，并且使用集中质量的近似可以加快计算速度，减少内存占有量。,预应力效应,默认情况下，ANSYS模态分析不包含预应力，结构在无初始应力的情况下进行模态分析。 考虑预应力效应时，单元文件中必须包括了已进行的静力分析或瞬态分析的结果；质量矩阵形式必须和之前的分析一致。,其他模态分析选项,缩减法上一步设置后的弹出对话框：,起止频率,振型归一化处理选项,定义主自由度,仅对Reduced模态提取法有效。 主自由度Master degrees of freedom：指反映结构动力行为特点的重要自由度。,选择主自由度的基本原则,MDOF的个数必须是想得到的模态数的2倍以上。 把预计结构或部件要振动的方向选为主自由度。 在有相对较大质量、转动惯量加相对较低刚度的位置选择主自由度。 如果最关心弯曲模态，可以忽略转动和拉伸自由度。 在施加力或者非零位移的位置选择主自由度。 对于对称结构的壳模型，选择模型中的平行或接近平行于中心线部分的所有节点的全局UX自由度为主自由度。,施加载荷,模态分析中唯一有效的“载荷”是零位移约束。 如果施加Force/Moment/Pressure等载荷，将被忽略。,使用全模型进行模态分析,对称边界条件只产生对称的振型，所以将会丢失一些振型。,开始求解,Main Menu Solution Solve Current LS 使用阻尼方法， 特征值和特征 向量都是复数 解。,求解状态,加载步选项阻尼选项,质量阻尼,刚度阻尼,材料阻尼比,输出,固有频率文件：Jobname.OUT 固有振型文件：Jobname.MODE 如果使用了阻尼法，特征值和特征向量都是复数。特征值的虚部代表了特征频率，实部代表系统稳定性的量度。正值表示稳定。 要进行后处理，还需要对模态进行扩展。 模态扩展就是将振型写入结果文件。,扩展模态的步骤,进入求解器 Main Menu Solution 激活扩展处理及相关选项 指定载荷步选项 开始扩展处理 重复24步 退出求解器 Main Menu Finish,注意：软件默认是不进行模态扩展。,激活扩展模态,扩展模块的选项,指定要扩展的模态数,或指定一个频率范围,相对应力计算开关,打印输出选项,把结果数据（振型、应力、力等）包含到Jobname.OUT中。,数据库和结果文件输出选项,控制Jobname.rst文件中的数据。,选择None或者Every substep,开始模态扩展计算,Solution Solve Current LS 这里将模态扩展作为单独一个求解步进行计算，然而，如果在模态提取选项中选择了模态扩展选项的话，ANSYS将在模态提取时，不仅求出特征值和特征向量，还会同时求解扩展指定的振型。 如果还要扩展更多模态，重复前面步骤。,查看结果和后处理,读入载荷步数据 Main Menu General Postproc Read Results 列出所有固有频率 Main Menu General Postproc List Results 动画显示振动模态 Utility Menu PlotCtrls Animate Mode Shape 列出主自由度 Main Menu General Postproc List Other Master DOF At Picked Nodes,固有频率示例,振动模态示例,关于相同固有频率的解释,相对变形、应力示例,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? 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。 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。 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。,预应力的处理,在静态分析中给模型施加预应力，选择分析类型和选项： 必须激活预应力选项。 载荷：施加引起预应力的载荷。,什么是CMS？,模态综合法（Component Mode Synthesis）是一种缩减自由度方法。可以将大模型分割成小模型进行模态分析，然后再进行模态综合。 CMS的优点： 基于子结构技术，可以计算超大模型，计算精度高； 可以节省大量的计算时间和计算机资源，提高效率； 可以灵活修改大系统的子系统设计。修改了子系统的结构后，只需要计算修改的子系统，然后重新集合各个子系统。而无需对整体结构重新全部计算，减少计算时间。,CMS Wizard,模态综合法的向导界面 Main Menu Solution SE Management (CMS) Generation Pass,