3-高级模态分析[教资优择]

1、Training Manual Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 预应力模态分析定义 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. Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 主要步骤: 建立模型 有预应力

2、的静力分析 作有预应力的模态分析 建立模型: 与通常的标准模态分析考虑事项相同. 需要指定有正确单位的密度. Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 建模 Solution Unabridged Menu Solution Analysis Type Analysis Options 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 后处理： 观察结果， 确认已经施加了合适的 载荷。 Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11

3、.0DYNAMICS 11.0 Element Plot - Static Analysis of Prestressed Modal Stress Plot - Static Analysis of Prestressed Modal Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 建立模型 有预应力静态分析 除了在分析选项中必须激活预 应力效果选项外，其它步骤与 普通模态分析的步骤一样。 Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 预应力板预应力板没有预应力没

4、有预应力 对比: Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 建立模型 有预应力的静力分析 考虑预应力的模态分析 Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 利用循环对称的模态分析； 可以只模拟结构的一个扇形区，然后观察 整个结构的振型。 节省了建模时间 不需要模拟整个结构。 节省了计算时间和硬盘空间只需要较少的 单元和自由度。 应用： 可用于任何具有循环对称的结构：如涡轮、 叶轮。 Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS

5、11.0DYNAMICS 11.0 六个主要步骤： 基本扇区的建模 确定循环对称平面 在两个扇区上施加边界条件 指定分析类型和选项 用CYCSOL命令求解 将求解结果扩展到360，对结果进 行评价 Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 基本扇区 必须在全局柱坐标系中： X为径向，Y 沿着 向， Z 为轴向 循环对称面 （或边）： 必须要有相匹配的节点分布， 可以通过规定线的分布来保 证这一点 可以是曲线的 只要360/是整数，扇区角 可以是任何值 . Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMI

6、CS 11.0DYNAMICS 11.0 确定循环对称面: 自动过程: 执行CYCLIC命令来探测: 扇区的数目 扇区的角度 循环坐标系 循环边界 手工过程: 选择沿最低角度 的节点. 创建节点组元: Utility Menu Select Comp/Assembly Create Component 选择沿最高角度 的节点. 创建节点组元: Utility Menu Select Comp/Assembly Create Component 执行 CYCLIC 命令 Components:DISC_M01L DISC_M01H Training Manual DYNAMICS 11.0DYN

7、AMICS 11.0DYNAMICS 11.0 施加边界条件： 主要是位移约束； 仅在各节点上施加约束 （因为第二个扇区只包括 节点和单元）； 根据位置选择节点，而不 是根据编号； 不需要施加对称边界条件 （除非是进行静态分析以 施加预应力）。 Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 指定分析类型 分析类型 模态 选项 Block Lanczos 方法是 推荐的 提取模态阶数 (NMODE) 是每个节径 上 扩展所提取的模态. Main Menu Solution Analysis Type New Analysis Tr

8、aining Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 指定循环对称分析选项并利用SOLVE命令: 执行 CYCOPT,hindex命令去指定求解哪个谐波指数. 缺省是求解所有可用的谐波指数 （harmonic indices）. 菜单操作: Solution Solve Current LS Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 节径 振动中位移为零的线 提供了从基本扇区计算整个模型模态振型的关系 一条节径通常在周向引起一个振动波，即一条横穿零位 移平面的线，两条节径

9、引起的两个振动波，如此类推； 每条节径有许多振型，应当注意一条给定节径的高阶振 型可能在周向出现更多的振动波。 Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 一条节径 注意，下面的位移UZ等值线图中有一条零位移的 径向线，右图表示的是振型的侧视图。 Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 两条节径 Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 三条节径 Training Manual DYNA

10、MICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 四条节径 Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 零节径 （轴对称模型） Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 对每个谐波指数，指定提取振型的阶数； 可以指定提取振型的谐波指数； 最小谐波指数是0 ( “breathing mode”). 若扇区数是偶数，则最大谐波指数 (NSECTOR/2)；若扇区角是奇数，则最大谐波 指数 (NSECTOR-1)/2 Training Man

11、ual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 谐波指数k 与含有N个扇区模型的节径数 d 之间 的关系式是: The following table shows how the harmonic index, nodal diameter and number of sectors relate to one another: ,.,3, 2, 1 , 0mwhere kNmd Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 说明为了扩展至 360所需的扇区数量： 输入命令 EXPAND，

12、n ，其中n是扇区数量； 在读入结果时，实际扩展即已完成。 使用SET命令或菜单中的 “By Load Step”，可以读 入所需振型。 Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 Harmonic index 0, modes 1- 5 Harmonic index 1, modes 1- 5 Harmonic index 2, modes 1- 5 Harmonic index 3, modes 1- 5 Harmonic index 4, modes 1- 5 列出频率： General Postproc Results

13、 Summary 每一条节径都作为一个单独的载荷步进行保存 Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 执行命令 /CYCEXPAND,ON. ( General Postproc Cyclic Analysis Cyc Expansion ) 扩展至 360所需的结果 使用SET命令或菜单中的 “By Load Step”，可以读入所需 振型。 Harmonic index. LSTEP=1 means harmonic index 0 in this case. Mode number Training Manual DY

14、NAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 动画显示振型及频率结果 PlotCtrls Animate Mode Shape. Harmonic Index 0 Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 Harmonic Index 1 Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 Harmonic Index 2 Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 H

15、armonic Index 3 Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 Harmonic Index 4 Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 对比循环分析与全分析 频率吻合较好. 对于每个谐波指数，低阶模态 是Notice that the lower modes are the first few modes for each harmonic index. 538个单元和 1790激活自由度 vs. 2690单元和 17900 激活自由 度.

16、对称模型的CPU运行时间少于 全模型分析的一半. 结果文件大小对比: 1.34 MB vs. 4.16 MB. 36 Symmetry ModelFull 360 Model Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 大变形模态分析? 经历了大变形后的结构模态分析. 应用 当在相对细薄的气轮机叶片上作用压力或旋转载荷时，此载荷易当在相对细薄的气轮机叶片上作用压力或旋转载荷时，此载荷易 于使影响自然频率的螺旋桨松开于使影响自然频率的螺旋桨松开. . 海平面下安装的管道由于接触海底导致频率的改变海平面下安装的管道由于接触海底导致

17、频率的改变. . 压力载荷下的薄膜分析压力载荷下的薄膜分析. . Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 大变形模态分析与预应力模态分析区别? 预应力模态分析假定应会影响模态，但变形是小的 也就是几何没有变化 . 大变形模态分析假定发生了较大的变形，需更新几 何，从而这种更新的几何位形会影响结构的模态. 接触和大变形接触和大变形 Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 主要步骤: 建立模型 进行大变形静力分析 更新几何位形 利用部分求解命令，进行模态分

18、析 查看结果 建立模型: 与通常的标准模态分析考虑事项相同. 需要指定有正确单位的密度. Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 建模建模 进行静力分析 分析类型 确定激活预应力与大变 形开关 载荷 施加静力载荷 求解 Solution Unabridged Menu Solution Analysis Type Analysis Options Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 更新位形 从静力分析向原有的几何位置增加位移. 新的模态分析会在此

19、更新的几何位置上进行. Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 设置分析类型和选项 利用部分求解功能求解 分析类型和选项 矩阵三角化 ( PSOLVE,TRIANG) 计算特征值 ( PSOLVE,EIGLANB) 扩展模态 ( PSOLVE,EIGEXP) Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 分析类型和选项 设置求解类型：模态 模态提取方法 ( Block Lanczos) 选择模态提取阶数 Training Manual DYNAMICS 11

20、.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 矩阵三角化(PSOLVE,TRIANG) Solution Solve Partial Solu Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 计算特征值 (PSOLVE,EIGLANB) Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 扩展模态 这作为一个独立的阶段 打开扩展开关 Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 扩展模态 (接上

21、页) 选择要扩展的模态阶数 Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 此时，用户可以得到模态分析的标准的结果文件此时，用户可以得到模态分析的标准的结果文件 扩展模态 (接上页) 进行部分求解扩展模态 Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 模态模态4, 频率频率= 585.631 Hz 模态模态 2, 频率频率 = 151.584 Hz 模态模态6 , 频率频率=881.08 Hz Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMIC

22、S 11.0DYNAMICS 11.0 大变形模态分析 模态都是基于变形后的几何体. 注意，在模态分析阶段非线性因素被忽略，接触 单元保持它们的初始接触状态不变. 接触单元的滑移运动是否允许依赖于设置的摩擦 系数值. 选择粗糙接触，可避免滑移. Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 组元模态合成? 子结构分析类型基于各自的独立部件进行模态分析. 合成要确保组元能作为一个整体工作，要满足内部组 元协调性及平衡约束. 在交界面节点要求主自由度. Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11

23、.0DYNAMICS 11.0 应用 可精确解决大模型的问题. 组元分析可并行运算. 单一组元的变化只需要它在generation pass和use pass 被重新求解. 利用重复、对称结构的优点. 可以建立组元库，并用来组合不同的组合体 在不同的组元上不同的设计可独立进行. Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 两种方法 固定界面与自由界面 固定界面法计算组元的振动基于一个固定的界面 CMSOPT,FIX, 自由界面法计算组元的振动基于一个没有约束的界面 CMSOPT,FREE, 下面讨论固定界面法. Trainin

24、g Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 组元模态合成方法用主自由度集um和一 系列模态系数yd d.取代全模型自由度u. 转换如下所示 m 表示主自由度或边界自由度表示主自由度或边界自由度 s 表示从自由度或内部自由度表示从自由度或内部自由度 T 为变换矩阵为变换矩阵 dy u T u u m s m Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 内部自由度内部自由度, us 边界自由度边界自由度, um CMS Component 组件装配组件装配 Training M

25、anual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 (约束模态约束模态) (固定模态固定模态) CMS 转换矩阵转换矩阵 固定模态法固定模态法 约束模态是在单位位移约束模态是在单位位移边界条件边界条件下，在内部节点自由度上所下，在内部节点自由度上所 得到的位移得到的位移. 固定模态是有固定边界组元的模态固定模态是有固定边界组元的模态 s sm G I T 0 1 smsssm KKG s Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 CMS假定内部自由度由约束模态和固定模态的 集合近似.对

26、于一个特定模态 Us = um c + yd d s 约束模态约束模态 c, 和固定模态和固定模态 s 在在generation pass进行；进行； um 和和yd d 在在use pass计算；计算； Us在扩展阶段计算在扩展阶段计算. Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 1.Couple superelements 2. Modal analysis SubStructure 1 1. Assemble the M, K 2. Static reduction 3. Modal analysis Superele

27、ment 1 Transfer back to physical coordinate of substructure 1 Transfer back to physical coordinate of substructure 2 USE Pass (Step 4) Generation Pass (Step 3) Expansion Pass (Step 5) Partition Model (Steps 1 &2) Transfer back to physical coordinate of substructure N SubStructure 2 1. Assemble the M

28、, K 2. Static reduction 3. Modal analysis Superelement 2 SubStructure N 1. Assemble the M, K 2. Static reduction 3. Modal analysis Superelement N . . . Assembled Results Display (Step 6) Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 六个步骤: 建立模型. 定义单元组元和节点界面组元 在选择的单元集上生成操作. 在组合体上进行使用操作. 扩展组元

29、子结构结果. 读取组元结果到后处理器中. Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 建立模型 可用自下而上或自上而下方法. 自上而下方法，组元从整个数据库中选择 自下而上方法，每个组元都会创建一个数据库 将模型分成多个组元. 如果组元没有共用节点，则他们的交界面需要协调， 才能在use pass 中耦合起来. Fuselage Right Wing Left Wing Vertical Tail Horizontal Tail Example Model Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMI

30、CS 11.0DYNAMICS 11.0 为了便于在GUI中运用和识别单元和节点，需要生成单 元和节点组集 定义单元组元和组元界面之间的节点组元 组元管理向导可以使用 Utility Menu: Select: Component Manager Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 在选择的单元集上进行生成操作. 求解细节 子结构的Block Lanczos 特征值求解 静态的数值缩减 (Guyan Reduction). 生成以后要用的文件 For USE pass: _.sub For EXPANSION pass

31、: _.cms, _.emat, _.db, 用户操作 命名超单元矩阵文件 SEOPT 命令 指定 CMS 法 CMSOPT 命令 定义 CMS 法: 固定或自由 指定模态数和频率范围 指定刚体模态数 (仅对自由法有效.) 定义界面自由度. M 命令 保存数据库. Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 在选择的单元集上进行生成. 利用超单元管理器去自动化这个过程 Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 在选择的单元集上进行生成. 超单元管理器管理所有

32、的文件处理细节 Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 步骤4. Run a modal use pass of the assembled substructure. 求解细节 整个模型的频率以及界面自由度的模态形状 (_.dsub) 用户操作 读取超单元 SE 命令 如果不共享界面节点，则连接他们 CPINTF 命令 充分利用重复/对称的几何特性 SESYMM 或 SETRAN 命令 Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 步骤5. 扩展组件子结构

33、的结果. 求解细节 对每一个组件的所有自由度的结果 (_.rst) 用户操作 声明 expansion pass EXPASS 命令 给 use pass .dsub 文件和 generation pass .sub 文件命名 SEEXP 命令 指定要扩展的模态数目 NUMEXP 命令 Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 读取组元结果到后处理器中. 求解细节 为整个模型组合数据结果. 用户操作 清除数据库. 后处理是完全从组件结果文件中进行的. 指定组件结果文件的名字 (_.rst) 来被读入CMSFILE 命令 存储

34、结果，进行常规的后处理操作 SET 命令步骤6. 将组件结果 读入后处理器. Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 将组元结果读入后处理器中. 每阶模态组元结果可以组合以产生整个模态的显示. 结果会与完全分析结果相殊一致. Single modal analysis of the full model Assembled CMS solution Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 SOLID95 SOLID92 model courtesy o

35、f PADT Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 part 1 part 6 part 4 part 2 part 3 part 5 Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 336 nodes x 2 2244 Interface nodes 648 Nodes 462 nodes x 2 Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 Training Manual DYNAMICS

36、 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 INDEX OF DATA SETS ON RESULT FILE SET TIME/FREQ 1 0.0000 2 0.0000 3 0.16218E-02 4 0.40648E-02 5 0.72312E-02 6 0.10677E-01 7 427.85 8 432.85 9 453.58 10 454.

37、25 11 485.00 12 673.07 13 683.99 14 1347.6 15 2337.0 INDEX OF DATA SETS ON RESULTS FILE SET TIME/FREQ 1 0.0000 2 0.0000 3 0.0000 4 0.18403E-02 5 0.38434E-02 6 0.48260E-02 7 427.85 8 432.85 9 453.58 10 454.25 11 485.00 12 673.06 13 683.98 14 1347.5 15 2337.0 Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0

38、DYNAMICS 11.0 CMS Solution Times on 2.8 Ghz PC Six Generation Passes - 3100 cp-secs/4320 wall-secs Use Pass 330 cp-secs/ 600 wall-secs Six Expansion Passes 320 cp-secs/ 510 wall-secs Total 3750 cp-secs/5430 wall-secs Full Model Solution Time on 2.8 Ghz PC Single pass modal 2100 cp-secs/5700 wall-sec

39、s Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 创建整个模型的网格，指定材料属性包括密 度 为每个零件创建单元组件 为每一对零件的界面节点创建节点组 这些组在随后的操作中可以用来简化选择过 程 Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 resume,rocket,db ! Database of full model /filnam,part1 ! Name files for part 1 /solu antype,substr ! CMS generat

40、ion pass seopt,part1,2 ! Stiffness and mass matrices cmsopt,fix,15 ! 15 modes by fixed interface cmsel,s,part1 ! Pre-defined element component cmsel,s,interface1 ! Pre-defined node component m,all,all ! Make interface DOF master DOF nsle,s ! Select nodes by selected elems solve ! Generation save ! S

41、ave part database Finish ! Repeat for parts 2 through 6 Training Manual DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0 /clear,nostart ! Clear database /filname,use ! Name use pass files /prep7 ! Enter preprocessor to read superelems et,1,matrix50 ! Define superelement type se,part1 ! Read superelements (partx.sub) se,part2 se,part3 se,par