(完整word版)ANSYS动力学分析指南详解

1、ANSYS动力学分析指南第一章模态分析 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勺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。ANSY萨品家族中的模态分析是一个线性分析。任何非线

2、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寸）。而“模态分析实例（

3、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）。中有 更详细的按字母顺序列出的ANSYS命令说明。 1.3模态提取方法典型的无阻尼模态分析求解的基本方程是经典的特征值问题：其中：1-1=刚度矩阵，、：i=第阶模态的振型向量（特征向量） ，=第:阶模态的固有频率（是特征值），一=质量矩阵。有许多数值方法可用于求解上面的方程。ANSYS提供了 7种方法模态提取方法，下面分别进行讨论。1.分块Lanczos法2.子空间（Subspace）法3.Power Dynamics 法4.缩减（Reduced /Hous

4、eholder ）法5.非对称（Un symmetric ）法6.阻尼（Damp法（阻尼法求解的是另一个方程，参见中关于此法的详细信息）7.QR阻尼法（QR阻尼法求解的是另一个方程，参见 中关于此法的详细信息）注意一阻尼法和非对称法在 ANSYS/Professional中不可用。前四种方法（分块 Lanczos法、子空间法、PowerDynamics法和缩减法）是最常用的模 态提取方法。下表比较了这四种模态提取方法，并分别对每一种方法进行了简要描述。对称系统特征值求解法表模态提取法适用范围内存要求存贮要求分块Lanczos 法缺省提取方法用于提取大模型的多阶模态（40阶以上）建议在模型中包含

5、形状较差的实体和壳单元时采用此法 最适合于由壳或壳与实体组成的模型速度快，但要求比子空间法内存多50%中低子空间法用于提取大模型的少数阶模态（40阶以下）适合于较好的实体及壳单兀组成的模型 可用内存有限时该法运行良好低高PowerDyn amics用于提取大模型的少数阶模态（20阶以下） 适合于100K以上自由度模型的特征值快速求解 对于网格较粗的模型只能得到频率近似值 复频情况时可能遗漏模态高低缩减法用于提取小到中等模型（小于10K自由度）的所有模态 选取合适主自由度时可获取大模型的少数阶（40阶以下）模态，此时频率计算的精度取决于主自由度的选取。低低 1.3.1 分块 Lanczos 法分

6、块Lanczos法特征值求解器是却省求解器，它采用Lanczos算法，是用一组向量来实现Lanczos递归计算。这种方法和子空间法一样精确，但速度更快。无论EQSLV命令指定过何种求解器进行求解，分块Lanczos法都 将自动采用稀疏矩阵方程求解器。计算某系统特征值谱所包含一定范围的固有频率时，采用分块Lanczos法方法提取模态特别有效。计算时，求解从频率谱中间位置到高频端范围内的固有频率时的求解收敛速度和求解低阶频率时基本上一样快。因此，当采用频移频率（FREQB来提取从FREQB（起始频率）的n阶模态时，该法提取大于FREQB勺n阶模态和提取n阶低频模态的速度基本相同。 1.3.2子空间

7、法子空间法使用子空间迭代技术，它内部使用广义Jacobi迭代算法。由于该方法采用完整的和|了 矩阵，因此精度很高，但是计算速度比缩减法慢。这种方法经常用于对计算精度要求高，但无法选择主自由度（DOF的情形。做模态分析时如果模型包含大量的约束方程，使用子空间法提取模态应当采用波前（front ）求解器，不要采用JCG求解器；或者是使用分块Lanczos法提取模态。当你的分析中存在大量的约束方程时，如果采用JCG求解器组集内部单元刚度，致使计算要求有很大的内存才能进行下去。 1.3.3 PowerDynamics 法PowerDynamics法内部采用子空间迭代计算，但采用PCG迭代求解器。这种方

8、法明显地比子空间法和分块Lanczos法快。但是，如果模型中包含形状较差的单元或病态矩阵时可能出现不收敛问题。该法特别适用于求解超大模型（大于100,000个自由度）的起始少数阶模态。谱分析不要使用该方法提取模态。PowerDynamics法不进行Sturm序列检查（即不检查模态遗漏问题），这可能影响有多 个重复频率问题的解。此法总是采用集中质量近似算法，即自动采用集中质量矩阵（LUMPMON。注意一如果用PowerDynamics法求解含刚体运动的模型的模态，则一定要用RIGID命令或选择等效的GUI途径。注意一（Main Menu Solution Analysis Options 或 M

9、ainMenu Preprocessor -Loads- AnalysisOptions ）。 1.3.4缩减法缩减法采用HBI算法（Householder-二分-逆迭代）来计算特征值和特征向量。由于该 方法采用一个较小的自由度子集即主自由度（DOF来计算，因此计算速度更快。主自由度（DOF导致计算过程中会形成精确的1；：丨矩阵和近似的矩阵（通常会有一些质量损失）。因此，计算结果的精度将取决于质量阵.八I的近似程度，近似程度又取决于主自由度的数目和位置。 1.3.5非对称法非对称法也采用完整的K I和一丁一矩阵，适用于刚度和质量矩阵为非对称的问题（例如声学中流体-结构耦合问题）。此法采用Lan

10、czos算法，如果系统是非保守的（例如轴安装在轴承上），这种算法将解得复数特征值和特征向量。特征值的实部表示固有频率，虚部是系统稳定性的量度一负值表示系统是稳定的，而正值表示系统是不稳定的。 该方法不进行Sturm序列检查，因此有可能遗漏一些高频端模态。 1.3.6阻尼法阻尼法用于阻尼不能被忽略的问题，如转子动力学研究。该法使用完整矩阵（卜、及阻 尼阵匸计）。阻尼法采用Lanczos算法并计算得到复数特征值和特征向量 （如下所述）。 此法不能用Sturm 序列检查。因此，有可能遗漏所提取频率的一些高频端模态。 135.1 阻尼法一特征值的实部和虚部特征值的虚部 J代表系统的稳态角频率。特征值的

11、实部 二代表系统的稳定性。 如果二小于零，系统的位移幅度将按 EXP（）指数规律递减。如果匸大于零，位移幅度将按指数规律递增。（或者换句话说，负的 二表示按指数规律递减的稳定响应；正的则表示按指数规律递增的不稳定响应。）如果不存在阻尼，特征值的实部将为零。ANSYS艮告的特征值结果实际上是被一二除过的。这样给出的频率是以Hz （周/秒）为单位的。即：报告的特征值虚部=-匚报告的特征值实部 = 1.3.5.2 阻尼法一特征向量的实部和虚部在有阻尼系统中，不同节点上的响应可能存在相位差。对任何节点，幅值应是特征向量实部和虚部分量的矢量和。 1.3.7 QR阻尼法QR阻尼法同时具有分块 Lanczo

12、s法与复Hessenberg法的优点，最关键的思想是，以线 性合并无阻尼系统少量数目的特征向量近似表示前几阶复阻尼特征值。采用实特征值求解（分块Lanczos法）无阻尼振型之后，运动方程将转化到模态坐标系。然后，采用QR阻尼法，一个相对较小的特征值问题就可以在特征子空间中求解出来了。该方法能够很好地求解大阻尼系统模态解，阻尼可以是任意阻尼类型，即无论是比例阻 尼或非比例阻尼。由于该方法的计算精度取决于提取的模态数目，所以建议提取足够多的基频模态，特别是阻尼较大的系统更应当如此，这样才能保证得到好的计算结果。该方法不建议用于提取临界阻尼或过阻尼系统的模态。该方法输出实部和虚部特征值（频率），但仅

13、仅输出实特征向量（模态振型）。参见CE方法的详细内容，掌握使用QR阻尼法（MODOP命令）处理约束方程（CE）的技术。约束方程（CE）方法Cekey约束方程 处理方法应用范围3直接消去法模型中只有少量约束方程时使用。例如，在一个100,000自由度冋题中，只有大约1,000个约束方程。一旦约束方程太多，该方法需要的内存极咼。此时，建议使用拉格朗日乘子法（Cekey = 1或 2）。0，1拉格朗日乘子法模型中存在大量约束方程时使用。例如，在一个100,000自由度冋题中，具有1,000以上的约束方程。特别注意，当使用CEINTF、CERIG或CYCSOL命令创建约束方程时，一条命令就可以生成多个

14、约束方程。此时， 建议使用拉格朗日乘子法。Cekey = 1: QuickSolution是一个快速处理方法，占用CPU时间接近于直接消去法。但是，提取较高阶频率值一般是实际值的1 - 2%当高阶频率比低阶频率高出二次或更高次的数量级时，就会出现这种误 差。Cekey = 0: Accurate Solution 是一个严密精确的方法。但是，占 用CPU的时间大致是Quick Solution的两倍。 1.4矩阵缩减技术和主自由度选择准则下面介绍如何矩阵缩减技术以及选择主自由度（DOF的基本准则。 1.4.1矩阵缩减技术矩阵缩减是通过缩减模型矩阵的大小以实现快速、简便的分析过程的方法。它主要用

15、于 动力学分析，如模态分析、谐响应分析和瞬态动力学分析。矩阵缩减也用于子结构分析中以生成超单元。矩阵缩减允许按照静力学分析那样建立一个详细的模型，而仅将“有动力学特征”部分用于动力学 分析。可以通过辨识定义为主自由度的关键自由度来选择模型的“有动力学特 征”部分，但必须注意，主自由度应足以描述系统的动力学行为。ANSY皐序根据主自由度（DOF来计算缩减矩阵和缩减自由度（DOF解，然后通过执行扩展处理将解扩展到完整的自由度（DOF集上。矩阵缩减的主要优点是，计算缩减解可以大大节省 CPU时间，大问题的动力学分析时更是如此。ANSYS序采用的矩阵缩减基础理论是Guyan缩减法计算缩减矩阵。此法的一

16、个关键假设是：对于 较低的频率，从自由度（被缩减掉的自由度（ DOF）上的惯性力和从主自由 度传递过来的弹性力相比是可以忽略的。因此，结构的总质量只分配到主自由度（ DOF质量单元上。最终结果是缩减的刚度矩阵是精确的，而缩减的质量和阻尼矩阵是近似的。关于如何计算缩减矩阵的详细内容参见 。 142人工选择主自由度的准则选择主自由度是缩减法分析中很重要的一步。缩减质量矩阵的精度（求解精确）将取决 于主自由度 的位置和数目。对于给定的问题，可以选择多种不同的主自由度集，在所多种情形下都可以得到能够接受的结果。用命令M和MGEF来选择主自由度，也可用 TOTAL命令让程序在求解过程中选择主自由 度。建

17、议两 种方式兼用：自己选择少量主自由度，同时让ANSYS序选择一些自由度。这样，程序将弥补那些可能被遗漏的模态。下面是选择主自由度的基本准则：1. 主自由度的总数至少应是感兴趣的模态数的两倍。2. 把预计结构或部件要振动的方向选为主自由度。例如对于平板问题，应至少在法向上选择几个主自由度（见图1a）。如果在一个方向上的运动会引起 另一个方向上的大运动时，应在两个方向上都选择主自由度（见图1b）。图1（ a）平板可能有的法向主自由度（b）X方向运动引起Y方向运动3.在相对较大的质量或较大转动惯量但相对较低刚度的位置选择主自由度（见图2）。凸肩或“松散”连接的结构是这种位置的实例。相反地，不要选择

18、质量相对较小或有较高刚度（如靠近约束处的自由度（ DOF ）的位置作为主自由度。图2应选择主自由度的位置：（a）大转动惯量（b）大质量4. 如果最关注的是弯曲模态，则可以忽略转动和“拉伸”自由度。5. 如果要选的自由度属于一个耦合约束集，则只须选中耦合集中第一个（首要的）自由 度。6. 在施加力或非零位移的位置选择主自由度。7. 对于轴对称壳模型（SHELL51或SHELL61），选择模型中的平行于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，这样就可以避免主自由度间的振荡运动（见图3）。如果运动基本上是平行于中心线，这条建议可以放宽。对于MOD辰2的轴对称周期单元，应将其 UX

19、 UZ自由度都选择为主自由度。.一 x图3在轴对称壳模型中选择主自由度检查主自由度集的有效性的最好方法是用两倍（或一半）数目的主自由度再次进行分析然后比较结果。另一种方法是观察在模态分析解中输出的缩减质量分布。缩减质量最起码在运动的主要方向上的分量应该占结构整个质量的10% 15% 143程序选择主自由度的要点如果让ANSYS序选择主自由度（命令 TOTAL），选出的主自由度的分布将取决于求 解时单元被处理的顺序。例如，程序将按单元是从左到右还是从右到左被处理的而选择出不同的主自由度集。然而，这种差异通常在结果中只会产生无关紧要的差别。对于有统一的大小和特征的网格（如平板），主自由度通常不会是

20、统一的。在这种情况 下，应当用命令 M和MGEN人为地指定一些主自由度。在质量分布不规则的结构中也应做 同样的处理，因为程序选出的主自由度可能集中在高质量区。 1.5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

21、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 MenuSolution 1.7.2指定分析类型和

22、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 AnalysisANTYPMai n Me nuSolutio n-A nalysis An alysisType-NewAn alysisType: ModalANTYPMai n Me nuSolutio n-A nalysisAn alysisModalType-NewMode ExtractionMethodMODOMainMenu Soluti onAn alysisOpti onsNumber of Modes toExtractMODOMain

23、Menu Soluti onAn alysisOpti onsNo. Of Modes toExpandMXPANMainMenu Soluti onAn alysisOpti onsMass Matrix Formulati onLUMPMMai nMenu Soluti onAn alysisOpti onsPrestressEffectsCalculatio nPSTREMai nMenu Soluti onAn alysisOpti ons注意一选择模态分析时，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（unabrid

24、ged ）” ，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。注意一在单点响应谱分析（SPOPT,SPRS和动力学设计分析方法（SPOPTQDAM中, 模态扩展可以放在谱分析之后按 MXPAN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

25、处选NO。 1.7.2.1 选项：New Analysis :选择新分析。注意一在模态分析中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 vvANSYS基本分析过程指南 的第3章中描述的Partial Solution （部分求解）方法。 1.7.2.2 选项：分析类型：ModalANTYPE指定分析类型为模态分析。 1.7.2.3 选项：Modal Extractio nMethodMODOPT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

26、和QR阻尼法适于特殊应用。一旦选用某种模态提取方法，ANSY皐序自动选择对应的求解器。注意 一非对称法、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 ExtractMODOPT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 ExpandMXPAND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

27、法都需要打开Calcucate elem results ”项。在用单点响应谱 分析（SPOPT,SPR）和动力学设计分析方法（SPOPTQDAM中，模态扩展可能要放在谱分析之后按命令MXPAN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NO1.7.2.6 选项： Mass Matrix FormulationLUMPM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

28、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 CalculationPSTRES 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LUMPM的设置应和静力分析中质量矩阵的设置必须一致。注意一在有预应力的周期对称单元如 PLA

29、NE25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）一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。

30、有两种选择：相对于质量矩阵M和单位化I。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M 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。只适用于Subspace 和 PowerDynamics 法。-域：CEkey指定处理约束方程的方法。

31、可选用的方法：Directeliminationmethod （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（

32、DOF。建议用命令M,MGEN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TOTAL让程序按照刚度/质量比选取一些附加的主自由度。用命令MLIST可以列出已定义的 M自由度（DOF，用命令MDELE冋以删除无关的 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 MenuSolutionMasterDOFs-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

33、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 见第2章关于实体模型加载-有限元加载的比较的探讨。注意一其它类型的载荷一力，压力，温度，加速度等一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.MOD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Displaceme nt(

34、UX,UY, UZ,ROTX,ROTY,ROTZ约 谏DMai nMenu Soluti on-Loads-Apply-Structural-Displaceme nt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F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实体模型关键点DKDKDEL DKLISTDTRAN一实体模型线DLDLDEL DLLISTDTRAN一实体模型面DADADEL DALISTDTRAN一Displaceme ntFE模型节点DDDELE DLIST DSCAL DS

35、YMQCI 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 MenuSolution-Loads-Apply-Structural-DisplacementOnLines 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 Men uListLoadsloa

36、d 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ALPHADMain Menu Soluti on-LoadStep Opts-Time/Freque ncDampi ngBeta （刚度）阻尼BETADMai n Me nuSolutio n-LoadStepOpts-Time/Freque ncDamp ing恒定阻尼比DMPRATMain Menu Soluti on-LoadStep Opts-Time/ Freque nc Dampi ng材料阻尼比/IPQAMFMai

37、n Men uSolutio n-LoadStep Opts-OtherCha nge MatProps-Temp Depe nden t-Po lyno mial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。注意一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

38、。 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

39、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ANSY領用命令RESUM来恢复以前建的模型。开始求解计算：命令：SOLVEGUI: Main MenuSolution-Solve-CurrentLS 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Job name.OUT及振型文件Job name.MOD冲。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

40、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：“STURMnumber = 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）。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 Ma in Men uSolutio nAn alysisOpti

41、o ns ,弹出 Modal An alysis 对话框；2. 选择SUBSPAC提取法，指定提取的模态数目，然后单击0K按钮，弹出SubspaceModal 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,FREQSolutio nAn alysisOptio ns ,弹出 Modal An alysis 对话框；2. 选择SUBSPAC提取法，指定提取的模态数目，然后单击OK按钮，弹出SubspaceModal Analysis 对话框；3. 改变FREQB域的数值，

42、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

43、，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（SPOPTQDA）中，模态扩展可以放在谱分析之后按命令MXPAN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 analysisoptions （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

44、.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:Mai n Menu Solutio n注意一在扩展处理前必须（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Expa nsion PassEXPAS Main Menu Solutio n-A nalysisType-Expa nsion PassOn/OffNo. of Modes toExpand

45、MXPANMai n Me nuSolutio n-LoadStepDOpts-Expa nsion Pass Expa nd ModesFreq. Range forExpa nsionMXPANMain Men uSolutio n-LoadStep Opts -Expa nsion Pass Expa nd ModesStress Calc.On/OffMXPANMain Men uSolutio n-LoadStep Opts -Expa nsion Pass Expa nd Modes选项：Expansion Pass On/OffEXPASS :选择ON （打开）。选项：Numbe

46、r 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,FREE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

47、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：Prin tedOutput此选项用来设置在输出文件Job name.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 MenuSolution-Load Step Opts-Output CtrlsSoluPrintoutDatabase and results file output此选项用来控制结果文件Jobname.RST中包含的数据。OUTRE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

48、信息。命令：OUTRESGUI： Main MenuSolution-LoadStep Opts-Output CtrlsDB/ResultsFile4. 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 MenuSolutionGurrentLS5. 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.SPR3和动力学设计分析方法（SPOPTQDAM中，模态扩展可以 放在谱分析之后按命令 M

49、XPAN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 NO6. 离开SOLUTION现在可以在后处理器中观察结果了。命令：FINISHGUI:关闭Solution 菜单注意一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 MXPAN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

50、.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的第 4 章。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 MenuGener

51、al Postproc-Read Results-substep2. 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/FREQLOADSTEPSUBSTEPCUMULATIVE 122.973111240.476122378.082133 4188.34144命令： SET,LISTGUI： Main MenuGeneral PostprocList ResultsResults Su

52、mmary 1.9.4 选项：图形显示 变形命令： PLDISPGUI： Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsDeformed 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 MenuSolutionMaster DOFsList ALL注意一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 UtilityMenuPlotNodes 或命令 NLIST ）。1.9.6 选项：线单元结果命令： ETABLEGUI： Main MenuG

53、eneral PostprocElement TableDefine 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 MenuGeneral PostProcPlot Results-Contour Plot-NodalSolu 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（EPELXEP

54、ELY EPELZ）和位移（UX UY, UZ）。PLNS01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 MenuGeneral PostprocElement TabePlot Element TableMain MenuGeneral PostprocPlot ResultsContour Plot-Line ElemRes注意-命令PLNSOI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

55、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（vvANSYS基本分析过程指 南 第 7 章所述的）先选中同种材料的单元，同样厚度的壳等。1.9.9 选项： 列表显示结果项命令： PRNSO（L 节点结果）PRESO（L 一个单元接一个单元的结果）PRRSO（L 反作用数据）等GUI: Main MenuGeneral PostprocList Resultssolution optionMain MenuGeneral PostprocList Results-Sorted Listing-SortNodes 或 Sort Elems用NSOPT和ESORT命令可在列表之前

56、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POST仲均可使用。详情参见 。关于命令 ANTYPEMODOPTM TOTAL EXPASS MXPANDSET及 PLDISP 的论述参见 。1.10 有预应力模态分析有预应力模态分析用于计算有预应力结构的固有频率和模态,如旋转的涡轮叶片的模态分析。除了首先要通过进行静力分析把预应力加到结构上外,有预应力模态分析的过程和常规模态分析基本上一样：1. 建模并获取打开预应力效应 PSTRES,ON的静力分析解。静力分析中的集中质量矩 阵的设置LUMPM必须与随后的有预应

57、力模态分析中的集中质量矩阵设置一致。“静力学 分析”中描述了如何进行静力学分析。2. 重新进入求解器并获取模态分析解,注意打开预应力效应选项（再用一次命令PRSTESQN。另外，在静力学分析中生成的文件Jobname.EMAT和Jobname.ESAV必须都存在。3. 扩展模态并在后处理器中观察它们。步骤1也可以是一个瞬态分析，但应当记住在需要的时间点保存.EMAT和.ESAV文件。1.11 大变形预应力模态分析 可以在大变形静力学分析后进行预应力模态分析， 以便计算高度变形结构的固有频率和 振型。除用PSOLVE命令而不是SOLVE命令执行模态分析求解，其他过程与有预应力模态分 析过程一致，

58、参见下面列出的简单命令流。 另外，必须用UPCOOR命令修正坐标以得到正确 的应力，使用 EMATWRITE命令指定写出 File.EMAT 文件。注意该过程需要单元材料和上一次静力分析得到得单元载荷矢量（例如，压力、温度 和加速度载荷）。如果 （ 利用命令 LVSCALE ） 指定，这些载荷将传递给后续的模态叠加分 析。! Initial, large deflection static analysis!/PREP7FINISH/SOLUANTYPE,STATIC! Static analysisNLGEOM,ON! Large deflection analysisthe prestre

59、ssmatrixPSTRES,ON! Flag toEMATWRITE,YES! WritecalculateFile.EMAT(inputto PSOLVE step)SOLVEFINISH1! Prestressedmodal1analysis!/SOLUANTYPE,MODAL! ModalanalysisUPCOORD,1.0,ON! Addpreviousdispl.to coordinatesand then zero! the displacementsPSTRES,ON! PrestresseffectsonMODOPT,.! SelecteigensolverMXPAND,.

60、! Specifynumber ofmodesto be expanded, if desiredPSOLVE,EIGxxxx! Calculates the eigenvalues and eigenvectors.! Use EIGLANB, EIGFULL, EIGUNSYM, or EIGDAMP to! match MODOPT command.FINISH/SOLU!Additional solution step for expansion.EXPASS,ONPSOLVE,EIGEXP! Expands the eigenvector solution.Required if y