固有频率计算和分析实例精讲-压缩机曲轴分析

第8章固有频率计算和分析实例精讲—压缩机曲轴分析

本章内容简介本实例以压缩机曲轴单个零部件的结构模态为分析对象，在介绍有限元法模态分析的基础上，构建该结构有限元模型和仿真模型，分别求解该结构的自由模态与约束模态，得到相应条件下的模态参数，包括各阶固有频率与振型，为进一步进行结构动力学分析提供必要的基础参数。2021/5/91本章节主要内容:基础知识问题描述问题分析操作步骤本节小结2021/5/928.1基础知识主要内容分为2大部分：有限元法模态分析理论基础结构模态分析操作流程

2021/5/938.2问题描述如图所示为某一压缩机用的曲轴模型，曲轴是该类产品的关键零部件，为避免该产品在使用中出现过大的振动破坏情况，需对曲轴零部件进行模态分析，曲轴的正常工作转速在800r/min，在设计中根据实际的需要要求正常转速低于第一阶临界转速；2021/5/94工况条件曲轴使用材料为40CrMoMn，曲轴的支撑约束情况如图所示，使用局部圆柱坐标系，约束除沿轴线转动自由度外的其余五个自由度，计算曲轴结构自由模态与约束模态的前3阶固有频率和相应的振型。2021/5/958.3问题分析（1）曲轴结构的几何模型上的一些小尺寸的圆孔、倒角等，可以在理想化几何模型中进行处理，并不影响模态参数的计算。（2）可以按照先计算曲轴的自由模态，然后在此基础之上施加约束，计算约束模态的求解思路和计算自由模态的求解思路一致。UGNX高级仿真计算结构模态的操作顺序和操作步骤和静力学分析过程相似，在几何体模型基础上，可以进行理想化模型操作，然后建立有限元模型（包括赋予材料属性、定义单元属性、划分网格等），在仿真模型环境中，如果不定义边界约束条件，那可以求解该结构的自由模态（6个DOF均为自由）；如果定义了边界约束条件，那可以求解该结构的约束工况模态，但是有一点相同的，那就是不必进行定义作用载荷操作。2021/5/968.4操作步骤8.4.1曲轴结构自由模态的计算创建有限元模型优化（理想化）模型创建有限元模型创建仿真模型求解自由模态后处理及其动画演示

8.4.2曲轴结构约束模态的计算施加约束条件求解约束模态后处理及其动画演示

8.4.3曲轴结构模态计算精度的对比

2021/5/978.4.1曲轴结构自由模态的计算打开随书光盘part源文件所在的文件夹路径：Book_CD\Part\Part_CAE_Unfinish\Ch08_CrankShaft，选中文件CrankShaft.prt，调出曲轴三维实体模型。

2021/5/98（1）创建有限元模型依次左键单击【开始】和【高级仿真】，在【仿真导航器】窗口分级树中单击【CrankShaft.prt】节点，新建FEM，并进行相关操作；单击【确定】按钮即可进入了创建有限元模型的环境；

仿真导航器新增节点2021/5/99（2）优化（理想化）模型在【仿真导航器】窗口分级树中，单击【fem1_CrankShaft_i.part】节点，右键弹出快捷菜单【设为显示部件】并单击之（也可以直接双击该节点），即可进入优化模型的环境。右键单击【fem1_CrankShaft_i.part】节点，选择【提升】命令，在窗口图形中选择整个曲轴模型作为要提升的选择体，单击【确定】。

2021/5/9101）理想化几何体在工具栏上单击【理想化几何体】命令，弹出【理想化几何体】对话框；

设置相关参数油孔1油孔2删除曲轴上两个贯通的油孔2021/5/9112）移除几何特征删除模型上的油孔后会发现，在油孔删除部位处还残留有前面的断线，选择【移除几何特征】命令，

选取相应的对象移除几何特征操作后示意图2021/5/912

（3）创建有限元模型1）定义材料属性单击工具栏中的【指派材料】图标，弹出【指派材料】对话框；设置相关参数单击该命令2021/5/9132)创建物理属性单击工具栏中的【物理属性】图标，弹出【物理属性表管理器】对话框单击【创建】选择材料单击【确定】2021/5/9143)网格属性定义单击工具栏中的【网格收集器（俗称为：网格属性定义）】图标，弹出【网格捕集器】对话框单击【确定】2021/5/9154）划分网格单击工具栏中的【3D网格】命令，弹出【3D网格】对话框；设置相关参数2021/5/916单击工具栏中的【单元质量】图标，弹出【单元质量】对话框，如图所示。5）检查单元质量单击该命令设置相关参数2021/5/917（4）创建仿真模型1）单击【仿真导航器】窗口分级树的【CrankShaft_fem1.fem】节点，右键弹出快捷菜单，单击【新建仿真】，弹出【新建部件文件】对话框，在【名称】中修改为【CrankShaft_sim1.sim】,选择本实例高级仿真相关数据存放的【文件夹】，单击【确定】按钮，弹出【新建仿真】对话框，如图所示,默认所有的选项，单击【确定】按钮；

单击确定2021/5/9182）创建解算方案弹出【创建解算方案】对话框，如图所示，在【名称】中修改为【Solution1】，【解算方案类型】选取为【SOL103RealEigenvalues】。设置相关参数单击确定2021/5/919单击【创建解算方案】对话框下面【工况控制】选项卡，出现相应的选项及其参数对话框，默认【特征值方法】选项为【Lanczos法】，单击【Lanczos法】右侧的【创建模型对象】图标，弹出如图所示的【实数特征值】对话框；设置参数单击确定3）设置工况控制参数2021/5/9204）仿真导航器新增节点单击【创建解算方案】对话框的【确定】按钮，注意到【仿真导航器】窗口分级树中新出现了相关的数据节点，如图所示。单击工具栏中的【保存】按钮，将上述操作成功的仿真模型和数据及时保存起来。仿真导航器新增节点2021/5/921在【仿真导航器】窗口分级树中单击【CrankShaft_sim1.sim】节点，单击求解，待求解完成关闭相应的窗口，如图所示。双击【结果】命令窗口，出现模态后处理结果。（5）求解自由模态后处理导航器新增节点解算监视器对话框图2021/5/9222023/5/30（6）后处理及其动画演示1）在【后处理导航器】窗口中，可以发现在【CrankShaft_sim1.sim】的【Solution1】前6阶模态非常接近零，是因为此次计算的是曲轴的自由模态，放开了6个自由度，因此在6个自由度方向中出现了刚体位移，读者可以点击进行查看相对某一自由度的刚体位移形式。从后处理导航器可以看出：曲轴模型的第1阶固有频率为56.51Hz，第2阶固有频率为58.71Hz，第3阶固有频率为137.2Hz。2021/5/9232023/5/302）模式7下云图查看展开【模式7】下【位移-节点的】节点，双击出现的【幅值】节点，在图形窗口中出现该弯管的位移云图，如图所示，可以清楚的观看到曲轴在此频率发生共振的位移变形情况。第7阶模态振型（固有频率=56.51Hz）2021/5/9242023/5/303）模式8下云图查看展开【模式8】下【位移-节点的】节点，双击出现的【幅值】节点，在图形窗口中出现该弯管的位移云图，如图所示，可以清楚的观看到曲轴在此频率发生共振的位移变形情况。第8阶模态振型（固有频率=58.71Hz）2021/5/9252023/5/304）模式9下云图查看展开【模式9】下【位移-节点的】节点，双击出现的【幅值】节点，在图形窗口中出现该弯管的位移云图，如图所示，可以清楚的观看到曲轴在此频率发生共振的位移变形情况。第9阶模态振型（固有频率=137.2Hz）2021/5/9262023/5/305）查看动画迭代图像在上述步骤中查看模态振型时，单击工具栏中的【播放】按钮，出现曲轴某阶模态下的振型变形演示过程，这就是分析某阶模态的振型演变过程。单击工具栏上的【动画】图标，弹出【动画】对话框，在【动画】选项中切换为【迭代】，单击【播放】按钮，即可清楚地观察到第1阶到第10阶模态振型的动态转换过程，单击【停止】按钮，退出动画演示。2021/5/927单击工具栏中的【返回到仿真】命令，返回到仿真模型中。右键单击【Solution1】在弹出的菜单中选择【克隆】，会发现出现复制的新的解算方案【CopyofSolution1】，右键单击选择【重命名】为【Solution2】，右键单击【激活】命令。8.4.2曲轴结构约束模态的计算2021/5/928（1）施加约束条件1）在窗口工具栏中选择【约束类型】图标的小三角或在解算方案的【约束】右键选择【新建约束】，单击弹出的【用户定义约束】命令，弹出【用户定义约束】对话框。设置相关参数2021/5/9292）设置模态参数单击【Solution2】节点下的【Subcase-EigenvalueMethod1】，右键选择【编辑】命令，如图所示，在【所需模态数】中输入【4】，定义提取前4阶的振型和模态参数，如图所示。单击工具栏中的【保存】按钮，将上述操作成功的数据及时保存起来。设置相关参数单击该命令2021/5/930（2）求解约束模态在【仿真导航器】窗口分级树中单击【Solution2】节点，右键单击【求解】命令，弹出相应的对话框，在【分析作业监视器】中查看任务分析的进度，等出现【作业已完成】的提示后再依次关闭各个对话框，如图所示。分析作业监视器解算监视器2021/5/931（3）后处理及其动画演示在【仿真导航器】窗口分级树中，双击【结果】节点，进入了【后处理导航器】窗口，可以发现在【CrankShaft_sim1.sim】节点出现了【模式1，3.070e+002Hz】、【模式2，3.070e+002Hz】、【模式3，5.123e+002Hz】及【模式4，5.201e+002Hz】等四个子节点，这就是在上述约束条件下曲轴前4阶模态及其对应的固有频率值；后处理导航器新增节点2021/5/9321）模式1下云图查看展开【模式1】下【位移-节点的】节点，双击出现的【幅值】节点，在图形窗口中出现该曲轴的振型位移云图，如图所示，可以清楚的观看到整个曲轴的振型位移的变形情况；第1阶模态振型（固有频率=307.01Hz）2021/5/9332）模式2下云图查看展开【模式2】下【位移-节点的】节点，双击出现的【幅值】节点，在图形窗口中出现该曲轴的振型位移云图，如图所示，可以清楚的观看到整个曲轴的振型位移的变形情况第2阶模态振型（固有频率=307.5Hz）2021/5/9343）模式3下云图查看展开【模式3】下【位移-节点的】节点，双击出现的【幅值】节点，在图形窗口中出现该曲轴的振型位移云图，如图所示，可以清楚的观看到整个曲轴的振型位移的变形情况第3阶模态振型（固有频率=512.3Hz）2021/5/9353）模式3下云图查看展开【模式3】下【位移-节点的】节点，双击出现的【幅值】节点，在图形窗口中出现该曲轴的振型位移云图，如图所示，可以清楚的观看到整个曲轴的振型位移的变形情况第3阶模态振型（固有频率=512.3Hz）2021/5/9362023/5/304）查看动画迭代图像单击工具栏中的【播放】按钮，可以查看曲轴在受约束状态下前4阶模态振动位移动态变形的演示过程，可以看到曲轴在工作状态下受到外界激励产生共振时，发生的模态振型变化形式，具体的振型描述不再赘述。单击工具栏上的【动画】图标，弹出【动画】对话框，在【动画】选项中切换为【迭代】，单击【播放】按钮，即可清楚地观察到第1阶到第4阶模态振型的动态转换过程，单击【停止】按钮，退出动画演示。2021/5/9372023/5/305）退出后处理视图读者也单击工具栏中的【四视图】按钮，可以展示弯管前3阶模态的振型情况，在此不赘述，最后退出后处理仿真界面，具体操作请参考随书光盘中的录像文件。本实例中其他计算结果和显示模式请参考随书光盘Book_CD\Part_CAE_Finish\Part\Ch08_CrankShaft\文件夹中相关文件，操作过程的演示请参考影像文件Book_CD\AVI\