ANSYS模态分析教程及实例讲解PPT学习课件

1、第三讲模态分析,1,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？,2,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。,3,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

2、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,4,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,5,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

3、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。,6,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。,7,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,8,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,9,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,10,频率分

4、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,11,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

5、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,12,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

6、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。,13,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,14,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

7、弦的固有模态。,15,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。,16,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

8、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。,17,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。,18,频率分析的相关知识,设计就要避免出现共振现象,

9、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,19,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,20,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

10、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。,21,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。,22,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

11、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。,23,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:,24,模

12、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。,25,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

13、。,26,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）,27,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,28,Change

14、 Jobname ,Enter new jobname：输入文件名 New log and error files？复选框打上钩,29,Change Title ,在工作区右下角显示标题 不能输入中文 Utility Menu Plot Replot,30,设置单元类型,1,3,31,设置单元选项,注意：不是所有的单元都能设置单元选项！,32,定义单元的实常数,33,定义材料属性,34,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SO

15、LUTION Main Menu Finish,35,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。,36,模态分析的选项,下面将详细介绍各个选项的使用！,37,选择新的分析,38,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。,39,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

16、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。,40,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。,41,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

17、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。,42,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。,43,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。,44,阻尼法、QR 阻尼法,适用于阻尼不能被忽略的情况

18、，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。,45,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。,46,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。,47,模态扩展数,在缩减法、阻尼法、非对称

19、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。,48,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。,49,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

20、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。,50,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,51,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。,52,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

21、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。,53,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。,54,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。,55,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。,56,求解状态,57,加载步选项阻尼选项,质量阻尼,刚度阻尼,材料阻尼比,58,输出,固有频率文件：Jobname.OUT 固有

22、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。,59,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。,60,激活扩展模态,61,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,62,打印输出选项,把结果数据（振型、应力、力等）包含到Jobname.OUT中。,63,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,64,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。,65,查看结果和后处理,读入载荷步数据 Main Menu General Postproc Read Results 列