機械模態(tài)分析研究現(xiàn)狀綜述報告-王宇-2015-4-16DOC.doc

機械模態(tài)分析研究現(xiàn)狀綜述報告姓名：王宇班級：研1402學(xué)號：2014020071目 錄1 機械模態(tài)分析方法綜述131 數(shù)值模態(tài)分析與試驗?zāi)B(tài)分析現(xiàn)狀及局限性31. 數(shù)值模態(tài)分析32. 試驗?zāi)B(tài)分析32 工作模態(tài)43 模態(tài)分析發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢252 ANSYS模態(tài)分析363 模態(tài)分析實例（ANSYS）74 總結(jié)101 機械模態(tài)分析方法綜述11 數(shù)值模態(tài)分析與試驗?zāi)B(tài)分析現(xiàn)狀及局限性 模態(tài)分析過程如果是由有限元計算的方法取得的, 則稱為數(shù)值模態(tài)分析;如果通過試驗將采集的系統(tǒng)輸入與輸出信號經(jīng)過參數(shù)識別獲得模態(tài)參數(shù), 稱為試驗?zāi)B(tài)分析。兩種方法各有利弊, 目前的發(fā)展趨勢是把有限元方法和試驗?zāi)B(tài)分析技術(shù)有機地結(jié)合起來, 取長補短, 相得益彰。利用試驗?zāi)B(tài)分析結(jié)果檢驗、補充和修正原始有限元動力模型;利用修正后的有限元模型計算結(jié)構(gòu)的動力特性和響應(yīng), 進行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。1. 數(shù)值模態(tài)分析 數(shù)值模態(tài)分析主要采用有限元法, 它是將彈性結(jié)構(gòu)離散化為有限數(shù)量的具體質(zhì)量、彈性特性單元后,在計算機上作數(shù)學(xué)運算的理論計算方法。它的優(yōu)點是可以在結(jié)構(gòu)設(shè)計之初, 根據(jù)有限元分析結(jié)果, 便預(yù)知產(chǎn)品的動態(tài)性能, 可以在產(chǎn)品試制出來之前預(yù)估振動、噪聲的強度和其他動態(tài)問題, 并可改變結(jié)構(gòu)形狀以消除或抑制這些問題。2. 試驗?zāi)B(tài)分析 試驗?zāi)B(tài)分析是模態(tài)分析中最常用的, 它與有限元分析技術(shù)一起成為解決現(xiàn)代復(fù)雜結(jié)構(gòu)動力學(xué)問題的兩大支柱。利用試驗?zāi)B(tài)分析研究系統(tǒng)動態(tài)性能是一種更經(jīng)濟、更有實效的方法。傳統(tǒng)的試驗?zāi)B(tài)分析方法是建立在系統(tǒng)輸入/輸出數(shù)據(jù)均已知的基礎(chǔ)上, 利用激勵和響應(yīng)的完整信息進行參數(shù)識別。傳統(tǒng)的模態(tài)分析方法已經(jīng)在橋梁、汽車和航空航天工程等幾乎所有和結(jié)構(gòu)動態(tài)分析有關(guān)的領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用, 數(shù)值模態(tài)分析與試驗?zāi)B(tài)分析的方法在理論上已經(jīng)趨于完善, 然而這些方法在具體應(yīng)用時還是存在局限性。2 工作模態(tài) 工作模態(tài)分析的理論和思想的提出早在20 世紀(jì)70年代初期就已開始。工作模態(tài)的主要手段都是基于響應(yīng)信號的時域參數(shù)辨識技術(shù)。工作模態(tài)分析常稱為環(huán)境激勵下的模態(tài)分析、只有輸出或激勵未知條件下的模態(tài)分析, 正是近年來模態(tài)分析領(lǐng)域發(fā)展活躍, 新理論、新技術(shù)的應(yīng)用層出不窮的一個研究方向, 被視為對傳統(tǒng)試驗?zāi)B(tài)分析方法的創(chuàng)新和擴展。工作模態(tài)分析的優(yōu)點是:僅需測試振動響應(yīng)數(shù)據(jù), 由于這些數(shù)據(jù)直接來源于結(jié)構(gòu)實際所經(jīng)受的振動工作環(huán)境, 因而識別結(jié)果更符合實際情況和邊界條件;無需對輸入激勵進行測試, 節(jié)省了測試費用;利用實時響應(yīng)數(shù)據(jù)進行模態(tài)參數(shù)識別, 其結(jié)果能夠直接應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的在線健康監(jiān)測和損傷診斷。因此工作模態(tài)試驗技術(shù)使試驗?zāi)B(tài)分析, 由傳統(tǒng)的主要針對靜止結(jié)構(gòu)被擴展到處于現(xiàn)場運行狀態(tài)的結(jié)構(gòu), 不僅可以實現(xiàn)對那些無法測得載荷的工程結(jié)構(gòu)進行所謂在線模態(tài)分析, 而且利用實際工作狀態(tài)下的響應(yīng)數(shù)據(jù)識別的模態(tài)參數(shù), 能更加準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)的實際動態(tài)特性, 已經(jīng)在橋梁、建筑、機械領(lǐng)域取得實質(zhì)性的進展。3 模態(tài)分析發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢2 盡管我國在模態(tài)分析領(lǐng)域里的研究工作起步較晚，但發(fā)展迅速。在理論與方法研究上已接近國際先進水平，在工程應(yīng)用方面模態(tài)分析已滲透到我國各個工程領(lǐng)域，并取得了不少成就。模態(tài)分析技術(shù)發(fā)展到今天已趨成熟，特別是線性模態(tài)理論方面的研究已日臻完善，但在工程應(yīng)用方面仍有工作可做。首先是提高模態(tài)分析的精度，擴大應(yīng)用范圍。增加模態(tài)分析的信息量是提高分析精度的關(guān)鍵，目前提出的一種激光掃描方法是大增加測點數(shù)的有效方法，測點數(shù)目的增加隨之而來的是增大數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)的容量及提高分析處理速度，在測試方法、數(shù)據(jù)采集與分析方面也有不少工作可做。對復(fù)雜結(jié)構(gòu)空間模態(tài)的測量分析、頻響函數(shù)的耦合、高頻模態(tài)檢測、抗噪聲干擾等方面的研究沿需進一步開展。 非線性是模態(tài)分析的一個重要發(fā)展趨勢，最近已逐步形成了非線性模態(tài)動力學(xué)。關(guān)于非線性模態(tài)的正交性、解耦性、穩(wěn)定性、模態(tài)的分叉、滲透等問題是當(dāng)前研究的重點。在非線性建模理論與參數(shù)辨識方面的研究工作亦是當(dāng)今研究的熱點。非線性系統(tǒng)物理參數(shù)的識別、載荷識別方面的研究亦已開始。展望未來，模態(tài)分析與試驗技術(shù)仍將以新的速度、新的內(nèi)容不斷向前發(fā)展。2 ANSYS模態(tài)分析3 ANSYS 軟件是美國Swanson 公司推出的融結(jié)構(gòu)、流體、電磁、熱、聲學(xué)為一體的大型通用有限元分析軟件, 與其他大型有限元分析軟件相比, 其最突出的特點是友好的程序用戶界面, 完整強大的圖形交互能力, 從而極大地方便了用戶的操作.它擁有豐富的單元庫和材料庫, 用戶可以根據(jù)具體的分析對象選取合理的剖分單元及材料特性, 除此之外, 用戶還可以自定義材料特性, 以滿足特殊情況的需要.ANSYS 能夠高效的求解各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的靜力、動力、振動、線性和非線性、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析、斷裂力學(xué)等問題.它具有完善的前后處理模塊和強大的數(shù)據(jù)接口, 因而是計算機輔助工程(CAE)、工程數(shù)值分析和仿真的有效工具.ANSYS 環(huán)境下的模態(tài)分析是一個線性分析, 整個過程分為四步:1 .建模:在前處理中定義單元類型, 單元實常數(shù), 材料性質(zhì)和模型幾何性質(zhì), 由于模態(tài)分析中只包括線性行為的分析, 因此在定義單元時必須選用線性單元.2 .加載及求解:定義分析類型和分析選項, 施加載荷, 指定加載步選項, 進行有限元計算求解固有頻率.ANSYS 提供了7 種模態(tài)分析的方法, 分別是子空間法(Subspace), 分塊Lanczos 方法(Block Lanczos), Power Dynamics 方法, 縮減法(Reduced), 非對稱法(Unsymmetric), 阻尼法(Damped),QR 阻尼法(QR Damped).在通常的使用中, 選擇分塊Lanczos 方法、子空間方法、Power Dynamics 方法、縮減法已經(jīng)足夠大多數(shù)分析使用了.3 .擴展模態(tài):所謂的擴展模態(tài)就是將振型寫入結(jié)果文件, 如果想在后處理中觀察到振型, 就必須先進行模態(tài)擴展.4 .觀察結(jié)果:經(jīng)過模態(tài)擴展以后模態(tài)分析結(jié)果被寫入到結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果文件中, 其中包括:固有頻率, 擴展模態(tài)形狀以及相對應(yīng)力和力的分布。 ANSYS 是成熟的工程分析軟件, 可直接輸入結(jié)構(gòu)幾何圖形, 運用其豐富的單元庫, 在圖形中進行有限元網(wǎng)格劃分, 另外還具有完善的計算工具.在進行結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析時, 只要建模正確, 單元及模態(tài)分析法選擇適當(dāng), 所得到的計算結(jié)果準(zhǔn)確性極高.通過使用ANSYS 模態(tài)分析可將繁難的模態(tài)分析工作變得輕松、直觀.同時在ANSYS 環(huán)境中以模態(tài)分析為基礎(chǔ), 還能夠進行其他動力學(xué)分析, 概念清晰簡潔, 計算方便快捷.ANSYS 作為目前在國際上流行通用的大型有限元分析軟件, 易在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計、結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中推廣使用.3 模態(tài)分析實例（ANSYS） 北京航空航天大學(xué)的李碩東，馬綱在充分利用 ANSYS 模態(tài)分析功能的基礎(chǔ)上，結(jié)合大量振動臺用夾具模態(tài)分析的科研課題和實際分析經(jīng)驗，提出編程開發(fā)程序以自動生成ANSYS 宏代碼并將宏封裝的新思路以及采用數(shù)據(jù)庫管理結(jié)果文件的辦法。實現(xiàn)了分析過程模塊化自動完成，分析結(jié)果由數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)管理的便捷、高效的模態(tài)分析。4 陜西科技大學(xué)的陳勇強，李小瑩，陳號在有限元技術(shù)基礎(chǔ)上，采用ANSYS Workbench 軟件對摩擦離合器外殼體和內(nèi)殼體進行模態(tài)分析，得到了摩擦離合器外殼體和內(nèi)殼體的各階固有頻率和固有振型。分析結(jié)果為離合器結(jié)構(gòu)設(shè)計及動態(tài)響應(yīng)分析奠定了一定的理論基礎(chǔ)。5 中北大學(xué)的徐兆華，崔志琴，張騰通過三維建模軟件Pro/E 建立6300 柴油機曲軸的簡化模型，再將其導(dǎo)入到有限元軟件ANSYS，然后運用Block lanczos 法對曲軸進行模態(tài)分析，得到曲軸的前9 階固有頻率與振型，為曲軸的優(yōu)化設(shè)計和動態(tài)響應(yīng)奠定基礎(chǔ)。6 南京信息工程大學(xué)的袁安富，陳俊利用大型有限元分析軟件ANSYS對設(shè)計的結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，將有效預(yù)估結(jié)構(gòu)的振動特性及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。文章以主軸箱為例，運用該軟件建立了主軸箱的三維有限元模型，在0-200Hz頻率范圍內(nèi)，分析了該主軸箱的前十階振型，結(jié)果表明：該主軸箱的主振頻率處于62Hz，為主軸箱的整體設(shè)計及其制造提供了有力的技術(shù)支撐。7 河南科技大學(xué)的徐立友，李金輝在介紹模態(tài)分析基本理論的基礎(chǔ)上，基于UG 軟件建立了拖拉機液壓機械無級變速器(HMCVT)太陽輪軸的三維模型，利用ANSYS-UG 的數(shù)據(jù)接口將太陽輪軸三維實體模型導(dǎo)入ANSYS 中生成有限元分析模型，并運用自由模態(tài)和約束模態(tài)兩種分析方法對太陽輪軸進行了模態(tài)分析。結(jié)果表明：兩種模態(tài)分析方法均可以得到較準(zhǔn)確的計算分析結(jié)果，但約束模態(tài)分析方法更能反映系統(tǒng)的實際工作狀況；太陽輪軸在低階頻率下以彎曲摸態(tài)為主，高階頻率下為整體的扭轉(zhuǎn)模態(tài)以及整體和局部的混合模態(tài)。本研究對細(xì)長軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計及動態(tài)特性分析提供了理論依據(jù)。8 安徽理工大學(xué)的葉友東，周哲波研究了直齒圓柱齒輪的固有振動特性, 采用有限元法建立了直齒圓柱齒輪的動力學(xué)模型, 通過有限元分析軟件ANSYS 對齒輪進行模態(tài)分析, 得到了齒輪的低階固有振動頻率和主振型, 可以為齒輪系統(tǒng)的動態(tài)設(shè)計提供參考, 同時也為齒輪系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)計算和分析奠定了基礎(chǔ)。9 江西理工大學(xué)的劉祚時，彭建云為了確定振動篩偏心軸的振動特性，通過工程分析軟件ANSYS 對其進行了建模與模態(tài)分析。詳細(xì)闡述了模態(tài)分析的全過程，從建模環(huán)境的選擇，偏心軸實體模型和有限元模型的建立，到最后的模態(tài)分析。其中，有限元建模中用彈性支承單元COMBIN14 代替將軸承簡單處理為剛性約束的方式，更加真實的分析得出軸的前10 階固有頻率和振型。對比傳遞矩陣法，方法簡便，計算快捷，得到直觀振型形象。模態(tài)分析有效預(yù)估了結(jié)構(gòu)的振動特性，為選擇電機參數(shù)提供依據(jù)，并為諧響應(yīng)分析及瞬態(tài)分析奠定基礎(chǔ)。10 南京航空航天大學(xué)的艾平貴，朱如鵬利用非線性有限元的方法對金屬撓性膜盤聯(lián)軸器的特性進行研究。主要包括以下幾個方面：根據(jù)已設(shè)計的符合實際尺寸的模型，建立膜盤聯(lián)軸器應(yīng)力分析的有限元模型；在對前述模型靜力分析和模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，鑒于膜盤的型號多變，為了能夠做出通用的分析方法，文中采用通用的有限元分析軟件ANSYS 的二次開發(fā)語言APDL 建模和分析膜盤，大大提高了分析的通用性和效率。11 吉林電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院的王宇，劉凱，林永龍簡要闡述了模態(tài)分析的基本原理以及在ANSYS環(huán)境下進行模態(tài)分析的步驟，并舉出具體算例，對一標(biāo)準(zhǔn)齒輪進行模態(tài)分析計算，以此說明在ANSYS軟件中進行模態(tài)分析的方法，結(jié)果表明對于確定機械結(jié)構(gòu)的振動特性來說此法行之有效，完全能夠滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求。124 總結(jié) 這篇綜述報告首先引用了一篇2006年的綜述性的文獻1，對模態(tài)分析方法進行概括和總結(jié)：傳統(tǒng)模態(tài)分析方法主要分為數(shù)值模態(tài)分析和試驗?zāi)B(tài)分析，并陳述了工作模態(tài)分析的方法。之后引用了一篇2014年的綜述性文獻2，陳述模態(tài)分析最新的研究方法以及發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。 本文主題內(nèi)容針對ANSYS在模態(tài)分析中的應(yīng)用進行表述和舉例。先利用2005年的一篇文獻3總擴ANSYS在模態(tài)分析中的應(yīng)用，隨后舉出國內(nèi)近年來的多項研究和試驗在多方面展示ANSYS在模態(tài)分析中的應(yīng)用。 ANSYS 是成熟的工程分析軟件, 可直接輸入結(jié)構(gòu)幾何圖形, 運用其豐富的單元庫, 在圖形中進行有限元網(wǎng)格劃分, 另外還具有完善的計算工具.在進行結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析時, 只要建模正確, 單元及模態(tài)分析法選擇適當(dāng), 所得到的計算結(jié)果準(zhǔn)確性極高.通過使用ANSYS 模態(tài)分析可將繁難的模態(tài)分析工作變得輕松、直觀.同時在ANSYS 環(huán)境中以模態(tài)分析為基礎(chǔ), 還能夠進行其他動力學(xué)分析, 概念清晰簡潔, 計算方便快捷.ANSYS 作為目前在國際上流行通用的大型有限元分析軟件, 易在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計、結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中推廣使用.參考文獻1梁君，趙登峰.模態(tài)分析方法綜述.現(xiàn)代制造工程，2006,08.2孫敬敬.機械結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析方法研究綜述.科技信息，2014,033楊康，韓濤.ANSYS 在模態(tài)分析中的應(yīng)用.佳木斯大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）2005,01.4李朔東，馬綱.基于 ANSYS 的模態(tài)分析二次開發(fā)及應(yīng)用.航天制造技術(shù)，2004,10.5楊勇強，李小瑩，陳號.基于ANSYS Workbench 的離合器殼體的模態(tài)分析.煤礦機械，2014,10.6徐兆華，崔志琴，張騰.基于ANSYS 的6300 柴油機曲軸的模態(tài)分析.煤礦機械，2012,02.7袁安富，