ANSYS模態(tài)分析實(shí)例和詳細(xì)過(guò)程

1、均勻直桿的子空間法模態(tài)分析1. 模態(tài)分析的定義與其應(yīng)用模態(tài)分析用于確定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)或機(jī)器部件的振動(dòng)特性(固有頻率和振型)，即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，它們是承受動(dòng)態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。同時(shí)，也可以作為其它動(dòng)力學(xué)分析問(wèn)題的起點(diǎn)，例如瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、諧響應(yīng)分析和譜分析，其中模態(tài)分析也是進(jìn)行譜分析或 模態(tài)疊加法諧響應(yīng)分析或瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析所必需的前期分析過(guò)程。ANSYS的模態(tài)分析可以對(duì)有預(yù)應(yīng)力的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析和循環(huán)對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析。前者有旋轉(zhuǎn)的渦輪葉片等的模態(tài)分析，后者那么允許在建立一局部循環(huán)對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的模型來(lái)完成對(duì)整 個(gè)結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析。ANSYS提供的模態(tài)提取方法有 ：子空間法(subspace)、分

2、塊法(block lancets), 縮減法 (reduced/householder) 、動(dòng)態(tài)提取法(power dynamics) 、非對(duì)稱(chēng)法(unsymmetric), 阻尼法 (damped), QR阻尼法(QR damped)等，大多數(shù)分析都可使用子空間法、分塊法、縮減法。ANSYS的模態(tài)分析是線形分析，任何非線性特性，例如塑性、接觸單元等，即使被定義 了也將被忽略。2. 模態(tài)分析操作過(guò)程一個(gè)典型的模態(tài)分析過(guò)程主要包括建模、模態(tài)求解、擴(kuò)展模態(tài)以與觀察結(jié)果四個(gè)步 驟。(1) .建模模態(tài)分析的建模過(guò)程與其他分析類(lèi)型的建模過(guò)程是類(lèi)似的，主要包括定義單元類(lèi)型、單元實(shí)常數(shù)、材料性質(zhì)、建立幾何模

3、型以與劃分有限元網(wǎng)格等根本步驟。(2) .施加載荷和求解包括指定分析類(lèi)型、指定分析選項(xiàng)、施加約束、設(shè)置載荷選項(xiàng)，并進(jìn)行固有頻率的 求解等。指定分析類(lèi)型， Main Menu- Solution-Analysis Type-New Analysis,選擇 Modal。指定分析選項(xiàng)，Main Menu-Solution-AnalysisType-Analysis Options，選擇 MODOP模態(tài)提取方法，設(shè)置模態(tài)提取數(shù)量 MXPAND.定義主自由度，僅縮減法使用。施加約束，Main Me nu-Solutio n-Defi ne Loads-Apply-Structural-Displacem

4、e nt。求解，Ma in Men u-Solutio n-Solve-Curre nt LS。(3) .擴(kuò)展模態(tài)如果要在POSTI中觀察結(jié)果，必須先擴(kuò)展模態(tài)，即將振型寫(xiě)入結(jié)果文件。過(guò)程包括重新進(jìn)入求解器、激話擴(kuò)展處理與其選項(xiàng)、指定載荷步選項(xiàng)、擴(kuò)展處理等。激活擴(kuò)展處理與其選項(xiàng)，Main Me nu-Solutio n-Load Step Opts-Expa nsio npass-Si ngleExpand-Expand modes。指定載荷步選項(xiàng)。擴(kuò)展處理， Mai n Menu-solutio n-Solve-Curre nt LS 。注意:擴(kuò)展模態(tài)可以如前述方法單獨(dú)進(jìn)行，也可以在施加載荷和

5、求解階段同時(shí)進(jìn)行。本例即采用了后面的方法(4) .查看結(jié)果模態(tài)分析的結(jié)果包括結(jié)構(gòu)的頻率、振型、相對(duì)應(yīng)力和力等實(shí)例1均勻直桿的模態(tài)分析3問(wèn)題描述與解析解圖8-1所示為一根長(zhǎng)度為 L的等截面直桿，一端固定，一端自由。己知桿材料的彈性模量E=2X 1011 N/ m2護(hù)，密度p=7800 kg/ m3，桿長(zhǎng)L=0.1 m.要求計(jì)算直桿縱向振動(dòng)的固有頻率。圖均勻宜桿的闔有頻率分析根據(jù)振動(dòng)學(xué)理論，假設(shè)直桿均勻伸縮，如圖8-1所示等截面直桿縱向振動(dòng)第i階固有頻率為= (2i 1) i = 2L.E rad/s (i=1,2)將角頻率i轉(zhuǎn)化為周頻率f ,并將參數(shù)代入，可得廠詈,冷,2780011 =1265

6、9(2i-1)Hz(8-1)階次12345頻率(Hz)12659379786329688615113933按式(8-1)計(jì)算出直桿的前5階頻率，列表如表8-1所示。4.分析步驟4.1改變工作名拾取菜單 Utility Men u-File-Cha nge Job name彈出如圖 8-2所示的對(duì)話框，在"/FILNAM" 文本框中輸入 EXAMPLE8單擊“ 0K按鈕。IK.-CE?W 2C 2M6Modalq>£ unxfora 0匚雷-厲心口匸呂肆4.2創(chuàng)立單元類(lèi)型拾取菜單Main M-Preprocessor-Eleme nt Type-Add/Edi

7、t/Delete,彈出對(duì)話框，單擊"Add"按鈕：彈出對(duì)話框，在左側(cè)列表中選擇"StructuralSolid" ，在右側(cè)列表中選擇 "Brick20node 186",單擊"OK"按鈕：?jiǎn)螕魧?duì)話框的“ Close"按鈕。A Element Types吊iZKdi 十廣PreferencesPrepr 匚上 ssuj s EIejiebt TmdeE：E Swi (ah El也ii Tjrpfe I? Add DOFDefined EL err已rrt 丁“旦可nr® de町旺dB Rtmoy

8、DOFs§ Elen Tech Control0 Real Cans V euitsS Material PropsEl SectionsH lu del lii%s Xcahinc0 Checking Ctrlsa NuMbericig CtrlsS Archivr VodrlS Cciupliicm / Ceqp EHlulti-field Set Up til Lu adlss Physics0 Path Oprrnli onn SuluCionr<ti onm . 1 Dr'let eCloeeGeninrni Postproc TineULst Poetpro

9、 ROK ToolRadiation Opt Sesiiuii Edilurni nh/ _ib'jry cf Element ypc&ncret 6520rude 1B620node 186Drr y structural ? emert t'/pes Library of Elennent TypesQuad 4 node L&28 node 183Brick 3 node L&5Cdiictrl4.3定義材料屬性拾取菜單 Main Menu-Preprocessor-Material Props-Material Models.彈出對(duì)話框，在右側(cè)列

10、表中依次雙擊 "Structural", "Li near", "Elastic", "Isotropic"，彈出對(duì)話框，在"EX"文本框中輸入2e11彈性模量.在"PRXY'文本框中輸入0.3泊松比.單擊"OK"按鈕： 再雙擊右側(cè)列表中"Structural" 下"Density", 彈出對(duì)話框，在"DENS'文本框中輸入 7800密 度，單擊"OK"按鈕。然后對(duì)話框。13 Pr

11、 f cTenc: csEj Preprocessor3 Element TypeIB Re&IB I h i nri al PrtipfiFl WntKT?理1 Library u Teweratiire Lhiit!； 士 辰.gutma畧 Uni H 呂-Cunverl ALPm SChnngn Inf Niib in Fni Inirr Critrria Hffritc to Flic 9 Read frra File ffi Sections 習(xí) Ro<31iiig 田 K Rfihi ng 田 Checkihr Ctrls 3 Hunberlns Ctrle 0 Ar

12、chive ladel S Cuuplin / S Rnlti-fiel d Set Vp 3 l-irnds03 Fulh Opt-raliuna 0 Soluti on GeneraI Postproc B Ti=Hi st Posti>TO mEDI Toolin Dt ui ijiiKpl ui ei 0 Prob Di*ai sn EJ Radi ati on OptF-A Linear Isotropic Properties for Material Number 1Linear Isotrupic JlaterLal Properties for Natecrial Wu

13、inber 1T1PRXTTempera tore Delete TempeTatureCancelf DnEity for Material NumberOKDensity for Material Number 1T1TemperaturesDENS7800Add TeinperatureDelete Temperatur巴Graph |OK I CancelHdp4.4創(chuàng)立塊拾取菜單 Main Menu - Preprocessor - Model in g-Create- Volumes - Block- ByDimension。彈出對(duì)話框，在"X1,X2"文本框中

14、輸入 0,0.01，在"Y1,Y2"文本框中輸入 0,0.01 , 在"Z1,Z2"文本框中輸入 0, 0,1,單擊"OK"按鈕。F- PrrfrTnncrs曰 PreprocessorG3 Elrneot Typel±) RealI Const ELnt sB latcrialIB Seclitiai； Modellzig日 CrfintcB KeypointsS LinesS AreasEl VoliutegH krbi LraxpyFlBy 2 CcirncTS A Z 0 Bjy C已rrt巧 Carnr. ZDii

15、nefisiaja：Q Cyl 1ndex (±1 Pri swi 田 Sphere 間 Cuue TonmEl NodfnS Kle*t：nlgS Cunt 3.c l f'a_LrECircuiIffl TrariEdiicerc R OperutvB V nvr / Ifld-i fy 田 CopyB Rtifl ectW Chiet k Gr uhj出 Delete0.00.010.00-010.1|CancelHelpABio：.:k b L；BLOC< Create Bieck by Cinriensions X1,X2 X-c&*rdifiatMV

16、1PY2 V-coordiratesZ1,Z2 Z-cocrdirateGOK IApply4.5劃分單元拾取菜單Main Men u-Preprocessor-Meshi ng-MeshTool。彈出對(duì)話框，單擊''Size.Controls"，區(qū)域中"Lines"后"Set"，按鈕，彈出拾取窗口，任意拾取塊 x軸和y軸方向的 邊各一條短邊，單擊0K"按鈕，彈出對(duì)話框，在"NDIV"文本框中輸入3，單擊"Apply"按鈕: 再次彈出拾取窗口，拾取塊 z軸方向的邊長(zhǎng)邊，單擊&qu

17、ot;OK"按鈕。在"NDIV"文木框中輸入 15,單擊"OK"按鈕。csliTuuiLtemenl Atlfitwtei.| llobil二|S*廠 SriarrSidJFine6CO9I3®M»hToolSie Controls吐b°lleafChaLnetClwrFlpClearClr曲4豈廠 Mqppe:zweepMesh:占件&:pniTsirid目 Pref ercn c c s曰 Pr cpiroc Es s nrE Element Type叵 Real Const zmts回 lat Erl

18、al Props Sect iansE fludEllngB IcshineS lesli AttxibiJites Size Ctitrl sBIcsher Opts CuuGaLcuat c I call ludif/ IrUi Clicck Ic±ihEl Clear Check!tig CIris Niuiberiii C IrlaIH Archive ludel Cuuplit / Ceqn lulti-field Set Up Luals Physics Path OpeiiiliuiL Sulutiun Gent;cal rosLprut TinBHi&t Pu

19、slpru ROff Tuol DesiiXplurcr Prob Dc&Irii RudiatiuiL OplS Sestiiuri Edi I urf Element Sizs on Picked JnesSIZE Elemerrt edge lengthLESIZE Element sizes cnpi匚ked linesNOIV No. of element divisionsCNDIV is used only if SIZE is blank or zero)KYND1V SI2E.NDIV can be changedSPACE Spacirg ratioANGS1Z D

20、ivision arc (degreesC use ANGS1Z 口rrly i£ nuim ber cf divisions (NDIV) and色lenient q討g芒 length SIZE are blank ar ;&ro)O<Can&lHelp匚lear attached areas and volumes| MoLES1ZE Element sues on picked linosSIZE Elem&nt frdge lengthfMDIV No. of element divisions(NDIV is used only if SIZ

21、E is blank or zero) KYND1V S1ZE.NDTV can be changedSPA匚E Spacing ratioANCSIZ Division arc degrees7 Yesf use ANGSIZ crrly if number of divisions (NDIV) and element edge length (SIZE are blank or zero)Clear attached areas and volumesApp*yC ancel在Mesh區(qū)域，選擇單元形狀為"Hex"六面體，選擇劃分單元的方法為"Mapped&

22、quot;映射 單擊Mesh按鈕，彈出拾取窗口，單擊"OK"按鈕。MeshToolElement Attributes:2JCoarse'Snnait Size jJFiria8Size Ccntiofc:GlobalAreasLinesLaverKevpts輔強(qiáng)h:| Volumes |Shape： C Tet C*7 HexQ Hepped 1 Sweep| 3 or 4 sided 二|hl «hI匚I沏F!的匕 at Elements二|Refine圖1單元?jiǎng)澐?.6施加約束拾取菜單MainMen u-Solutio n-Defi neLoads-

23、Apply-Structural-Displaceme nt-On Areas彈出拾取窗口，拾取z=0的平面，單擊"OK"按鈕.彈出對(duì)話框，在列表中選擇"UZ",單擊"Apply"按鈕;再次彈 出拾取窗口，拾取y=0的平面，單擊"OK"按鈕，彈出對(duì)話框，在列表中選擇"UY"，單擊"Apply" 按鈕再次彈出拾取窗口，拾取x=0的平面，單擊"OK"按鈕，彈出對(duì)話框，在列表中選擇"UX"，單擊"OK"按鈕。所加約束與圖8

24、-1不同.主要是為了與推導(dǎo)式8-1所作的軸向振動(dòng)假設(shè)一致。約束施加的正確與否，對(duì)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析的影響十分顯著，因此對(duì)于該問(wèn)題應(yīng)十分注意， 保證對(duì)模型施加的約束與實(shí)際情況盡量符合。罔 Preferences El Preprocessor 日 Solution AnaLyci s Type Define LoadsS Set tinje 曰 Apply Structurala Displacenent 訶 On Lincs 刊 耳 On Keypoint sOn NndRK 問(wèn) On Node Cuiipunt：nt： El SynuiiPtT-y Br Ant i- symin 氏 C- R F

25、nnpiit Pressure0 T emperatvie 田 IneTTia 閏 Pretncn Se<tn £3 Geel Plane Strain 田 Other 田 F讓M Voluiic Intr Ini ti al Condit* n Load Vector 國(guó) Functioruj3 Delete13 OpcrotcApp'ly Ul.ROT on AreasQ3UDt =1Maxinim tMznzim 1Ar e a g =1t* 14 謂 h ef I fan 口 廣 MintI Na_zF IncANSYSMOT 20 2DLPlci M,1 He

26、pHodal analysis of uniformOA ApplyURO" w reasLab2 DOFs to he corstrained/ Apply UrROT on Area <Apply 科if Constant value then;VALUE Displacement valueCancelIApply C'.FOl on Areasif* Live of iTp-aMiei, MiSK, lacC3Pik AllHlpMcda.1 cLRalyslB o£ unxEczn. tr_3ubapace(* Single 廣 BckMOV 20

27、2021xr?： 38：14 /、OA Apply DiphccmnUURO"暫n Areas Lab2 DOFs to he corstrainedf Apply UrROT on Area lApply 科if Constant value then;VALUE Displacement valueOKApplyCancel4.7指定分析類(lèi)型拾取菜單 Main Menu-Solution-AnalysisType-New Analysis。彈出對(duì)話框，選擇"Typeof Analysis" 為"Modal",單擊"OK"

28、按鈕。 Preferences S Preprocessor Solution曰 Analysis Type旨 Restart 旨 Sol n ControlsS Define LoadsE Load Step OptsS SE Kanagement (CIS) Results I rackingS Solve田 Manual Rezaning s Multi-field Set Up 國(guó) AD AIS Coiuiect£on S OiagnQstiQsS Unabridged Icnu3 General Postproc 國(guó) TimeHist Postprw ROH Tool田 D

29、esignXplorerQ Prob DesignS Radi ation Opt § Session Editor 園 Finishirrsinriwri lire Tin r>制站IC HarmonicC Transient廠 Spectrum 廣 Eign BucklingC Substructuring/CMSOK ICan c*l IHelp I4.8指定分析選項(xiàng)拾取菜單 Ma in Men u-Solutio n-A nalysis Type-A nalysis Optio ns。彈出對(duì)話框，在"No. of modes to extract"

30、文本框中輸入 5，單擊"OK"按鈕：彈出"Block Lanczos Method", 單 擊"OK"按鈕。B PreferencesE Pireprocessor 曰 Solutiont ions Analysi s Type New Analysis 旨 ExpqnslonPgLss田 Define LoadsEl Load Step OptsIH SE nanageiDent (CHS) 5Results Tracking 0 SolveEl Manual Rezoning 0 lulti-field Set Up El AD

31、AIS Cannection0 DiagnosticsS Unabridged Menu General PostprDc TimeHi st PostproE ROM ToolE BesignXplorer(±1 Prob DesignE Radiation OptSession Editor園 Finish/ Ih/lodal AnalysisMODOPT Mode extraction method廣 Block Lanczos <* PCG LanczosC ReducedC Un symmetricC DampedC QR DampedC SupernodeNo. o

32、f modes to eictract(must be specified For 自|l methods except the Reduced metliod)MXPANDExpand mode shap»臣¥esNMODE No of modes to expand5|Elealc Calculate elem result?廠NoLUMPM Use lumped mass approx?廠NqPSTRES ncl prestress effects?|NoOK |BnT |Help I4.9指定要擴(kuò)展的模態(tài)數(shù)拾取菜單 MainMenu-Solution-LoadSte

33、pOpts-Expansionpass-SingleExpand-Expand modes。彈出對(duì)話框，在 "NMODE文本框中輸入 5,單擊"OK"按鈕。4.10求解拾取菜單 Main Menu-Solution-Solve-CurrentLS。單擊"Solve Current Load Step對(duì)話框的"OK'按鈕。出現(xiàn)"Solution is done! 提示時(shí)，求解完畢，即可查看結(jié)果了。S PrefcrexiGcsS Preprocessor曰 Solution Analysi s TypeS Define Loads

34、回 Load Step OptsE SE ManageifiEnt (CMS) SResults TrackingSolveS3Nanual Rezoning Iulti_field Set Up ADAM5 Connection Diagnostics S Unabridged Menu General Postproc TimeHist P口stpro ROI Tool DeslgnXpLorer Prob Design Q Radiati on Opt H Session. Ediior 邑 Finish'urrent LSEE 田 S圖2求解結(jié)果4.11列表固有頻率拾取菜單 M

35、ain Me-General Postproc-Results Summary 。彈出窗口，列表中顯示了模型的前5階頻率，與表8-1相對(duì)照，可以看出結(jié)果雖然存在一定的誤差，但與解析解是基本符合的。查看完畢后，關(guān)閉該窗口。SPreferencesE PreprocessorE SolutionResults Summar口 GeiLexal Postpxoc 聞DEa圧氏Optw國(guó) Read Re sult s閏 Failure Criteria田 Plot ResultsE List ResultsE Query Results1 Opt!ons for OutpS Results Vi ew

36、erE Write PGR TileE Nodal CalcsE Element TableE Path OperationsE Surface OperationsS Load CaseE Check Elem Shape 閔 Wri 1: e Resul t sE RON OperationsE SubmodelingB FatigueQ Safety FactorS Define/Hodify圍 Nonlinear Diagnostics 闔 Reset(±l Manual RezoningE TineHi st Postpro國(guó) ROM ToolE OesignXploTer

37、SETrLJST Comm 3 n4.12從結(jié)果文件讀結(jié)果拾取菜單 Main Menu-General Postproc-Read Results-First Set.4.13改變視點(diǎn)為便于更好地觀察模型的模態(tài)。拾取菜單Utility Menu-PlotCtrls-Pan ZoomRotate. 在彈出的對(duì)話框中，單擊“ Left 按鈕.Pan-oom-R-otsteWindow TTopFrontEot禹ck| ObliqLeftRQht WPZoom Bad. UpBox Zoo n J Wiri Zoom.304 JRate廠 Dpnamic Mode存 ModelLights1LLtH

38、ENlSANSYSNOV 20 202117:52:21Mudd! AQdlym丄2uil±£o£a str_AuLapdce4.14用動(dòng)畫(huà)觀察模型的一階模態(tài)拾取菜單 Utility Menu-PlotCtrls-Animate-Mode Shape。彈出對(duì)話框，單擊" OK按鈕。觀察完畢，單擊"Animation Controller "對(duì)話框的"close"按鈕。H Preferences E Preprocessor ® Sol-utLon 日 General Postproc Data A File Opts 國(guó) Results Siuiunaxy B Rcd ResultsSFirst Set 圍 Next Set 邑 Pxeious Set 邑 Last SetPickS aa圍 By Load Step SBy Time/Freq 園 By Set Numbex B FLOTRAN 2.1A E Failure Criteria Plot Results S List Results Query Res