有限元分析—模态分析共83页文档
挖掘机动臂有限元模态分析
中 图分 类 号 ：Ｈ１ ，Ｕ ２ 文 献标 识码 ： Ｔ ６Ｔ ６ １ Ａ
挖掘机工作装置的传统设计多采用静力计算确定工作装置
当系统的 自由度很大时对这样一组耦合方程进行求解将非 模态分析方法就是以无阻尼的各阶主振型所对应的模态 的受力 ，依靠 安全系数的选取保证其强度及 可靠性的经验方法 ， 常困难 。 １解耦 ， 变成各个独立的微分方程 。 对 而未能充分考虑其工作 过程 中所受动态载荷带来 的冲击与振动 坐标来 代替物理坐标使式（ ） 问题 。挖掘机作业过程中工作装置时刻处于振动之 中， 且其振动 式（） １ 进行拉氏变换后得到： 怕【］ ） （）＿ ） （） ｓ ｃ＋ ｛ ｓ ｝（ ｝ ２ 陶 ｘ ５
ｒ ｄｏｔｎｔｏｓ ｅ ｗ ｉ ｒ ａｓｌｔｆｅｎｓ ａｄｐａｔ ａ ｒｓ ｉ ｉ ．ｔａｔｔｅ ｏ ｅ ５ｍｏｅ ｒ ｉ ｕ ｉ ｗ ｔ ｓ ｈｃ ａｅ ｂｏｕｅ ｒｅｅｓ ｎ ｒ ｉ ｅｔｃｏ Ａ ｓ． ｒ１ ｄｓａｅ ｅ ｔ ａ ｈ ｃ ｃ ｌ ｒｔｎ ｌ ｈ ｆ ａｏｔｄａｄｅｔｎ ｅ．ｓｉｈｒｎ ｅｕｎｙａｄｍ ｉ ｉｒ ｉ ｏｅｉｒｖｅ ｅ．ｈ ｔｄ ｒｖｄｓｉ— ｄｐｅ ｎ ｘｅｄｄＩ ｎ ｅｅｔｒｑｅｃ ｎ ａｎｖ ａ ｏ ｍ ｄ ｓ ｅｉｗ ｄＴｅｓ ｙ ｐｏｉｅ ｍ— ｔ ｆ ｂ ｔｎ ｕ ｐ ｒ ｔ ｏｅ ｐ ａ ｅｅｆｒ ａｙｉｏ ｍ ｃｖ ｏ， ｄｉｐｏｉｅｆｕ ｄｔ ｎｏ ｅａａ ｓ — ｏｔ ｄｌ ａ ｍ ｔｒｏ ｌ ｓｆ ａ ｏ ｅ ａａ ｒａ ｔ ｒｖｄｓ ｏｎ ａｉ ｔ ｌ ｉ ｏ ｄ ｎ ａ ｍ ｒ ｎ ａ ｓ ｒ ｆ ｘ ｔ ｎ ｏ ｆ ｈ ｎ ｙ ｓｆ ｙ ｎ ｉｐ ｒ ｒ ｎｅａｄｏｔ ｉ ｉ ｒｃｕａ ｙａ ｉ ｃａａｔ ｉｉ ｆｒｔ ｍ ｏ ｃｖ ｏ ｄｔｅ ｍ ｆ ａ ｃ ｅ ｏｍａｃ ｉ ｚ ｏ ｏ ｓ ｕｔｒ ｄｎ ｃ ｈｒ ｅｓｃ ｏ ｅａ ｅ ａａ ｒａ ｎ ｐ ｍ ａ ｎｆ ｔ ｔ ｌ ｍ ｃ ｒ ｔｓ ｈ ｒ ｆ ｘ ｔ ｎ ｈ
有限元模态分析报告实例
ANSYS 模态分析实例5.2ANSYS 建模该课题研究的弹性联轴器造型如下图 5.2 :图勺2弹性联轴器1-联接柴油机大铁圈；茁橡胶膜片；3-联接电动机小铁圈在ANSYS 中建立模型，先通过建立如5.2所式二分之一的剖面图，通过绕中轴线旋转建立模拟模型如下图 5.3资料个人收集整理，勿做商业用途_.:q:4 1(.片三 _」」_止5.3单元选择和网格划分由于模型是三给实体模型，故考虑选择三维单元，模型中没有圆弧结构，用六面体单元划分网格不会产生不规则或者畸变的单元，使分析不能进行下去，所以采用六面体单元。
经比较分析，决定采用六面体八结点单元SOLID185，用自由划分的方式划分模型实体。
课题主要研究对象是联轴器中橡胶元件，在自由划分的时候，中间件2网格选择最小的网格，smart size设置为1,两端铁圈的smart size设置为6,网格划分后模型如图5.4。
资料个人收集整理，勿做商业用途5.4边界约束建立柱坐标系R- &Z,如5-5所示，R为径间，Z为轴向选择联轴器两个铁圈的端面，对其面上的节点进行坐标变换，变换到如图5.5所示的柱坐标系，约束节点R，Z方向的自由度，即节点只能绕Z轴线转资料个人收集整理，勿做商业用途5.5联轴器模态分析模态分析用于确定设计中的结构或者机器部件振动特性（固有频率和振型），也是瞬态变动力学分析和谐响应分析和谱分析的起点。
资料个人收集整理，勿做商业用途在模态分析中要注意：ANSYS模态分析是线性分析，任何非线性因素都会被忽略。
因此在设置中间件2的材料属性时，选用elastic材料。
资料个人收集整理，勿做商业用途5.5.1联轴器材料的设置材料参数设置如下表5-1 :表5.1材料参数设置表5.1材料参数设置5.5.2联轴器振动特性的有限元计算结果及说明求解方法选择Damped方法，频率计算结果如表5-2，振型结果为图5.6：表5.2固有频率ANSYSJ(JL Z4 2003DLSPLA 匚 HUENT STEP ■丄 DK 兀■■占 7VNSYSJUL 24 2005X2i27s331阶提型2阶振型4 / 16rrrp-i5X®屹0忙：-1.41®&l^LACE«ETiTSTEP-cli SUE >4MX ・U15一 - __ H ----- ・ ---------ANSYS3阶振型max趴二I(FL 2£QE12:33:244阶振型附6振型(I) 一阶振型频率为40.199Hz,振型表现为大铁圈和中间件顺时针旋转(从小铁圈观察)，小铁圈逆时针旋转。
ANSYS Workbench 17·0有限元分析：第6章-模态分析
第6章 模态分析 模态分析主要用于确定结构和机器零部件的振动特性（固有频率和振型）也是其他动力学分析（如谐响应分析、瞬态动力学分析以及谱分析等）的基础。
利用模态分析可以确定一个结构。
本章先介绍动力学分析中较为简单的部分★ 了解模态分析。
6.1 模态分析概述模态分析（Modal Analysis ）亦即自由振动分析，是研究结构动力特性的一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。
模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。
模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。
模态分析的经典定义是将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。
坐标变换的变换矩阵为模态矩阵，其每列为模态振型。
对于模态分析，振动频率i ω和模态i φ是由下面的方程计算求出的：[][](){}20i iK M ωφ−= 模态分析的最终目标是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报、结构动力特性的优化设计提供依据。
模态分析应用可归结为：评价现有结构系统的动态特性。
在新产品设计中进行结构动态特性的预估和优化设计。
诊断及预报结构系统的故障。
控制结构的辐射噪声。
识别结构系统的载荷。
ANSYS Workbench 17.0有限元分析从入门到精通受不变载荷作用产生应力作用下的结构可能会影响固有频率，尤其是对于那些在某一个或两个尺度上很薄的结构，因此在某些情况下执行模态分析时可能需要考虑预应力的影响。
进行预应力分析时首先需要进行静力结构分析（Static Structural Analysis ），计算公式为：[]{}{}K x F =得出的应力刚度矩阵用于计算结构分析（[][]0S σ→），这样原来的模态方程即可修改为：[][]()2i K S M ω+− {}0iφ= 上式即为存在预应力的模态分析公式。
有限元模态分析实例
ANSYS模态分析实例5.2ANSYS建模该课题研究的弹性联轴器造型如下图5.2：在ANSYS中建立模型，先通过建立如5.2所式二分之一的剖面图，通过绕中轴线旋转建立模拟模型如下图5.35.3单元选择和网格划分由于模型是三给实体模型，故考虑选择三维单元，模型中没有圆弧结构，用六面体单元划分网格不会产生不规则或者畸变的单元，使分析不能进行下去，所以采用六面体单元。
经比较分析，决定采用六面体八结点单元SOLID185，用自由划分的方式划分模型实体。
课题主要研究对象是联轴器中橡胶元件，在自由划分的时候，中间件2网格选择最小的网格，smart size设置为1，两端铁圈的smart size设置为6，网格划分后模型如图5.4。
5.4边界约束建立柱坐标系R-θ-Z，如5-5所示，R为径间，Z为轴向选择联轴器两个铁圈的端面，对其面上的节点进行坐标变换，变换到如图5.5所示的柱坐标系，约束节点R，Z方向的自由度，即节点只能绕Z轴线转5.5联轴器模态分析模态分析用于确定设计中的结构或者机器部件振动特性（固有频率和振型），也是瞬态变动力学分析和谐响应分析和谱分析的起点。
在模态分析中要注意：ANSYS模态分析是线性分析，任何非线性因素都会被忽略。
因此在设置中间件2的材料属性时，选用elastic材料。
5.5.1联轴器材料的设置材料参数设置如下表5-1：表5.1材料参数设置表5.1材料参数设置5.5.2联轴器振动特性的有限元计算结果及说明求解方法选择Damped方法，频率计算结果如表5-2，振型结果为图5.6：表5.2固有频率(l）一阶振型频率为40.199Hz,振型表现为大铁圈和中间件顺时针旋转（从小铁圈观察），小铁圈逆时针旋转。
(2)二阶振型频率为73.632Hz, 振型表现为大铁圈，中间件和小铁圈同时顺时针旋转（从小铁圈观察）。
(3）三阶振型频率为132.42Hz，振型表现为大铁圈和小铁圈同时逆时针旋转（从小铁圈看），中间件顺时针旋转，由上图我们可以发现，在这个频率下是联轴器最容易发生断裂。
有限元分析—模态分析-2023年学习资料
第二节：术语和概念-通用运动方程：-Mi+c+ku=F->假定为自由振动并忽略阻尼：[M]{+[K]K4} {O}-假定为谐运动：-[K]-o2[M]u}={oy-这个方程的根是02，即特征值，i的范圆从1到自由度 的数目，相应的向量是{u,即特征向量。-注意：·模春分折假定结构是线性的，[M和[K]保持为事数-·简潜运 方程u=uoC0swt,其中w为自振圆周频率（狐度/秒）
第一节：模态分析的定义和目的-第二节：对模态分析有关的概念、术语以及-模态提取方法的讨论-第三节：-学会如 在ANSYS中做模态分析-第四节：-做几个模态分析的练习-第五节：-学会如何做具有预应力的模态分析-第六节 学会如何在模态分析中利用循环对称性
第一节：定义和目的-什么是模态分析？->模态分析是用来确定结构的振动特性的一种技术：->自然频率-D振型振型参与条数（即在特定方向上某个振型在多火程-度上-参与了振动->模态分析是所有动力学分析类型的最基础的内 。
模态提取方法-不对称法-不对称法适用于声学问题（具有结构藕合作用）和其它类似-的具有不对称质量矩阵[M]和 度矩阵[K灯的问题：-少计算以复数表示的特征值和特征向量-实数部分就是自然频-虚数部分表示稳定性，负值表示 定，正值表示不确定-注意：不对称方法采用Lancz0s算法，不执行Sturm序列检查，所-以造漏高端频率。
模态提取方法·阻尼法-在模态分析中一般忽略阻尼，但如果阻尼的效果比较朋显，就要-使用阻尼法：-主要用于回转 动力学中，这时陀螺阻尼应是主要的；-D在ANSYS的BEAM4和PIPE16单元中，可以通过定义实常数中SPIN旋转速度，孤度/秒选项来说明陀螺效应；-》计算以复数表示的特征值和特征向量。->虚数部分就是自然频 ；-实数部分表示稳定性，负值表示稳定，正值表示不确定。-注意：-该方法采用Lancz0s算法-不执行Stu m序列检查，所以造漏高端频率-不同节点间存在相差-响应幅值=实部与虚部的矢量和
有限元分析培训(第4讲 ANSYS Workbench结构静力分析&模态分析)
有限元分析培训
邵世林 喻炜 董大鹏
传统设计过程 设计 制造
重新设计循环
CAD
试验
批量生产
CAE驱动设计过程
概念设计
设计
CAD
CAE
制 造
试 验
批量生 产
优化循环
导入或建立几何模型
HyperMesh、ANSA、Patran、SimXpert、 MEDINA、FEMAP等
四 连接关系
接触类型
对于理想无限大的Knormal , 零穿透. 但对于罚函数法， 这在数值计算中是不可能，但是只要Xpenetration 足够 小或可忽略，求解的结果就是精确的。
四 连接关系
接触类型
Pure Penalty 和Augmented Lagrange 公式使用积分点探测，Normal Lagrange 和MPC 公式 使用节点探测(目标法向)。节点探测在处理边接触时会稍好一些，但是，通过局部网格细化， 积分点探测也会达到同样的效果。
Nastran
ANSYS
Samcef Linear
OptiStruct
FEPG
（国产）
MSC
非线性分析
Marc
ADINA
Samcef Mecano
Fluent 流体分析
Star-CD Star-CCM+
XFlow
PowerFlow
LS-DYNA
MSC
显式分析
Dytran
Radioss
MADYMO
结构静力分析 & 模态分析
有限元分析系列课程 ANSYS Workbench篇 第四讲
一 结构静力分析概述
ansys有限元模态分析详解
培训手册
ANSYS80模态分析——段志东制作
•
定义结构振动特性的方法：
– 固有频率 – 模态形式 – 模态参与因子（在特定方向上某个模态的参与的程度）
•
模态分析是各种动力学分析类型最基础的内容。
1-3
模态分析
… 定义和目的
模态分析的优点
培训手册
ANSYS80模态分析——段志东制作
• 使结构设计避免共振或按特定频率进行振动（例如扬声器） • 使工程师可以认识到对于不同类型的动力载荷结构是如何响应的 • 有助于在其它动力分析中估算求解控制参数（如时间步长）
1-7
模态分析 – 术语和概念
模态提取法
• 在ANSYS中有以下几种模态提取方法：
– – – – – – – 分块Lanczos 法（缺省） 子空间法 PowerDynamics法 缩减法 非对称法 阻尼法(full) QR 阻尼法
培训手册
ANSYS80模态分析——段志东制作
•
使用何种模态提取方法主要取决于模型大小（相对于计算机的计算能 力而言）和具体的应用场合
培训手册
1-11
ANSYS80模态分析——段志东制作
模态分析 – 术语和概念
… 模态提取法 – 缩减法
• 如果模型中的集中质量不会引起局部振动，例如象梁和杆那样，可以使 用缩减法：
– 内存和磁盘要求较低
– 它是所有方法中最快的 – 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 – 质量矩阵[M]精确程度取决于主自由度的数目和位置 – 通常不推荐使用，因为： • 在选择主自由度需要有很高的要求 • 分块Lanczos 法能有效的取代该方法 • 降低了硬件的花费
有限元分析模态分析讲课文档
• 位移
现在二页，总共八十页。
第一节： 模态分析的定义和目的 第二节： 对模态分析有关的概念、术语以及
模态提取方 法的讨论 第三节： 学会如何在ANSYS中做模态分析 第四节： 做几个模态分析的练习
第五节： 学会如何做具有预应力的模态分析
注意:
• 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(弧度/秒）
现在六页，总共八十页。
• 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 {u}i 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
现在二十四页，总共八十页。
施加边界条件并求解
建模 选择分析类型和选项 施加边界条件并求解： • 位移约束： 下面讨论 • 外部载荷： 因为振动被假定为自由振动，所以忽略外部载荷。 然而，ANSYS程序形成的载荷向量可以在随后的模态叠加分析中使用
• 求解：以后讨论
现在二十五页，总共八十页。
施加边界条件并求解
• 阻尼：
–阻尼仅在选用阻尼模态提取法时使用； – 可以使用阻尼比阻尼和阻尼； –对BEAM4 和 PIPE16 单元，允许使用陀螺阻尼。
现在二十三页，总共八十页。
选择分析类型和选项的典型命令
LUMPM，OFF or ON PSTRES，OFF or ON ALPHAD，... BETAD，... DMPRAT，...
第六节： 学会如何在模态分析中利用循环对称性
现在三页，总共八十页。
有限元分析—模态分析PPT共83页
28、目标的坚定是性格中最必要的力 量泉源 之一， 也是成 功的利 器之一 。没有 它，天 才也会 在矛盾 无定的 迷径中 ，徒劳 无功。- -查士 德斐尔 爵士。 29、困难就是机遇。--温斯顿．丘吉 尔。 30、我奋斗，所以我快乐。--格林斯 潘。
1、最灵繁的人也看不见自己的背脊。——非洲 2、最困难的事情就是认识自己。——希腊 3、有勇气承担命运这才是英雄好汉。——黑塞 4、与肝胆人共事，无字句处读书。——周恩来 5、阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根
有限元模态分析实例
ANSYS模态分析实例5.2ANSYS建模该课题研究的弹性联轴器造型如下图5.2：在ANSYS中建立模型，先通过建立如5.2所式二分之一的剖面图，通过绕中轴线旋转建立模拟模型如下图5.35.3单元选择和网格划分由于模型是三给实体模型，故考虑选择三维单元，模型中没有圆弧结构，用六面体单元划分网格不会产生不规则或者畸变的单元，使分析不能进行下去，所以采用六面体单元。
经比较分析，决定采用六面体八结点单元SOLID185，用自由划分的方式划分模型实体。
课题主要研究对象是联轴器中橡胶元件，在自由划分的时候，中间件2网格选择最小的网格，smart size设置为1，两端铁圈的smart size设置为6，网格划分后模型如图5.4。
5.4边界约束建立柱坐标系R-θ-Z，如5-5所示，R为径间，Z为轴向选择联轴器两个铁圈的端面，对其面上的节点进行坐标变换，变换到如图5.5所示的柱坐标系，约束节点R，Z方向的自由度，即节点只能绕Z轴线转5.5联轴器模态分析模态分析用于确定设计中的结构或者机器部件振动特性（固有频率和振型），也是瞬态变动力学分析和谐响应分析和谱分析的起点。
在模态分析中要注意：ANSYS模态分析是线性分析，任何非线性因素都会被忽略。
因此在设置中间件2的材料属性时，选用elastic材料。
5.5.1联轴器材料的设置材料参数设置如下表5-1：表5.1材料参数设置表5.1材料参数设置5.5.2联轴器振动特性的有限元计算结果及说明求解方法选择Damped方法，频率计算结果如表5-2，振型结果为图5.6：表5.2固有频率(l）一阶振型频率为40.199Hz,振型表现为大铁圈和中间件顺时针旋转（从小铁圈观察），小铁圈逆时针旋转。
(2)二阶振型频率为73.632Hz, 振型表现为大铁圈，中间件和小铁圈同时顺时针旋转（从小铁圈观察）。
(3）三阶振型频率为132.42Hz，振型表现为大铁圈和小铁圈同时逆时针旋转（从小铁圈看），中间件顺时针旋转，由上图我们可以发现，在这个频率下是联轴器最容易发生断裂。