ANSYS模态分析实例和详细过程

均匀直杆的子空间法模态分析

1.模态分析的定义及其应用

模态分析用于确定设计结构或机器部件的振动特性固有频率和振型;即结构的固有频率和振型;它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数..同时;也可以作为其它动力学分析问题的起点;例如瞬态动力学分析、谐响应分析和谱分析;其中模态分析也是进行谱分析或模态叠加法谐响应分析或瞬态动力学分析所必需的前期分析过程..

ANSYS的模态分析可以对有预应力的结构进行模态分析和循环对称结构模态分析..前者有旋转的涡轮叶片等的模态分析;后者则允许在建立一部分循环对称结构的模型来完成对整个结构的模态分析..

ANSYS提供的模态提取方法有:子空间法subspace、分块法block lancets;缩减法reduced/householder、动态提取法power dynamics、非对称法unsymmetric;阻尼法damped; QR阻尼法QR damped等;大多数分析都可使用子空间法、分块法、缩减法..

ANSYS的模态分析是线形分析;任何非线性特性;例如塑性、接触单元等;即使被定义了也将被忽略..

2.模态分析操作过程

一个典型的模态分析过程主要包括建模、模态求解、扩展模态以及观察结果四个步骤..

1.建模

模态分析的建模过程与其他分析类型的建模过程是类似的;主要包括定义单元类型、单元实常数、材料性质、建立几何模型以及划分有限元网格等基本步骤..

2.施加载荷和求解

包括指定分析类型、指定分析选项、施加约束、设置载荷选项;并进行固有频率的求解等..

指定分析类型;Main Menu- Solution-Analysis Type-New Analysis;选择Modal..

指定分析选项;Main Menu-Solution-Analysis Type-Analysis Options;选择MODOPT 模态提取方法〕;设置模态提取数量MXPAND.

定义主自由度;仅缩减法使用..

施加约束;Main Menu-Solution-Define Loads-Apply-Structural-Displacement..

求解;Main Menu-Solution-Solve-Current LS..

3.扩展模态

如果要在POSTI中观察结果;必须先扩展模态;即将振型写入结果文件..过程包括重新进入求解器、激话扩展处理及其选项、指定载荷步选项、扩展处理等..

激活扩展处理及其选项;Main Menu-Solution-Load Step Opts-Expansionpass-Single Expand-Expand modes..

指定载荷步选项..

扩展处理;Main Menu-solution-Solve-Current LS..

注意:扩展模态可以如前述办法单独进行;也可以在施加载荷和求解阶段同时进行..本例即采用了后面的方法

4.查看结果

模态分析的结果包括结构的频率、振型、相对应力和力等

实例1均匀直杆的模态分析

3.问题描述及解析解

图8-1所示为一根长度为L 的等截面直杆;一端固定;一端自由..己知杆材料的弹性模量E=2× 1011 N/m 2护;密度p=7800 kg/m 3;杆长L=0.1 m.要求计算直杆纵向振动的固有频率..

根据振动学理论;假设直杆均匀伸缩;如图8-1所示等截面直杆纵向振动第i 阶固有频率为

ωi =

L

i 2)12(π-ρ

E

rad/s i=1;2…

将角频率ωi 转化为周频率f;并将已知参数代入;可得

f i =πω2i =

L

i 412-ρE

=

1

.041

2⨯-i 7800

10211

⨯= 126592i-1 Hz 8-1 按式8-1计算出直杆的前5阶频率;列表如表8-1所示..

阶次 1 2 3 4 5 频率Hz 12659

37978

63296

88615

113933

4.分析步骤 4.1改变工作名

拾取菜单Utility Menu-File-Change Jobname 弹出如图8-2所示的对话框;在 "/FILNAM "文本框中输入EXAMPLE8;单击“OK"按钮..

4.2创建单元类型

拾取菜单Main M--Preprocessor-Element Type-Add/Edit/Delete;弹出对话框;单击"Add"按钮:弹出对话框;在左侧列表中选择"Structural Solid";在右侧列表中选择"Brick 20node 186";单击"OK"按钮:单击对话框的“Close"按钮..

4.3定义材料属性

拾取菜单Main Menu-Preprocessor--Material Props-Material Models.弹出对话框;在右侧列表中依次双击"Structural"; "Linear"; "Elastic"; "Isotropic";弹出对话框;在"EX"文本框中输入2e11弹性模量.在"PRXY"文本框中输入0.3泊松比.单击"OK"按钮:再双击右侧列表中"Structural"下"Density";弹出对话框;在"DENS"文本框中输入7800密度;单击"OK"按钮..然后对话框..

4.4创建块

拾取菜单Main Menu - Preprocessor – Modeling-Create- Volumes - Block – By Dimension..弹出对话框;在"X1;X2"文本框中输入0;0.01;在"Y1;Y2"文本框中输入0;0.01;在"Z1;Z2"文本框中输入0;0;1;单击"OK"按钮..