固有频率计算和分析实例精讲—压缩机曲轴分析
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工况条件
曲轴使用材料为40CrMoMn，曲轴的支撑约束情况如图所示，使用局部圆柱坐标系，约 束除沿轴线转动自由度外的其余五个自由度，计算曲轴结构自由模态与约束模态的前3 阶固有频率和相应的振型。
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8.3 问题分析
（1）曲轴结构的几何模型上的一些小尺寸的圆孔、倒角等，可以在理想化几何模 型中进行处理，并不影响模态参数的计算。
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本章节主要内容:
基础知识 问题描述 问题分析 操作步骤 本节小结
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8.1 基础知识
主要内容分为2大部分： 有限元法模态分析理论基础 结构模态分析操作流程
.
8.2 问题描述
如图所示为某一压缩机用的曲轴模型，曲轴是该类产品的关键零部件，为避免该 产品在使用中出现过大的振动破坏情况，需对曲轴零部件进行模态分析，曲轴的 正常工作转速在800r/min，在设计中根据实际的需要要求正常转速低于第一阶临 界转速；
.ຫໍສະໝຸດ Baidu
单击确定
4）仿真导航器新增节点
单击【创建解算方案】对话框的【确定】 按钮，注意到【仿真导航器】窗口分级树 中新出现了相关的数据节点，如图所示。
单击工具栏中的【保存】按钮，将上述操 作成功的仿真模型和数据及时保存起来。
仿真导航器 新增节点
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（5）求解自由模态
在【仿真导航器】窗口分级树中单击【Crank Shaft_sim1.sim】节点，单击求解，
（2）可以按照先计算曲轴的自由模态，然后在此基础之上施加约束，计算约束模 态的求解思路和计算自由模态的求解思路一致。UG NX高级仿真计算结构模态的操 作顺序和操作步骤和静力学分析过程相似，在几何体模型基础上，可以进行理想 化模型操作，然后建立有限元模型（包括赋予材料属性、定义单元属性、划分网 格等），在仿真模型环境中，如果不定义边界约束条件，那可以求解该结构的自 由模态（6个DOF均为自由）；如果定义了边界约束条件，那可以求解该结构的约 束工况模态，但是有一点相同的，那就是不必进行定义作用载荷操作。
单击【确定】
.
4）划分网格
单击工具栏中的【3D网格】命令，弹出【3D网格】对话框；
设置相 关参数
.
5）检查单元质量
单击工具栏中的【单元质量】图标，弹 出【单元质量】对话框，如图所示。 设置相 关参数
单击该命令
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（4）创建仿真模型
1）单击【仿真导航器】窗口分级树的 【Crank Shaft_fem1.fem】节点，右键弹 出快捷菜单，单击【新建仿真】，弹出 【新建部件文件】对话框，在【名称】中 修改为【Crank Shaft_sim1.sim】, 选择 本实例高级仿真相关数据存放的【文件 夹】，单击【确定】按钮，弹出【新建仿 真】对话框，如图所示,默认所有的选项，
1）定义材料属性
单击工具栏中的【指派材料】图标，弹出【指派材料】对话框； 设置相关参数
单击该命令 .
2)创建物理属性
单击工具栏中的【物理属性】图标，弹出【物理属性表管理器】对话框
选择材料
单击【创建】
单击【确定】
.
3)网格属性定义
单击工具栏中的【网格收集器（俗称为：网格属性定义）】图标，弹出【网格捕集器】 对话框
仿真导航器新 增节点
.
（2）优化（理想化）模型
在【仿真导航器】窗口分级树中，单击【fem1_Crank Shaft_i.part】节点，右键 弹出快捷菜单【设为显示部件】并单击之（也可以直接双击该节点），即可进入 优化模型的环境。
右键单击【fem1_Crank Shaft_i.part】节点，选择【提升】命令，在窗口图形中 选择整个曲轴模型作为要提升的选择体，单击【确定】。
单击【确定】按钮；
单击确定
.
2）创建解算方案
弹出【创建解算方案】对话框，如
图所示，在【名称】中修改为
【Solution 1】，【解算方案类型】
选取为【SOL 103 Real
Eigenvalues】。
设置相关
参数
单击确定
.
3）设置工况控制参数
单击【创建解算方案】对话框下面【工 况控制】选项卡，出现相应的选项及其 参数对话框，默认【特征值方法】选项 为【Lanczos法】，单击【Lanczos法】 右侧的【创建模型对象】图标，弹出如 图所示的【实数特征值】对话框； 设置参数
待求解完成关闭相应的窗口，如图所示。双击【结果】命令窗口，出现模态后处理结
果。
后处理导航
器新增节点
解算监视器对话
.
框图
（6）后处理及其动画演示
1）在【后处理导航器】窗口中，可以发现在【Crank Shaft_sim1.sim】的 【Solution 1】前6阶模态非常接近零，是因为此次计算的是曲轴的自由模态，放开了 6个自由度，因此在6个自由度方向中出现了刚体位移，读者可以点击进行查看相对某 一自由度的刚体位移形式。从后处理导航器可以看出：曲轴模型的第1阶固有频率为 56.51Hz，第2阶固有频率为58.71Hz，第3阶固有频率为137.2Hz。
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1）理想化几何体
在工具栏上单击【理想化几何体】命令，弹出【理想化几何体】对话框；
油孔1
油孔2
设置相 关参数
删除曲轴上两 个贯通的油孔
.
2）移除几何特征
删除模型上的油孔后会发现，在油孔删除部位处还残留有前面的断线，选择【移 除几何特征】命令，
选取相应 的对象
移除几何特征 操作后示意图
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（3）创建有限元模型
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8.4 操作步骤
8.4.1 曲轴结构自由模态的计算 创建有限元模型 优化（理想化）模型 创建有限元模型 创建仿真模型 求解自由模态 后处理及其动画演示
8.4.2 曲轴结构约束模态的计算 施加约束条件 求解约束模态 后处理及其动画演示
8.4.3 曲轴结构模态计算精度的对比
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第8章 固有频率计算和分析实例精讲—压缩机曲轴分析
本章内容简介 本实例以压缩机曲轴单个零部件的结构模态为分析对象，在介绍有限元法模
态分析的基础上，构建该结构有限元模型和仿真模型，分别求解该结构的自由模 态与约束模态，得到相应条件下的模态参数，包括各阶固有频率与振型，为进一 步进行结构动力学分析提供必要的基础参数。
8.4.1 曲轴结构自由模态的计算
o 打开随书光盘part源文件所在的文件夹路径： Book_CD\Part\Part_CAE_Unfinish\Ch08_Crank Shaft，选中文件Crank Shaft.prt，调出曲轴三维实体模型。
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（1）创建有限元模型
依次左键单击【开始】和【高级仿 真】，在【仿真导航器】窗口分级 树中单击【Crank Shaft.prt】节 点，新建FEM，并进行相关操作； 单击【确定】按钮即可进入了创建 有限元模型的环境；
工况条件
曲轴使用材料为40CrMoMn，曲轴的支撑约束情况如图所示，使用局部圆柱坐标系，约 束除沿轴线转动自由度外的其余五个自由度，计算曲轴结构自由模态与约束模态的前3 阶固有频率和相应的振型。
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8.3 问题分析
（1）曲轴结构的几何模型上的一些小尺寸的圆孔、倒角等，可以在理想化几何模 型中进行处理，并不影响模态参数的计算。
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本章节主要内容:
基础知识 问题描述 问题分析 操作步骤 本节小结
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8.1 基础知识
主要内容分为2大部分： 有限元法模态分析理论基础 结构模态分析操作流程
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8.2 问题描述
如图所示为某一压缩机用的曲轴模型，曲轴是该类产品的关键零部件，为避免该 产品在使用中出现过大的振动破坏情况，需对曲轴零部件进行模态分析，曲轴的 正常工作转速在800r/min，在设计中根据实际的需要要求正常转速低于第一阶临 界转速；
.ຫໍສະໝຸດ Baidu
单击确定
4）仿真导航器新增节点
单击【创建解算方案】对话框的【确定】 按钮，注意到【仿真导航器】窗口分级树 中新出现了相关的数据节点，如图所示。
单击工具栏中的【保存】按钮，将上述操 作成功的仿真模型和数据及时保存起来。
仿真导航器 新增节点
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（5）求解自由模态
在【仿真导航器】窗口分级树中单击【Crank Shaft_sim1.sim】节点，单击求解，
（2）可以按照先计算曲轴的自由模态，然后在此基础之上施加约束，计算约束模 态的求解思路和计算自由模态的求解思路一致。UG NX高级仿真计算结构模态的操 作顺序和操作步骤和静力学分析过程相似，在几何体模型基础上，可以进行理想 化模型操作，然后建立有限元模型（包括赋予材料属性、定义单元属性、划分网 格等），在仿真模型环境中，如果不定义边界约束条件，那可以求解该结构的自 由模态（6个DOF均为自由）；如果定义了边界约束条件，那可以求解该结构的约 束工况模态，但是有一点相同的，那就是不必进行定义作用载荷操作。
单击【确定】
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4）划分网格
单击工具栏中的【3D网格】命令，弹出【3D网格】对话框；
设置相 关参数
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5）检查单元质量
单击工具栏中的【单元质量】图标，弹 出【单元质量】对话框，如图所示。 设置相 关参数
单击该命令
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（4）创建仿真模型
1）单击【仿真导航器】窗口分级树的 【Crank Shaft_fem1.fem】节点，右键弹 出快捷菜单，单击【新建仿真】，弹出 【新建部件文件】对话框，在【名称】中 修改为【Crank Shaft_sim1.sim】, 选择 本实例高级仿真相关数据存放的【文件 夹】，单击【确定】按钮，弹出【新建仿 真】对话框，如图所示,默认所有的选项，
1）定义材料属性
单击工具栏中的【指派材料】图标，弹出【指派材料】对话框； 设置相关参数
单击该命令 .
2)创建物理属性
单击工具栏中的【物理属性】图标，弹出【物理属性表管理器】对话框
选择材料
单击【创建】
单击【确定】
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3)网格属性定义
单击工具栏中的【网格收集器（俗称为：网格属性定义）】图标，弹出【网格捕集器】 对话框
仿真导航器新 增节点
.
（2）优化（理想化）模型
在【仿真导航器】窗口分级树中，单击【fem1_Crank Shaft_i.part】节点，右键 弹出快捷菜单【设为显示部件】并单击之（也可以直接双击该节点），即可进入 优化模型的环境。
右键单击【fem1_Crank Shaft_i.part】节点，选择【提升】命令，在窗口图形中 选择整个曲轴模型作为要提升的选择体，单击【确定】。
单击【确定】按钮；
单击确定
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2）创建解算方案
弹出【创建解算方案】对话框，如
图所示，在【名称】中修改为
【Solution 1】，【解算方案类型】
选取为【SOL 103 Real
Eigenvalues】。
设置相关
参数
单击确定
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3）设置工况控制参数
单击【创建解算方案】对话框下面【工 况控制】选项卡，出现相应的选项及其 参数对话框，默认【特征值方法】选项 为【Lanczos法】，单击【Lanczos法】 右侧的【创建模型对象】图标，弹出如 图所示的【实数特征值】对话框； 设置参数
待求解完成关闭相应的窗口，如图所示。双击【结果】命令窗口，出现模态后处理结
果。
后处理导航
器新增节点
解算监视器对话
.
框图
（6）后处理及其动画演示
1）在【后处理导航器】窗口中，可以发现在【Crank Shaft_sim1.sim】的 【Solution 1】前6阶模态非常接近零，是因为此次计算的是曲轴的自由模态，放开了 6个自由度，因此在6个自由度方向中出现了刚体位移，读者可以点击进行查看相对某 一自由度的刚体位移形式。从后处理导航器可以看出：曲轴模型的第1阶固有频率为 56.51Hz，第2阶固有频率为58.71Hz，第3阶固有频率为137.2Hz。
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1）理想化几何体
在工具栏上单击【理想化几何体】命令，弹出【理想化几何体】对话框；
油孔1
油孔2
设置相 关参数
删除曲轴上两 个贯通的油孔
.
2）移除几何特征
删除模型上的油孔后会发现，在油孔删除部位处还残留有前面的断线，选择【移 除几何特征】命令，
选取相应 的对象
移除几何特征 操作后示意图
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（3）创建有限元模型
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8.4 操作步骤
8.4.1 曲轴结构自由模态的计算 创建有限元模型 优化（理想化）模型 创建有限元模型 创建仿真模型 求解自由模态 后处理及其动画演示
8.4.2 曲轴结构约束模态的计算 施加约束条件 求解约束模态 后处理及其动画演示
8.4.3 曲轴结构模态计算精度的对比
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第8章 固有频率计算和分析实例精讲—压缩机曲轴分析
本章内容简介 本实例以压缩机曲轴单个零部件的结构模态为分析对象，在介绍有限元法模
态分析的基础上，构建该结构有限元模型和仿真模型，分别求解该结构的自由模 态与约束模态，得到相应条件下的模态参数，包括各阶固有频率与振型，为进一 步进行结构动力学分析提供必要的基础参数。
8.4.1 曲轴结构自由模态的计算
o 打开随书光盘part源文件所在的文件夹路径： Book_CD\Part\Part_CAE_Unfinish\Ch08_Crank Shaft，选中文件Crank Shaft.prt，调出曲轴三维实体模型。
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（1）创建有限元模型
依次左键单击【开始】和【高级仿 真】，在【仿真导航器】窗口分级 树中单击【Crank Shaft.prt】节 点，新建FEM，并进行相关操作； 单击【确定】按钮即可进入了创建 有限元模型的环境；