模态分析中约束方式对结果的影响

模态分析中约束方式对结果的影响

李如忠

中国工程物理研究院电子工程研究所，621900

刚海燕

四川绵阳万博实验学校，621900

[ 摘要 ] 利用有限元分析软件Ansys，对一个电子设备中使用的腔体进行了模态分析，通过设置不同的固定方式（约束方式），计算了腔体的固有频率和振型，并对不同约束方式所得的结果进

行了比较，确定最符合实际的结果。

[ 关键词]模态分析、固有频率、振型、有限元

A Influence Analyse of the Results Given Different

Loading Conditions in Modal Analysis

Liruzhong

Institute of Electronic Engineering, China Academy of Engineering Physics,621900

Ganghaiyan

Mianyang Wanbo Experimental School, Sichuan,621900 [ Abstract ] A modal analysis of a model cavity body used in electronic facility using the ANSYS FEA(Finite Element Analysis)software program is presented. The natural frequencies and

mode shapes of the cavity body are determined given different loading conditions, the

comparison of results given different loading conditions is done, and the most valid result is

gained.

[ Keyword ] modal analysis , natural frequencies, mode shapes, FEA

1前言

模态分析在结构有限元分析中是一种非常重要的分析，可以通过模态分析获得零件的各阶固有频率和振型，并且模态分析也是动力学分析的基础，在进行瞬态动力学分析、谐响应分析、谱分析等动力学分析时，必须首先进行模态分析。

在本文中，我们分析的是一个金属腔体，如图1所示。在腔体上有安装孔，并有各种槽和孔等复杂特征。如果用理论分析的方法对腔体的模态进行分析是非常困难的，所以，采用Ansys 进行有限元分析，在分析中通过设置不同的约束方式，取得在约束不同的情况下的结果。

图1 实体模型

2利用Ansys进行模态分析的步骤

2.1前处理

2.1.1建模

由于我们分析的模型比较复杂，采用了从其它三维软件中建模然后导入Ansys的方法。在

本文中利用Pro/Engineer建立了模型，如图1所示，选择菜单Utility

Menu>File>import>Pro/E…，选择三维模型文件，将其导入到Ansys中进行分析。

2.1.1选择单元类型

在该分析中我们使用的是三维立体分析模型，所以选择实体单元。选择菜单Main

Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete，弹出对话框，点击Add，选择Solid/Brick

8node 45。

2.1.2定义材料

所分析的模型材料为铝合金材料，材料的参数见下表。

选择菜单Main Menu>Preprocessor>Material Props,输入材料的弹性模量和泊松比，再输

入材料的密度，输入时把单位转换为标准单位。

表1材料参数

弹性模量E(MPa) 泊松比密度(kg/m3)

7.1E4 0.33 2770

2.1.3划分网格

采用自由方式对模型进行网格划分，选择菜单Main Menu > Preprocesso> Meshing> Mesh>

Volumes> Free，在弹出对话框中选择Mesh，然后选择整个模型体，划分后的网格如图2所示，

共划分了3029个网格，6052个节点。

图2有限元模型

2.1.4施加载荷

在模态分析中不需要施加外载荷，只需定义模型的约束，我们通过定义不同的约束，进行了多次模态计算。各种不同的约束列在表2中。

选择菜单Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Structural>Displacement>On Areas，添加位移约束。

图3 约束方式示意图

表2 约束方式列表

编号约束方式的描述

1 腔体的整个底面固定

2 只固定腔体的安装台底面

3 固定腔体的安装台底面，底面其余地方采用无摩擦的支撑

4 固定腔体的安装台底面，底面其余地方采用只受压支撑

5 固定腔体上的安装孔的柱面，底面其余地方采用只受压支撑

6 固定腔体上的安装孔的柱面，底面其余地方采用无摩擦的支撑

7 固定腔体上的安装孔的柱面

8 腔体的安装台底面设置Y坐标方向位移为0，安装孔的柱面设置X、Z坐标方向位移为0，

底面其余地方采用无摩擦的支撑，在安装孔上施加螺栓预应力

2.2求解

选择菜单Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis，新建一个分析，分析类型

选择Modal。选择菜单Main Menu>Solution>Analysis Type>Analysis Option，在出现对话框

中的No. of modes to extract选项中设置为6，设置分析的振型为6阶，然后选择菜单Main Menu>Solution>Solve>Current LS求解当前的分析。

2.3查看分析结果

求解完成后，使用一般后处理模块，选择菜单Main Menu>General PostProc>Results Summary，可以查看模型的六阶固有频率。

可以选择菜单Utility Menu> PlotCtrls> Animate> ModeShap，显示各阶模态的振型动画，

图4显示的是其中一个振型的振动变形图。

图4 分析结果示例

3结果分析

通过设置不同的约束方式，计算了不同的模态，如表3所示。

表3 分析结果

约束方式编号第一振型第二振型第三振型第四振型第五振型第六振型

1 9926.11 11749.47 13613.78 14496.58 16122.95 16966.13

2 4126.28 5282.77 6227.0

3 7308.07 8554.51 10093.31

3 7808.52 10315.67 12270.31 12929.58 13586.12 14404.19

4 7802.23 10287.99 12242.39 12903.46 13562.84 14370.24

12933.75

13984.73

12519.65

5 6913.68

10152.33

11201.15

6 3760.68 4695.69 6091.38 6782.39 8216.92 9181.19

12964.04

14019.73

12555.65

7 6906.86

10175.02

11201.41